Studio dell’efficienza di un nuovo tipo di collettore solare termico Candidato Gregory Truden Relatore Paolo Gambino

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 Pannello di assorbimento (4) Condotto di inserimento fluido termovettore (5) Condotto di inserimento nel serbatoio (3) Serbatoio di accumulo (2) Valvola di uscita (1) NATURALE 2 tipi di circolazione possibili per il fluido termovettore FORZATA

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 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. Maggiore velocità del fluido->accumulo di energia termica più grande Maggiore velocità del fluido Maggiore accumulo di energia termica

Tipologie di collettori piani Vetrato A tubi sottovuoto Scoperto Scoperto<->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 sottovuoto Il 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 Gomma nera 8/10 mm Materiale per coibentazione Tessuto Non-tessuto Tubo gocciolatore 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

Qualità di un collettore Misura dell’EFFICIENZA Rapporto 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 ingresso regolabile Orientato verso Sud Inclinazione θ = 45°

Strumentazione Contatore volumetrico Precisione ± 0,05 Litri/min Termoresistenze al platino PT100 Precisione ± 0,2 °C Misura della temperatura dell’acqua In ingresso e uscita Piranometro Per la misura della radiazione globale Stessa inclinazione del pannello Sensibilità 10µV/(W/m²) Datataker DT50 Acquisizione elettronica dei segnali dai vari sensori Termocoppie tipo K Sensibilità 40 μV/°C Per 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 atmosferiche Limite 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. Pensare alla frase sul limite di portata 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 portata Efficienza in funzione bla…pensare se tenerlo o no Il 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 2008/2009 kCalorie estratte 15 nov - 14 dic 2008 : 1172000 kcal 15 dic - 15 genn 2009 : 918000 kcal 16 genn - 15 feb 2009 : 1345000 kcal irraggiamento medio giornaliero http://www.solaritaly.enea.it nov + dic = 2.83 kWh/m2/giorno dic + genn = 2.79 kWh/m2/giorno genn + feb = 3.46 kWh/m2/giorno 1 KWh = 860 kcal irragg totale stimato 15 nov - 14 dic = 9 10^6 kcal irragg totale stimato 15 dic - 15 genn = 9.14 10^6 kcal irragg 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

#####Confronto con altre tecnologie##### a tubi sottovuoto vetrato scoperto DA TOGLIERE

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