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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
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