White Paper sulle piastre assorbenti solari: il cuore dei collettori solari a piastra piana – Efficienza e durata

Libro bianco sull'assorbitore solare: il cuore dell'efficienza e della durata dei collettori a piastra piana

Nei sistemi di collettori solari piani, un componente apparentemente insignificante ma cruciale è la piastra assorbente solare (o piastra di assorbimento del calore solare). Questa piastra ha il compito di convertire la radiazione solare in energia termica e di trasferirla al fluido termovettore. Le sue prestazioni determinano direttamente l'efficienza istantanea del collettore, la produzione annua di calore e persino la durata dell'intero sistema. Tuttavia, agli occhi degli utenti finali e persino di alcuni progettisti, la piastra assorbente solare viene spesso messa in secondo piano rispetto al "involucro del collettore" o alla "piastra di copertura in vetro". Questo articolo analizzerà in dettaglio gli aspetti tecnici e i criteri di selezione del componente principale, la piastra assorbente solare, dei collettori solari piani, da quattro punti di vista: scienza dei materiali, processo di rivestimento, prestazioni termiche e qualità della catena di fornitura.

I. Cos'è la piastra solare assorbente: funzione e struttura

La piastra assorbente solare è il componente principale per lo scambio termico all'interno di un collettore solare a piastra piana. Una tipica piastra assorbente solare è composta da tre parti: un substrato metallico ad alta conducibilità termica (solitamente rame o alluminio), un rivestimento assorbente selettivo per la superficie e una serie di tubi (tubi di rame o tubi a serpentina) saldati o integrati con il substrato. Quando la luce solare attraversa la copertura in vetro e colpisce la piastra assorbente, il rivestimento converte l'energia radiante a onde corte in energia termica. Il substrato conduce quindi rapidamente il calore al fluido (acqua o antigelo) all'interno della serie di tubi, completando così il trasferimento di energia da "luce → calore → fluido".

In base alla forma strutturale, la piastra assorbente solare si suddivide principalmente in:

1. Tipo a piastra tubolare: i tubi di rame vengono uniti alle piastre di alluminio o di rame mediante saldatura a ultrasuoni, saldatura laser o laminazione a compressione.

2. Tipo a piastre integrate: Due piastre metalliche vengono arrotolate per formare i canali di flusso del fluido (simili agli scambiatori di calore a piastre);

3. Tipo a piastra alare: Il profilo in alluminio è formato mediante un unico processo di estrusione, con il canale di flusso e le piastre alari termoassorbenti integrate in un unico pezzo.

Tra questi, il pannello solare ad assorbimento del calore a piastra tubiera composita in rame-alluminio, grazie al suo elevato rapporto costo-efficacia, occupa circa il 70% del mercato globale dei collettori a piastre piane. 

II. Indicatori di prestazione principali: tasso di assorbimento, tasso di emissione e conduttività termica

Per valutare la qualità di una piastra assorbente solare, i tre indicatori tecnici più importanti sono:

1. Coefficiente di assorbimento solare (α)

Questo si riferisce alla capacità di assorbimento del pannello solare per l'intera banda di radiazione solare (300 - 2500 nm). Il rivestimento ad assorbimento selettivo dei pannelli solari di alta qualità dovrebbe avere un valore α ≥ 0,94 (valore misurato). Attualmente, i rivestimenti più diffusi includono cromo nero, titanio blu (TiNOX), alluminio-azoto/alluminio (rivestimento a triplo bersaglio) e rivestimento composito di grafene.

2. Rapporto di emissione termica (ε, a temperatura ambiente)

Si riferisce alla capacità del pannello termoriflettente di irradiare energia termica infrarossa verso l'esterno alla sua temperatura di esercizio (tipicamente 40 °C - 100 °C). Minore è il valore di ε, minore è la perdita di calore. Per i collettori solari piani di alta qualità, il nucleo del pannello termoriflettente deve avere ε ≤ 0,10 (a temperatura ambiente). Ad esempio, il valore tipico del rivestimento in titanio blu è α = 0,95, ε = 0,05, con un rapporto di selettività α/ε pari a 19, che si colloca ai vertici del settore.

3. Conduttività termica (λ)

La velocità con cui il calore viene trasferito dalla superficie del rivestimento al fluido all'interno del tubo. I substrati delle piastre assorbenti solari utilizzano tipicamente rame (401 W/(m·K)) o alluminio (237 W/(m·K)) ad alta conduttività termica. Anche il processo di saldatura è cruciale: la saldatura a ultrasuoni garantisce l'assenza di spazi di resistenza termica tra il tubo di rame e la piastra di alluminio, mentre la saldatura a punti o l'incollaggio tradizionali possono generare una significativa resistenza termica di contatto, riducendo notevolmente l'efficienza effettiva di raccolta del calore.

III. Evoluzione della tecnologia di rivestimento: dal non selettivo all'ultra-selettivo

I primi pannelli solari ad assorbimento di calore utilizzavano una vernice nera non selettiva (α ≈ 0,90, ε ≈ 0,90), che aveva lo stesso effetto di una lamiera di ferro nera riscaldata dal sole. Dopo gli anni '80, il rivestimento in cromo nero galvanico è diventato la soluzione principale, con un tasso di assorbimento di 0,92-0,94 e un'emissività di 0,12-0,15. Tuttavia, durante il processo di produzione del cromo nero, si generano acque reflue contenenti cromo esavalente, con conseguente enorme impatto ambientale.

Con l'avvento del XXI secolo, la tecnologia di deposizione fisica da fase vapore (PVD) mediante sputtering magnetron ha dato origine alla produzione completamente a secco di rivestimenti in titanio blu (TiNOX). Questo rivestimento per pannelli assorbitori solari presenta un colore blu intenso, un'elevatissima selettività e il processo produttivo non genera acque reflue né gas di scarico. Attualmente, i principali produttori di collettori di calore in Europa e Cina sono passati completamente al titanio blu o a rivestimenti PVD simili.

L'ultima generazione di pannelli solari termoriflettenti sta iniziando ad adottare rivestimenti ceramici nanocompositi e rivestimenti modificati con grafene. I dati di laboratorio mostrano che il valore α del pannello termoriflettente potenziato con grafene può raggiungere 0,96 e il valore ε è pari a soli 0,04. Allo stesso tempo, le prestazioni anti-invecchiamento sono migliorate di oltre il 30%. Tuttavia, questa tecnologia è ancora in fase di produzione pilota, con un costo 2-3 volte superiore a quello di Lantai. Non ha ancora raggiunto la commercializzazione su larga scala.

IV. Punti critici del settore: il caos delle piastre assorbenti solari contraffatte e di qualità inferiore

Nel mercato degli utenti finali, la qualità delle piastre assorbenti solari varia notevolmente. Alcuni prodotti a basso prezzo e di bassa qualità adottano:

1. Fissaggio errato: Tubi di rame sono stati incollati a piastre di alluminio utilizzando una colla comune. Dopo sei mesi di funzionamento, lo strato di colla si è deteriorato, causando il distacco del tubo dalla piastra e un drastico calo dell'efficienza di raccolta del calore.

2. Rivestimento di qualità inferiore: imita il colore del titanio blu ma non è una finitura applicata sottovuoto. Dopo essere stato spruzzato con una normale vernice nera, il valore α è solo 0,85 e inizia a sbiadire e a sfaldarsi entro tre mesi.

3. Tubo a parete sottile: Lo spessore della parete del tubo è stato ridotto da 0,6 mm a 0,3 mm. Durante la circolazione del liquido antigelo, si è rapidamente corroso e perforato, causando la perdita dell'intero collettore e rendendolo inutilizzabile.

L'ente di collaudo del settore ha sottolineato che, per un nucleo assorbente di un collettore solare a pannello piano qualificato, dopo aver superato un test di nebbia salina neutra di 1000 ore e 200 cicli di test di shock termico, il rivestimento non deve staccarsi o presentare bolle e l'attenuazione α non deve superare 0,02. Al momento dell'acquisto, gli utenti dovrebbero richiedere al fornitore un rapporto di prova di tipo eseguito da terzi.

V. Tendenze di mercato: Piastre termoassorbenti integrate di tipo estruso e produzione su larga scala

La tradizionale piastra assorbente solare a tubi richiede sia tubi di rame che piastre di alluminio, che presentano rischi di corrosione elettrochimica e implicano molteplici processi di saldatura. Negli ultimi anni, la piastra assorbente termica integrata interamente in alluminio, realizzata tramite estrusione, ha iniziato a guadagnare popolarità. Questa tecnologia permette di creare una piastra assorbente termica solare con molteplici microcanali paralleli attraverso un unico processo di estrusione, utilizzando una macchina per l'estrusione di profili di alluminio. Elimina la resistenza termica di contatto tra la piastra tubolare e l'interfaccia di corrosione, senza la necessità di saldature. I collettori a piastra piana di BTESolar hanno adottato pienamente questo design, raggiungendo un'efficienza di collettore superiore all'82%.

Nel frattempo, con l'aumento dei progetti di collettori solari termici su larga scala (Large Scale Solar Heating Collector), la larghezza richiesta per le piastre assorbenti il ​​calore solare è passata dagli standard di 1 e 2 metri a oltre 3 metri. Si è iniziato ad utilizzare anche piastre assorbenti il ​​calore a doppia faccia di grandi dimensioni (con rivestimenti sul retro per sfruttare la luce riflessa), così come strutture di forma irregolare come triangoli e piastre ondulate, nei campi di collettori su larga scala.

VI. Come selezionare e acquistare le piastre assorbenti solari

Per i produttori di collettori solari, gli ingegneri o gli acquirenti di progetti su larga scala, la procedura consigliata per la selezione delle piastre assorbenti solari è la seguente:

1. Confermare gli scenari di applicazione: Uso domestico standard (composito rame-alluminio, rivestimento in titanio blu); Ambiente industriale ad alta corrosione (unità integrata interamente in alluminio, anodizzata + rivestimento selettivo); Regioni estremamente fredde (sono necessari pannelli assorbenti con design ad emissività più elevata per ridurre la dispersione di calore per irraggiamento notturno).

2. Richiesta di rapporto di prova: Concentrarsi sul rapporto di assorbimento (α), sul rapporto di emissione (ε), sulla durata del test in nebbia salina neutra e sul numero di cicli di shock termico.

3. Verificare la qualità della saldatura: la piastra termoisolante tubolare deve superare il test di resistenza alla pelatura (la forza di pelatura nel punto di saldatura deve essere ≥ 100 N/25 mm).

4. Marchio e garanzia: un fornitore affidabile dovrebbe offrire una garanzia sulle prestazioni del rivestimento di almeno 10 anni (decadimento α ≤ 0,03).

VII. Conclusione

Sebbene la piastra assorbente solare sia piccola, è determinante per il successo o il fallimento del sistema.

La piastra assorbente solare è il componente con la maggiore percentuale di valore (circa 15-25%) in un collettore solare piano, ma è anche quello che ha il maggiore impatto sulle prestazioni del sistema. Una piastra assorbente solare di alta qualità può consentire al collettore di operare stabilmente nella zona di alta efficienza per oltre 20 anni; mentre una piastra assorbente di scarsa qualità può trasformare l'intero progetto di riscaldamento solare in un mero elemento decorativo. Con i crescenti requisiti di qualità per l'utilizzo dell'energia solare termica nell'ambito degli sforzi globali per la riduzione delle emissioni di carbonio, la standardizzazione e la tracciabilità del nucleo della piastra assorbente dei collettori solari piani diventeranno una tendenza inevitabile.