Collettori solari piani BTE: componenti, tecnologia e applicazioni per sistemi solari termici a bassa temperatura efficienti

Componenti di base per l'utilizzo dell'energia solare termica a bassa temperatura

I collettori solari piani sono componenti essenziali per l’utilizzo del solare termico a bassa temperatura. Sono componenti non concentrati negli impianti solari termici che ricevono la radiazione solare e trasferiscono il calore a un mezzo termovettore. I collettori solari piani sono costituiti principalmente da un assorbitore di calore, una copertura trasparente, uno strato isolante e un involucro esterno. L'assorbitore di calore è essenzialmente una piastra piana. Quando un collettore solare piano è in funzione, la radiazione solare passa attraverso la copertura trasparente e viene proiettata sull'assorbitore di calore, dove viene assorbita e convertita in energia termica. Questo calore viene quindi trasferito al mezzo di trasferimento del calore all'interno dell'assorbitore, aumentandone la temperatura e fornendo energia utile dal collettore.

Componenti e caratteristiche

I collettori solari piani sono componenti essenziali per l'utilizzo dell'energia solare termica a bassa temperatura e sono da tempo un prodotto leader nel mercato globale dell'energia solare. Sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui il riscaldamento dell'acqua sanitaria, il riscaldamento delle piscine, il riscaldamento dell'acqua industriale, il riscaldamento degli edifici e l'aria condizionata. I collettori solari piani sono costituiti principalmente da un assorbitore di calore, una copertura trasparente, uno strato isolante e un involucro esterno. Uno scaldacqua solare piano è uno scaldacqua che utilizza un collettore solare piano, mentre un sistema di riscaldamento solare piano è un sistema di acqua calda che utilizza un collettore solare piano.

Sono caratterizzati da una costruzione semplice, un'ampia area di assorbimento del calore, un'elevata resistenza alla pressione, una lunga durata, resistenza ai danni e facilità di integrazione architettonica.

Piastra assorbente di calore

Si tratta del componente all'interno di un collettore solare piano che assorbe la radiazione solare e trasferisce il calore al mezzo termovettore. Si tratta essenzialmente di una piastra piana. 

Struttura

Una piastra di assorbimento del calore a piastra piana è in genere disposta con tubi e collettori. I tubi sono disposti longitudinalmente sulla piastra di assorbimento del calore e formano il percorso del fluido; i collettori sono i componenti che collegano trasversalmente diversi tubi alle estremità superiore e inferiore della piastra di assorbimento del calore, formando il percorso del fluido. Le piastre di assorbimento del calore possono essere realizzate in una varietà di materiali, tra cui rame, lega di alluminio, composito rame-alluminio, acciaio inossidabile, acciaio zincato, plastica e gomma. Le tipologie strutturali includono:

1. Tipo a piastra tubiera: i tubi e la piastra piana sono collegati in modo specifico per formare una striscia di assorbimento del calore, che viene poi saldata ai collettori superiore e inferiore per formare la piastra di assorbimento del calore. Questo è il tipo più comunemente utilizzato sia a livello nazionale che internazionale.

2. Tipo a tubo alettato: una striscia assorbente di calore con alette fissate su ciascun lato di un tubo metallico viene formata utilizzando un processo di estrusione e trafilatura. Questa striscia viene quindi saldata alle testate superiore e inferiore per formare la piastra assorbente il calore.

3. Tipo a scatola piatta: la piastra di assorbimento del calore è formata da due piastre metalliche separate mediante stampaggio a stampo e poi saldate insieme. Tipo a serpente: il tubo metallico viene piegato a forma di serpente e poi saldato a una piastra piana per formare una piastra di assorbimento del calore. Questo tipo di struttura è ampiamente utilizzato all'estero.

Rivestimenti assorbenti solari

Per massimizzare l'assorbimento della radiazione solare e convertirla in calore, l'assorbitore deve essere ricoperto da un rivestimento scuro, noto come rivestimento assorbente solare.

I rivestimenti assorbenti solari possono essere suddivisi in due categorie: non selettivi e selettivi. I rivestimenti non selettivi sono quelli le cui proprietà ottiche sono indipendenti dalla lunghezza d'onda della radiazione; i rivestimenti selettivi sono quelli le cui proprietà ottiche variano significativamente con la lunghezza d'onda della radiazione.

I rivestimenti assorbenti selettivi possono essere preparati utilizzando diversi metodi, tra cui spruzzatura, chimica, elettrochimica, evaporazione sotto vuoto e sputtering magnetron. La maggior parte dei rivestimenti assorbenti selettivi preparati con questi metodi può raggiungere un rapporto di assorbimento solare (SAR) superiore a 0,90, ma i loro intervalli di emissività ottenibili variano significativamente. Dal punto di vista delle prestazioni di emissività, l'ordine di merito tra questi metodi dovrebbe essere: sputtering magnetron, evaporazione sotto vuoto, elettrochimica, chimica e spruzzatura. Naturalmente, ogni metodo ha un intervallo specifico di valori di emissività e l'emissività effettiva di un rivestimento dipende dal grado di ottimizzazione del processo di preparazione del rivestimento.

Materiali

Il rame TP2 viene utilizzato per collettori e tubi di derivazione. Il rame deossidato rame-fosforo TP2 è una materia prima ad alta purezza prodotta mediante fusione. L'ossigeno generato nel rame fuso viene deossidato con fosforo (P) affine all'ossigeno, riducendone il contenuto di ossigeno a meno di 100 ppm. Ciò ne migliora la duttilità, la resistenza alla corrosione, la conduttività termica, la saldabilità e la lavorabilità, resistendo anche all'infragilimento da idrogeno ad alte temperature. Caratteristiche e applicazioni: vanta un contenuto di ossigeno estremamente basso, elevata purezza, eccellente conduttività elettrica e termica, eccellente duttilità, bassa permeabilità all'aria e infragilimento da idrogeno minimo o nullo. Offre inoltre un'eccellente lavorabilità, saldabilità, resistenza alla corrosione e resistenza alle basse temperature.

Piastra di copertura trasparente

La piastra di copertura trasparente è un componente trasparente (o traslucido) a forma di piastra che ricopre la piastra assorbitrice in un collettore piano. Svolge tre funzioni principali: innanzitutto, trasmette la radiazione solare e la dirige sulla piastra che assorbe il calore; in secondo luogo, protegge la piastra che assorbe il calore da polvere, pioggia e neve; e in terzo luogo, crea un effetto serra, impedendo alla piastra che assorbe il calore di dissipare calore verso l'ambiente circostante per convezione e irraggiamento quando la temperatura aumenta. 

Materiale

Esistono due tipi principali: vetro piano e fibra di vetro. Il vetro piano è attualmente il più utilizzato sia a livello nazionale che internazionale.

Il vetro piano ha una bassa trasmittanza infrarossa, una bassa conduttività termica e un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici. Tuttavia, la trasmittanza solare e la resistenza agli urti sono due fattori chiave per il vetro piano. Attualmente, il materiale di copertura trasparente più comunemente utilizzato è il vetro piano spesso 3-5 mm, il vetro temperato ultra-chiaro a basso contenuto di ferro o il vetro temperato testurizzato ultra-chiaro a basso contenuto di ferro. Questi vetri hanno un'elevata trasmittanza, sono resistenti alla grandine e agli urti e sono sicuri e affidabili. Gli spessori di vetro più comuni sono 3,2 mm e 4,0 mm. Il vetro ultra-chiaro è un tipo di vetro ultra-trasparente a basso contenuto di ferro, noto anche come vetro a basso contenuto di ferro o vetro ad alta trasparenza. Le lastre in FRP (ovvero lastre in plastica rinforzata con fibra di vetro) hanno un'elevata trasmittanza solare, una bassa conduttività termica e un'elevata resistenza agli urti; tuttavia, per le lastre in FRP, la trasmittanza infrarossa e la resistenza agli agenti atmosferici sono due aspetti che richiedono attenzione. La curva della trasmittanza monocromatica in funzione della lunghezza d'onda delle lastre in FRP mostra che la trasmittanza monocromatica non solo ha un valore elevato entro le 2pm, ma anche un valore elevato sopra le 2.5pm. Pertanto, la trasmittanza solare delle lastre in FRP è generalmente superiore a 0,88, ma anche la sua trasmittanza infrarossa è molto più elevata di quella del vetro piano. Le lastre in FRP possono ridurre il grado di danno causato dai raggi ultravioletti utilizzando resine ad alta energia di legame e gelcoat. Tuttavia, la durata utile delle lastre in FRP non può in alcun modo essere paragonata a quella del vetro piano, che è un materiale inorganico. Le lastre in FRP sono raramente utilizzate come piastre di copertura per collettori e attualmente sono utilizzate solo in alcuni prodotti di fascia bassa.

Strato isolante

Lo strato isolante è un componente del collettore che impedisce al calore dell'assorbitore di disperdersi nell'ambiente circostante per conduzione. I materiali utilizzati per lo strato isolante includono lana di roccia, lana di vetro, poliuretano e polistirene. La lana di vetro è attualmente il più comunemente utilizzato.

Materiali isolanti ad alta efficienza

La schiuma fenolica (PF) è un nuovo tipo di materiale isolante in grado di migliorare l'efficienza dei collettori solari piani. Viene gradualmente adottato dai produttori. La schiuma fenolica è una schiuma plastica rigida a celle chiuse, ottenuta mediante la schiumatura e la polimerizzazione di resina fenolica con una varietà di sostanze, tra cui emulsionanti, agenti schiumogeni, polimerizzanti e altri additivi, attraverso una formula scientifica.

Le caratteristiche della schiuma fenolica sono riassunte come segue:

1. Eccellenti prestazioni di isolamento termico, con una conduttività termica <0,03 W/m·K.

2. Elevata temperatura di esercizio. La schiuma fenolica può operare per lunghi periodi di tempo a temperature comprese tra -200°C e 160°C (con temperature transitorie consentite di 250°C) senza restringersi.

3. Eccellente resistenza agli agenti atmosferici. Anche in caso di esposizione prolungata ad alte temperature, mantiene eccellenti proprietà di isolamento termico e non rilascia sostanze volatili che potrebbero bloccare la radiazione solare.

4. Non infiammabile. La schiuma fenolica (spessa 100 mm) resiste alle fiamme per oltre un'ora senza essere penetrata e non emette fumo o gas nocivi. Quando esposta a fiamme libere, la schiuma fenolica forma uno strato di carbonio strutturale sulla sua superficie, impedendo gocciolamenti, arricciamenti o fusione. Dopo la combustione, si forma sulla superficie uno strato di grafite di carbonio strutturale, che protegge efficacemente la struttura interna della schiuma.

5. Ecologico. Utilizzando una tecnologia di schiumatura senza fluoro e senza fibre, soddisfa gli standard ambientali nazionali e internazionali.

Spessore

Lo spessore dello strato isolante deve essere determinato in base a fattori quali il materiale utilizzato, la temperatura di esercizio del collettore e le condizioni climatiche dell'area di utilizzo. In linea generale, maggiore è la conduttività termica del materiale, maggiore è la temperatura di esercizio del collettore e minore è la temperatura nell'area di utilizzo, maggiore dovrebbe essere lo spessore dello strato isolante. Generalmente, lo strato isolante inferiore ha uno spessore di 30-50 mm, mentre gli strati isolanti laterali hanno all'incirca lo stesso spessore.

Alloggiamento

L'alloggiamento protegge e fissa l'assorbitore, la copertura trasparente e lo strato isolante all'interno del collettore. A seconda della sua funzione, l'alloggiamento richiede un certo livello di resistenza e rigidità, una buona tenuta e resistenza alla corrosione e un aspetto esteticamente gradevole. 

I materiali utilizzati per l'alloggiamento includono lega di alluminio, acciaio inossidabile, acciaio al carbonio, plastica e fibra di vetro. Per migliorare la tenuta dell'alloggiamento, alcuni prodotti utilizzano un processo di stampaggio a compressione in un'unica fase utilizzando acciaio al carbonio. Attualmente, il materiale più comunemente utilizzato per l'alloggiamento (telaio) di un collettore piano è la lega di alluminio e l'acciaio al carbonio, realizzati utilizzando un processo di stampaggio a compressione in un'unica fase. 

Lega di alluminio: i profili in lega di alluminio 6063T5 sono comunemente utilizzati. Le leghe di alluminio della serie 6063 sono ampiamente utilizzate nei telai di porte, finestre e facciate continue in alluminio negli edifici. Per garantire elevata resistenza al vento, prestazioni di assemblaggio, resistenza alla corrosione e proprietà decorative, i requisiti prestazionali complessivi per i profili in lega di alluminio superano di gran lunga quelli dei profili industriali.