Candidato

Gregory Truden

Relatore

Paolo Gambino

Studio dell’efficienza di un nuovo tipo di collettore solare termico

Collettore solare piano

Il collettore è l’elemento principale di tutti gli impianti che utilizzano l’energia solare sotto forma di energia termica.

La sua funzione è quella di raccogliere l’energia radiante del sole e trasferirla ad un fluido termovettore

Le temperature che il fluido può raggiungere in un collettore piano non superano quasi mai i 100 °C, ma sono più che

sufficienti per soddisfare tutti i fabbisogni civili di energia termica, che possono essere:

Produzione acqua calda sanitaria

Riscaldamento di ambienti

Raffrescamento di ambienti

Schema e funzionamento

2 tipi di circolazione possibili per il fluido termovettore

NATURALE

FORZATA

Pannello di assorbimento (4)

Condotto di inserimento fluido termovettore (5)

Condotto di inserimento nel serbatoio (3)

Serbatoio di accumulo (2)

Valvola di uscita (1)

Circolazione naturale

Il fluido termovettore riscaldato sale per moto convettivo nel serbatoio di accumulo posto in prossimità del pannello

Dispersioni termiche dell’accumulo elevate e si va incontro al fenomeno della stagnazione

Scambio termico lento

Circolazione forzata

Maggiore velocità del fluido Maggiore accumulo di energia termica

Il fluido nel pannello viene movimentato da un circolatore e portato all’accumulo.

Sensori differenziali di temperatura permettono l’accensione e lo spegnimento in modo automatico.

Tipologie di collettori piani

Vetrato ScopertoA tubi sottovuoto

Tipologie di collettori piani /1

Vetrato Piastra captante: costituita da un metallo ad alta capacità di trasmissione del calore, con tubi integrati per permettere il fluire del fluido termovettore.

Copertura trasparente: lastra di vetro posta davanti alla piastra captante. Lascia passare la radiazione visibile ma diventa opaca alla radiazione infrarossa riemessa dal materiale assorbitore.

Materiale coibentante : per evitare perdite dai lati e nella parte retrostante.

Temperature raggiungibili : 40 °C Inverno 60-80 °C Estate

Tipologie di collettori piani /2

A tubi sottovuotoIl processo di assorbimento della radiazione è identico al precedente.

La differenza essenziale consiste nella composizione della coibentazione

Nei collettori a tubi l'assorbitore è inserito all'interno di un tubo di vetro sottovuoto per ridurre le dispersioni di calore.

La quasi totale assenza di dispersione permette di raggiungere temperature superiori ai 100 °C

Tipologie di collettori piani /3

Scoperto

Gli elementi costitutivi, generalmente di materiale plastico assorbono direttamente il calore e lo trasmettono al fluido termovettore.

Rendimento elevato quando la temperatura esterna è alta, ma crolla rapidamente all'abbassarsi della temperatura esterna

Nuovo tipo di collettori piani

Installato presso il comune di San Mauro Torinese

Area coperta dai pannelli : 150 mq

Orientato a Sud con inclinazione 45°

Sistema a circolazione forzata a ciclo chiuso provvisto di serbatoi di accumulo di grandi dimensioni isolati termicamente (16000 litri)

L’estrazione del calore avviene tramite uno scambiatore acqua-aria

Integra il sistema di riscaldamento esistente con un impianto ad aria che può funzionare con temperature relativamente basse, intorno ai 30 °C

Materiali e funzionamento

L’acqua rilasciata dal tubo viene assorbita e rilasciata lentamente dal tessuto Non-tessuto permettendone così il riscaldamento. Questa viene poi raccolta nella parte inferiore del pannello ed incanalata verso l’accumulo

La gomma nera massimizza l’assorbimento della radiazione solare incidente

Gomma nera 8/10 mm

Tessuto Non-tessuto

Tubo gocciolatore

Materiale per coibentazione

Qualità di un collettore

Misura dell’EFFICIENZARapporto fra l’energia assorbita dal fluido

termovettore e l’energia incidente sulla superficie.

Impossibilità della misura dell’efficienza sull’impianto esistente

Costruzione di un apposito prototipo sperimentale

Prototipo sperimentale

Installato sul tetto dell’istituto di Fisica nel mese di Aprile

Area utile: 1,8 mq

Portata dell’acqua in ingressoregolabile

Orientato verso Sud

Inclinazione θ = 45°

Strumentazione

Datataker DT50Acquisizione elettronica dei segnali dai vari sensori

Piranometro Per la misura della radiazione globaleStessa inclinazione del pannelloSensibilità 10µV/(W/m²)

Termoresistenze al platino PT100Precisione ± 0,2 °CMisura della temperatura dell’acquaIn ingresso e uscita

Contatore volumetricoPrecisione ± 0,05 Litri/min

Termocoppie tipo KSensibilità 40 μV/°CPer la misura della T ambiente

Prototipo sperimentale

Misure effettuate nell’arco dell’intera giornata, sfruttando tutte le ore di luce

Ampio range nei valori di irraggiamento

Cattura dati dalle sonde ogni 120 secondi

Monitoraggio delle condizioni atmosfericheLimite di studio dato dalla portata in ingresso. Il tubo gocciolatore necessita di un regolatore di pressione, non disponibile in questa prova. L’acqua proveniente dall’acquedotto ha una pressione che il tubo non riesce a sopportare.

L’errore con maggior peso è quello dato dal contatore volumetrico

Risultati delle misure

Efficienza in funzione della differenza di temperatura dell’acqua tra uscita e ingresso del pannello.

η cresce al diminuire di ΔT per effetto della minore dispersione termica

L’efficienza migliora con l’aumentare della portataIl fit lineare rappresenta i dati con portata 1 l/min

Risultati delle misure

Efficienza in funzione dell’irraggiamento

Miglior rendimento si osserva a bassi livelli di irraggiamento e alta portata, di nuovo conseguenza della minore dispersione termica

Risultati delle misure

Test con portata fissa a 1 l/min

Efficienza in funzione di (Tm – Ta) pesata dal valore di irraggiamento, per permettere di valutare meglio l’effetto della dispersione termica

Stima efficienza impianto inverno 2008/2009kCalorie estratte 15 nov - 14 dic 2008 : 1172000 kcal15 dic - 15 genn 2009 : 918000 kcal16 genn - 15 feb 2009 : 1345000 kcal

irraggiamento medio giornaliero http://www.solaritaly.enea.it nov + dic = 2.83 kWh/m2/giornodic + genn = 2.79 kWh/m2/giornogenn + feb = 3.46 kWh/m2/giorno

1 KWh = 860 kcal

irragg totale stimato 15 nov - 14 dic = 9 10^6 kcalirragg totale stimato 15 dic - 15 genn = 9.14 10^6 kcalirragg totale stimato 16 gen - 15 feb = 11.07 10^6 kcal

Stima efficienza max η = 0,13

Risparmio del circa 60 % sulle spese di riscaldamento

Conclusioni

Da questo studio preliminare dell’efficienza si riscontra che la tipologia di pannello studiata è in linea con altri prodotti simili presenti sul mercato.

Da tutti i risultati si evince che l’efficienza è limitata in gran parte dalla dispersione termica, dovuta sopratutto alla radiazione riemessa.

Ci sono buone prospettive di migliorare la performance del pannello,approfondendo lo studio dei materiali e ottimizzandone gli aspetti costruttivi. Un netto miglioramento si avrebbe con l’utilizzo di una copertura, anche se questo aumenterebbe notevolmente il costo di produzione.

Quest’ultimo, insieme alla semplicità di costruzione, sono senza dubbio i punti di forza di questo sistema.

Nel futuro un utilizzo potrebbe riguardare l’applicazione a sistemi di solar cooling, settore in rapida espansione.

Grazie per l’attenzione