Presenza della copertura di vetro

La copertura di vetro, montata sulla sommità del collettore, svolge l’importante funzione di proteggere i componenti interni, molto delicati, dalle avverse condizioni ambientali (pioggia, grandine, azioni vandaliche, etc. . .); come riportato nel seguito, la presenza della copertura consente di ridurre il calore disperso dall’assorbitore e di migliorare il rendimento di resa dell’energia solare dell’intero sistema. Occorre evidenziare che il comportamento selettivo alla radiazione solare del vetro consente l’introduzione nella cavità di gran parte della stessa radiazione incidente.

Lo studio che segue intende mostrare come la copertura influenzi la fluidodinamica interna del collettore ed in particolare le perdite di calore del ricevitore.

Nel seguito vengono confrontati due collettori, aventi stessa geometria ed in uno dei quali la copertura di vetro è stata rimossa. Il collettore studiato è quello analizzato dai ricercatori austriaci: le caratteristiche geometriche e le altre condizioni operative non sono state modificate (si rimanda alla sezione 3.3). Si ricorda che lo spessore del vetro della copertura è di 4 mm e che tutte le proprietà dei materiali sono definite nella tabella 3.2. Per comodità di notazione si indicano con Coll_Cover e con Coll_No_Cover rispettivamente i collettori con e senza copertura di vetro.

Occorre soffermarsi brevemente sul dominio geometrico da considerare nel caso del collettore senza copertura di vetro: per non alterare significativamente la flui- dodinamica interna, è necessario creare la condizione di flusso imperturbato. Allo scopo, al dominio geometrico di partenza viene aggiunta, sulla sommità del CPC, una parte rettengolare di dimensioni circa 20 volte maggiori rispetto all’apertura dello stesso collettore (la quale, si ricorda, esser pari a100 mm). Il dominio di calcolo è quindi mostrato nella figura 4.19: in questa figura sono evidenziati le entità utilizzate successivamente per la definizione delle size-function per discretizzare la zona fluida dell’aria.

La zona solida dell’isolante viene discretizzata in maniera analoga a quanto fatto nel capitolo precedente: si utilizzano elementi di mesh Quad-Pave e le size-function sfunc.4 e sfunc.5 riportate in tabella 3.4.

132 4. Analisi di sensibilità del modello CFD

Pave; dato che il dominio geometrico è stato variato, occorre modicare le size-function secondo quanto riportato in tabella 4.24.

Figura 4.19: Dominio di calcolo per il caso Coll_No_Cover

Parametri delle Size-Function

S.Fuction Source Attachment S. Size [mm] G. Rate M. Size [mm]

sfunc.1 Riflett. & ricev. Zona fluida 0.70 1.03 100

sfunc.2 Vertex_a & vertex_b Zona fluida 0.70 1.05 100

sfunc.3 Edge_a & edge_b Zona fluida 0.70 1.05 100

Tabella 4.24: Caratteristiche delle size-function modificate per discretizzare la zona fluida di Coll_No_Cover

Il dominio geometrico di Coll_No_Cover è stato discretizzato in circa50 000 elementi; i parametri di forma EquiSize Skew e EquiAngle Skew sono dell’ordine di 0.5: la discretizzazione ottenuta è di buona qualità.

Per l’analisi CFD del caso Coll_No_Cover è necessario modificare le condizioni a contorno utilizzate in precedenza ovvero definire quella per il bordo della regione rettagolare, aggiunta nel dominio di calcolo per simulare il flusso imperturbato: si impone la condizione di Pressure-Outlet con un valore di pressione relativa nullo e una temperatura pari a quella ambiente (27◦C). Per il resto il modello CFD di Coll_No_Cover segue quello utilizzato ampiamente nelle precedenti sezioni.

I campi di temperatura, riportati nella figura 4.20, sono molto diversi: l’unico elemento in comune è rappresentato dal plume della convezione ovvero dalla regione di fluido che, riscaldato dall’assorbitore, risale verso la parete sinistra del riflettore. Nel caso Coll_No_Cover, gran parte della regione interna della cavità è alla tempe- ratura ambiente ovvero 300 K.

Le differenze fra i campi di temperatura possono essere ulteriormente evidenziate osservando i valori medi della stessa, i quali vengono riportati nella tabella 4.25; nel caso Coll_No_Cover il termine Fluido Interno si riferisce alla quantità d’aria che occupa la sola cavità del CPC e non a tutta la zona fluida: in questo modo è possibile procedere ad un confronto razionale. Come si può notare, l’assenza della copertura di vetro provoca una marcata diminuizione di tutte le temperature medie: si intuisce che gli scambi di calore con l’ambiente circostante siano maggiori.

4.4. Analisi di sensibilità delle condizioni operative 133

(a) (b)

Figura 4.20: (a) Campo di temperatura per i casi Coll_Cover e (b) Coll_No_Cover

Valori medi di temperatura [K] Coll_Cover Coll_No_Cover

Fluido int. 323.3 305.4

Riflet. sx 324.9 319.3

Riflet. dx 314.6 301.6

Tabella 4.25: Valori medi di temperatura per i casi Coll_Cover e Coll_No_Cover

I campi di moto sono riportati nella figura 4.21: sono molto differenti. Nel caso Coll_No_Cover, il loop caratteristico della convezione si modifica sensibilmente: la corrente fluida entra nella cavità del CPC dal lato destro, adererisce al riflettore, si riscalda circondando l’assorbitore per allontanarsi dal collettore attraverso la parete sinistra del concentratore stesso.

(a) (b)

Figura 4.21: (a) Campo di velocità per i casi Coll_Cover e (b) Coll_No_Cover

Si evidenzia come il fluido che aderisce alla parete sinistra del ricevitore, nel caso Coll_No_Cover, abbia velocità maggiori.

L’assenza della copertura di vetro produce un aumento della velocità media del fluido: si passa dai3.30 cm/s ai 4.30 cm/s. Questo significa che le correnti convettive,

134 4. Analisi di sensibilità del modello CFD

all’interno della cavità del CPC, sono più intense e che il calore disperso dal ricevitore è maggiore.

I valori medi dei coefficienti di scambio e del flusso di calore disperso dall’assorbito- re sono riportati nella tabella 4.26: come si può notare, la presenza della copertura di vetro consente di ridurre le perdite di calore dall’assorbitore e di migliorare l’efficienza di resa dell’intero collettore.

É necessario evidenziare i valori decisamente bassi della temperatura e del coefficiente di scambio della parete destra ottenuti senza la copertura di vetro: come si può intuire, la corrente fluida in questa zona asporta una quantità minore di calore mentre il grosso dello stesso viene dissipato in corrispondenza della parete sinistra, dove invece si registra un aumento del coefficiente di scambio.

Valori medi del coefficiente di scambio [W/(m2_K)]

Coll_Cover Coll_No_Cover

Assorbitore 7.30 11.15

Riflet. sx 0.76 0.80

Riflet. dx 0.51 0.07

Flusso medio di calore disperso [W/m2]

Assorbitore 470 720

Tabella 4.26: Valori medi dei coefficient di scambio e del flusso di calore disperso dall’assorbitore per i casi Coll_Cover e Coll_No_Cover

La presenza della copertura di vetro è fondamentale in quanto consente di proteggere i delicati componenti del collettore e soprattutto di ridurre le perdite di calore del ricevitore.