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Apr 13, 2023

Modellazione dettagliata di un collettore solare piano con vetri sottovuoto

Date: 20 March 2023 Authors: Viacheslav Shemelin and Tomas Matuska Academic

Data: 20 marzo 2023

Autori: Viacheslav Shemelin e Tomas Matuska

Redattore accademico: Stoian Petrescu

Fonte: Hindawi | https://doi.org/10.1155/2017/1587592

Viene presentata un'analisi teorica dei collettori solari piani con vetri sottovuoto. Diverse configurazioni del collettore sono state studiate mediante un modello teorico dettagliato basato su un bilancio energetico combinato esterno ed interno dell'assorbitore. Sono state derivate le caratteristiche prestazionali per le alternative ai collettori piani sottovuoto. Successivamente sono stati valutati i guadagni energetici annuali per una variante selezionata e confrontati con i collettori a tubi sottovuoto più moderni. I risultati della modellazione indicano che, nel caso di utilizzo di vetri sottovuoto avanzati con rivestimento ottimizzato a bassa emissività (emissività 0,20, trasmittanza solare 0,85), è possibile raggiungere parametri di efficienza simili o addirittura migliori dei collettori a tubi sottovuoto. Il progetto presentato in questo documento può essere considerato promettente per l'estensione del campo di applicabilità dell'FPC e potrebbe essere utilizzato in applicazioni che richiedono un livello di temperatura da basso a medio.

L'utilizzo termico dell'energia solare per la produzione di calore dalla luce solare è uno dei più antichi metodi di trasformazione dell'energia. Questa tecnologia è conosciuta e, a volte anche inconsciamente, utilizzata da secoli. È stato riscoperto e utilizzato nuovamente negli ultimi 45 anni. Oggi è pronto per l'applicazione, ma dopo questo breve periodo di crescita esiste un grande potenziale di sviluppo in questo campo, soprattutto nel campo dei collettori solari.

Ad oggi, il tipo di collettore solare più utilizzato in Europa è il collettore solare a piastra piana (FPC). Struttura semplice, elevata efficienza ottica, basso costo e funzionamento sicuro sono le sue caratteristiche principali. Tuttavia, l'FPC è generalmente progettato per un livello di temperatura basso compreso tra 40°C e 60°C, che è soprattutto il caso del sistema di acqua calda sanitaria. Eventuali spostamenti verso un livello di temperatura più elevato potrebbero comportare l’estensione del campo di applicabilità dell’FPC. Pertanto, sono in corso sforzi volti a migliorare le prestazioni dei collettori solari piani. Le prestazioni di un collettore solare piano sono in gran parte influenzate dalle perdite termiche dall'assorbitore all'ambiente attraverso la copertura trasparente. Un modo per ridurre questa perdita di calore è ridurre il trasferimento di calore per convezione naturale nello spazio tra l'assorbitore e la copertura mediante la sua suddivisione con l'uso di lastre di vetro aggiuntive, pellicole di plastica o materiali isolanti trasparenti (TIM). Un altro modo per ridurre questa perdita di calore è utilizzare gas con conduttività termica inferiore anziché aria o evacuare lo spazio.

Veinberg BP e Veinberg VB [1] hanno studiato l'uso di "maglie strette e profonde" come isolamento solare trasparente a nido d'ape. Inoltre, Hollands [2] ha presentato le caratteristiche prestazionali teoriche di un nido d'ape cellulare come dispositivo di soppressione della convezione posizionato tra l'assorbitore e la copertura esterna in vetro dell'FPC. Tabor [3] ha presentato un breve quadro della costruzione a nido d'ape cellulare, indicando che un uso efficace dell'isolamento a nido d'ape richiede un materiale con migliori proprietà fisiche e tecniche di produzione. Successivamente, Rommel e Wagner [4] hanno dimostrato che FPC contenente strati a nido d’ape in policarbonato da 50–100 mm funziona bene con una temperatura di lavoro del fluido compresa tra 40 e 80°C. Kessentini et al. [5] hanno presentato un FPC con isolamento in plastica trasparente e sistema di protezione dal surriscaldamento a basso costo destinato alla fornitura di calore da 80 a 120°C. È possibile raggiungere temperature di esercizio più elevate fino a 260°C anche utilizzando i nidi d'ape in vetro poiché le coperture in plastica sono suscettibili di sciogliersi a temperature superiori a 120°C.

Svendsen e Jensen [6] e Svendsen [7] hanno dimostrato sperimentalmente che l’efficienza dell’FPC solare può essere significativamente migliorata riempiendo il traferro tra l’assorbitore e la copertura con un aerogel di silice monolitico ed evacuando a 10 kPa. Duan [8] ha studiato la riduzione della perdita di calore sul lato anteriore posizionando lo strato di aerogel tra la copertura trasparente e la piastra assorbente mostrando un aumento del 21% nell'efficienza del collettore rispetto al collettore convenzionale. Questi studi hanno dimostrato che le perdite di calore convettivo sono significativamente ridotte dall'uso di TIM a causa della partizione dello spazio tra l'assorbitore e la copertura che limita il trasporto di calore per convezione e quindi è stata ottenuta una prestazione più elevata dell'FPC. I risultati delle prove sono stati incoraggianti ed è stata ottenuta una prestazione paragonabile a quella dei collettori a tubi sottovuoto.