Collettori solari termici

Il pannello solare termico (detto anche collettore solare) è un dispositivo atto alla conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, per esempio, verso un accumulatore per un uso successivo. Un sistema solare termico normalmente è composto da: un pannello che riceve l’energia solare; uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per il trasferimento ad un serbatoio e il serbatoio utilizzato per immagazzinare l’energia accumulata.

 

Il sistema può avere due tipi di circolazione, naturale o forzata. Quasi tutti i pannelli solari implementano in vario modo questi componenti: copertura trasparente, assorbitore, isolamento, collegamenti, scambiatore di calore con accumulo.

 

La Finanziaria 2007 aveva introdotto un incentivo che consisteva nella detrazione d’imposta del 55% in fase di dichiarazione dei redditi per l’installazione di pannelli solari per produzione di acqua calda per usi domestici o industriali in edifici. Ancora oggi è valido il 55%, anche se si prevede che per il prossimo futuro si introdurrà un diverso meccanismo di incentivazione, progettato sulla base dell’energia prodotta. Solo i laboratori accreditati ACCREDIA (ex SINAL) come Istituto Giordano possono produrre i documenti necessari ai fini della detrazione.

 

I collettori solari termici si dividono principalmente in collettori piani e sottovuoto.
1. I collettori solari piani sono la tipologia attualmente più diffusa. Quelli vetrati sono essenzialmente costituiti da una copertura in vetro, una piastra captante isolata termicamente nella parte inferiore e lateralmente, contenuti all’interno di una cassa metallica o plastica. Quelli scoperti sono normalmente in materiale plastico direttamente esposti alla radiazione solare. L’utilizzo di questi ultimi è di norma limitato al riscaldamento dell’acqua di piscine.

 

2. I collettori solari sottovuoto sono progettati con lo scopo di ridurre le dispersioni di calore verso l’esterno. Infatti, il calore raccolto da ciascun elemento (tubo sottovuoto) viene trasferito alla piastra generalmente in rame o alluminio, presente all’interno del tubo.
In tal modo il fluido termovettore si riscalda e, proprio grazie al vuoto, minimizza la dispersione di calore verso l’esterno. Al loro interno la pressione dell’aria è molto ridotta, così da impedire la cessione del calore per conduzione da parte dell’assorbitore.
In fase di assemblaggio tra l’assorbitore e il vetro di copertura l’aria viene aspirata e deve essere assicurata una tenuta perfetta e che rimanga tale nel tempo. Gli standard UNI EN 12975 sono stati scritti pensando tipicamente a queste due tipo-logie di collettori (con l’aggiunta dei sistemi ibridi fotovoltaici/termici PVT); ora si sta già pensando di estenderli ai collettori solari ad aria e ai sistemi a concentrazione per quanto riguarda i test di efficienza energetica.

 

I collettori solari sono attualmente regolati da sistemi di certificazione volontaria ed in futuro è prevista la marcatura CE secondo la direttiva CPD. Di seguito una breve descrizione.

 

Test di sovrappressione
Il collettore viene sottoposto per un periodo di 15 minuti ad una pressione interna pari a 1,5 volte la pressione massima operativa dichiarata dal produttore.

 

Test di resistenza alle alte temperature
Il collettore viene provato per la durata di un’ora ad almeno 1.000 W/m2, temperatura ambientale maggiore di 20 °C e velocità del vento minore di 1 m/s.

 

Test di esposizione (stagnazione a secco)
Questa prova prevede l’invecchiamento mediante esposizione outdoor a 30 giorni con irraggiamento mi-nimo pari a 14 MJ/m2 e 30 ore con irradianza minima pari a 850 W/m2 e temperatura ambiente maggiore di 10 °C.

 

Shock termico esterno (STE) ed interno (STI)
Dopo aver sottoposto il collettore ad elevato irraggiamento, viene testata la sicurezza verificando la tenuta ad uno shock termico mediante pioggia per 15 minuti (STE) e, successivamente, mediante l’immissione di acqua fredda per 5 minuti, quando l’assorbitore ha raggiunto alte temperature (solitamente superiori a 150 °C).

 

Prova di pioggia
In questo caso viene misurata l’acqua entrata all’interno del collettore dopo 4 ore di pioggia con il collettore tenuto ad una temperatura di 50°C.

 

Prova di carico meccanico
Queste prove servono a valutare la tenuta del collettore e dei supporti di montaggio quando caricati in modo positivo o negativo, per simulare rispettivamente il carico di neve e di vento. In questo caso si misura la deformazione residua dell’involucro il quale deve rientrare all’interno di un determinato range, oltre a valutare visivamente ogni altro danneggiamento eventuale.

 

Resistenza all’impatto
Questa prova volontaria simula una grandinata e viene eseguita facendo cadere ripetutamente una sfera d’acciaio da diverse altezze (fino a 2 metri) in un angolo del collettore.

 

Efficienza termica in stato stazionario con struttura indoor (simulatore solare) e outdoor
Per misurare l’efficienza di un collettore vengono eseguiti più campionamenti di temperatura in ingresso e in uscita al collettore, di portata, di temperatura ambiente e di irradianza al fine di valutare la resa aumentando la differenza di temperatura tra collettore e ambiente. Viene dunque costruita una curva passante per i punti campionati mediante metodo dei minimi quadrati pesati.
È importante misurare i primi punti con temperatura del collettore prossima a quella ambiente per avere un valore preciso di efficienza η0 quando il collettore non cede calore all’esterno. La prova può essere eseguita in condizioni stazionarie outdoor, in condizioni di cielo limpido e velocità del vento controllate.

 

Costante di tempo e capacità termica
Questi test possono essere eseguiti in diverso modo; solitamente però si eseguono misurando il tempo intercorso per raggiungere l’equilibrio dopo che il collettore è stato prima oscurato e poi scoperto velocemente. Con una serie di calcoli viene poi determinato il tempo di risposta e la capacità termica.

 

 

Modificatore dell’angolo di incidenza
La prova serve a valutare l’efficienza con irraggiamento non normale; solitamente si misura la perdita d’efficienza incli-nando il collettore a 50°. Per i tubi sottovuoto vengono misurati più angoli in senso tangenziale e longitudinale.

 

Perdite di carico
La prova prevede la misura della perdita di carico tra ingresso ed uscita del collettore variando la portata di prova; viene dunque costruita una curva caratteristica. Il nuovo laboratorio Solare Termico di Istituto Giordano offre, inoltre, supporto per la caratterizzazione dei componenti del collettore attraverso analisi ottiche di trasmis-sione, assorbimento e riflessione, analisi termografiche e di invecchiamento accelerato. Istituto Giordano, grazie al simulatore solare, è in grado di svolgere anche nei periodi invernali le prove in tempi ristretti.

 

Articolo di Giombattista Traina

 

Sul numero de La Lente di Istituto Giordano (clicca qui per il download gratuito) in cui compare questo articolo si tratta anche di:
– La sostenibilità energetica degli edifici, introduzione
– EPBD, la direttiva sul rendimento energetico degli edifici
– Infiltrazione d’aria nell’involucro edilizio: il Blower Door Test
– LEED Italia
– Corsi di formazione

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