Confronto tra lo Specchio Lineare ed i collettori solari termici standard

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1 Confronto tra lo Specchio Lineare ed i collettori solari termici standard Isomorph srl Luglio Introduzione In questa nota si descrive il confronto tra un collettore tradizionale piano, un tubo collettore sotto vuoto e lo Specchio Lineare. Il confronto è stato effettuato determinando per ognuno di questi apparati la potenza fornita per ogni metro quadrato (m 2 ) di superficie. Nello sviluppo di questo lavoro, ci si è accorti anche di un problema che almeno a nostra conoscenza non è stato mai discusso esplicitamente in letteratura, e che perciò è probabilmente ignoto al pubblico. Il problema ha due aspetti: 1) Le procedure standard di test per i collettori solari (per esempio EN129) non richiedono che la potenza sviluppata dai collettori venga misurata anche in presenza di vento. Di conseguenza, almeno per quanto si può capire, la potenza prodotta da questi sistemi è sempre misurata in assenza di vento. 2) La perdita di calore da qualsiasi superficie dipenderà sempre dalla velocità dell aria circostante, per quanto riguarda i processi di conduzione e convezione (non per l irraggiamento, naturalmente). Quindi, un collettore solare che abbia delle performance ragionevoli in condizioni di test (perdendo per esempio solo il 30% dell energia assorbita) può in realtà fornire molta meno energia, una volta che sia stato montato su di un tetto dove è presente del vento (la perdita di calore può anche triplicarsi in presenza di vento, ed in questo caso il 30% diventa 90%). Nel caso dello Specchio Lineare, questo problema è grandemente ridotto. Per i collettori solari tradizionali la superficie che raccoglie la luce solare è pari alla superficie che viene riscaldata, e che poi perde energia nell ambiente. Nello Specchio Lineare invece, la superficie riscaldata (quella dello scambiatore di calore) è molto più piccola della superficie che raccoglie la luce solare (in questo caso gli specchi). La differenza tra la potenza che viene data come valore di riferimento da un collettore solare tradizionale, e quella che viene effettivamente fornita cresce, al crescere della temperature di lavoro dell apparato. Se il collettore viene utilizzato soltanto per scaldare un pò di acqua ad uso domestico, le sue performance saranno a livello di quanto atteso. Se invece il suo utilizzo è finalizzato al riscaldamento di acqua al di sopra degli 80 ºC che sono necessari per conservare in modo efficiente energia di calore in un boiler non si comporterà come ci si aspetta. L informazione a livello quantitativo disponibile sui siti pubblici relativamente a questo problema è molto poca: in questo articolo diamo solo una prima stima di questi effetti, nell ambito di un confronto tra i collettori solari tradizionali e lo Specchio Lineare. 1

2 2. Performance dello Specchio Lineare La figura 1 mostra la potenza termica fornita dallo Specchio Lineare durante un certo numero di giorni consecutivi. Si può osservare che lo Specchio Lineare fornisce fino a 38 kwh di energia di calore al giorno. 6 Power 5 4 power / kw time Figure 1: Energia di calore fornita da uno Specchio Lineare durante più giorni consecutivi. La temperatura media dello scambiatore di calore durante queste misure andava da 65 ºC a 70 ºC con temperature dell aria esterna tipicamente di 28 ºC, con una differenza di quindi circa 40 ºC. Figura 2 mostra la perdita di calore misurata in funzione della temperature dello scambiatore di calore. Anche in questo caso la temperatura esterna era di 28 ºC. La perdita di calore veniva misurata facendo circolare acqua calda attraverso lo scambiatore di calore e misurando la differenza di temperatura all entrata e all uscita. Come indicato nelle procedure standard Europee di certificazione, si è eseguita questa misura in condizioni di vento debole. 400 heat loss heat loss / W oven temperature / degree Celsius Figure 2: Perdita di calore dello scambiatore di calore dello Specchio Lineare in funzione della temperature dello scambiatore di calore. La temperatura esterna dell aria era pari a 28 ºC. 2

3 Dalla figura 2 è possibile calcolare la perdita di potenza dello Specchio Lineare per diverse differenze di temperatura. Per esempio, in corrispondenza di una temperatura esterna di 0 ºC e di una temperatura dello scambiatore di calore di 80 ºC, la perdita totale di energia sarebbe di 450 W mentre era di soli 200 W per le condizioni presenti durante la misura mostrata in figura 1. Quindi, integrando su un periodo di otto ore, lo scambiatore di calore dissiperebbe kwh = 2 kwh di energia in più. Quindi, fornirebbe solo 36 kwh di energia. Lo Specchio Lineare ha una superficie riflettente di 7.7 m 2. Quindi, per ciascun m 2 della sua superficie, fornisce 38 kwh/7.7 = 4.9 kwh (4.6 kwh) per un differenza di temperatura di 40 ºC (80 ºC) tra la temperatura dell aria e quella dello scambiatore di calore. 3. Collettori solari tradizionali Nella figura 3 viene mostrata la performance di un tipico collettore piatto e quella di un tubo sotto vuoto (da wikipedia, Il collettore piatto è del tipo: ThermoDynamics S42-P, caratterizzato da una superficie di 2.8 m 2. Il tubo collettore sotto vuoto è un modello SunMaxx 20EVT, che copre una superficie di 3.1 m 2. Figure 3: Potenza termica prodotta da collettori solari tradizionali (figura tratta da Wikipedia) 3

4 4. Confronto Si riassume qui un confronto tra i valori di potenza sviluppata dallo Specchio Lineare (tratti dalla Sezione 2) e quelli ricavati dagli apparati tradizionali (tratti dalla figura 3) per tre diverse differenze di temperatura: 0 ºC, 40 ºC and 80 ºC, come mostrato in tabella 1. Collettore piatto 4.3 kwh 2.2 kwh 0.7 kwh Tubo sotto vuoto 2.9 kwh 2.4 kwh 1.7 kwh Specchio Lineare 5.1 kwh 4.9 kwh 4.6 kwh Table 1: Energia raccolta per giorno, per tre diversi valori di differenza di (0 ºC, 40 ºC and 80 ºC) per m 2 di superficie del collettore. Per il collettore piatto ed il tubo sotto vuoto, la superficie del collettore è pari all area che la struttura occupa sul tetto. Per lo Specchio Lineare, l area del collettore è pari all area della superficie riflettente. Quando non c è differenza di temperatura tra il sistema collettore e l ambiente esterno, allora non ci sono perdite di calore. Anche in questo caso, la tabella 1 mostra che lo Specchio Lineare, raccoglie una energia durante il giorno, che è del 19% più alta dell energia raccolta da un collettore piatto alla differenza di temperatura di 0 ºC. La ragione di questo fatto è che lo Specchio Lineare segue il sole nell angolo di zenith, ed in piccola parte anche nell angolo azimutale. Quindi, la sua superficie proiettata è per la maggior parte del tempo maggiore di quella di una superficie uguale, ma tenuta in una posizione fissa. Il tubo collettore sotto vuoto ha una raccolta di energia per m 2 di superficie coperta che è inferiore a quella di un collettore piatto (67%), perchè solo parte di questa superficie coperta è utilizzata per la raccolta di energia. Dalla tabella 1 si vede che, anche per differenze di temperatura moderate (40º), lo Specchio Lineare produce per ogni m 2 di superficie, più di due volte l energia prodotta da sistemi convenzionali. Per differenze di temperatura più elevate, la performance dello Specchio Lineare è migliore per un fattore 2.7 rispetto a quella di un tubo collettore sotto vuoto, e di un fattore 6.6, rispetto ad un collettore piatto. I collettori forniscono meno energia più alta è la differenza di temperatura, perchè la loro perdita di energia nell ambiente, cresce con la temperatura. La tabella 2 mostra le perdite di calore dei vari sistemi. Collettore piatto 0 kwh 2.1 kwh 3.6 kwh Tubo sotto vuoto 0 kwh 0.5 kwh 1.2 kwh Specchio Lineare 0 kwh 0.2 kwh 0.5 kwh Tabella 2: Energia totale persa per m Effetto del vento sulla performance Come si può notare dalla figura 3, un tubo collettore sotto vuoto perde molta energia ad alte temperature. Per quanto riguarda le perdite di energia per conduzione e convezione, queste 4

5 aumenteranno con la velocità del vento. La perdita di energia dovuta ad irraggiamento non aumenterà con il vento, e può essere calcolata con precisione: ogni m 2 di una superficie alla temperatura di 40 ºC (80 ºC) immersa in un ambiente a 0 ºC, irraggia 215 W (567 W) di potenza elettromagnetica, se è perfettamente nero. Una superficie rivestita in modo selettivo, con un fattore di emissione pari a 0.1 come viene utilizzata nei collettori solari ridurrà questo valore a 21 W (57 W). Questo porta ad una perdita di energia pari a 0.17 kwh (0.46 kwh) per giorno e m 2. Per il collettore piatto, questi valori possono essere direttamente confrontati con le perdite di energia in tabella 2. Per il tubo collettore sotto vuoto si deve considerare che solo il 67% della superficie rivestita irraggia, e ha quindi un valore minore di calore irraggiato per m 2 di area rivestita pari a 0.17 kwh 0.67 = 0.11 kwh (0.31 kwh). Per lo Specchio Lineare, si devono considerare due punti: primo, lo scambiatore di calore ha un area di soli 0.54 m 2, e questa è l area che irraggia. La perdita di energia è quindi di 0.09 kwh (0.25) kwh per tutto l apparato. Tuttavia, l area sulla quale l energia raccolta è pari a 7.7 m 2. Cosi che lo perdita di energia per radiazione per m 2 è di 0.01 kwh (0.03 kwh). Si sottragga la perdita di calore per irraggiamento dalla perdita totale indicata in tabella 2. La perdita di calore che rimane da conduzione e convezione è mostrata in tabella 3. Di nuovo, l energia totale ottenuta (tabella 1) è mostrata per confronto. Collettore piatto 4.3 kwh 2.2 kwh 0.7 kwh Tubo sotto vuoto 2.9 kwh 2.4 kwh 1.7 kwh Specchio Lineare 5.1 kwh 4.9 kwh 4.6 kwh Collettore piatto 0 kwh 1.9 kwh 3.1 kwh Tubo a vuoto 0 kwh 0.4 kwh 0.9 kwh Specchio Lineare 0 kwh 0.2 kwh 0.5 kwh Table 3: Sotto: calore perso a causa dei soli fenomeni di conduzione e convezione (senza irraggiamento) per giorno e m 2 di apparato. Sopra: l energia fornita dagli apparati per confronto (come in tabella 1). Dalla tabella 3 si vede che, per gli apparati tradizionali, l energia prodotta non è molto maggiore dell energia persa per conduzione e convenzione. Per esempio. il collettore piatto, per una differenza di temperatura di 40 ºC perde 1.9 kwh, mentre l energia totale prodotta è 2.2 kwh. Se la perdita per conduzione e convezione raddoppia a causa della presenza del vento, rimangono solo 2.2 kwh- 1.9 kwh = 0.3 kwh di energia prodotta. Ad 80 ºC invece, non viene più prodotta energia energy is produced anymore by the flat plate collector. Se l energia persa a causa del vento triplica, allora nemmeno il tubo collettore sotto vuoto sarà capace di fornire energia a 80 ºC. Lo Specchio Lineare invece produrrà ancora 4.6 kwh 1 kwh = 3.6 kwh di energia. E difficile trovare uno studio comprensivo dell effetto del vento sulle performance dei collettori solari tradizionali, in siti pubblici come Internet o Wikipedia. Qualche informazione parziale può essere reperita in: e nella tesi 5

6 di C. Newton in In questo lavoro si può vedere che, per esempio, un aumento nella velocità del vento da 1m/s a 8 m/s aumenta le perdite del sistema solare termico discusso di un fattore tre. Per quanto ne sappiamo, l effetto del vento sulla performance dei collettori solari, non è tenuto in considerazione nelle procedure europee di test per i collettori solari (EN12975). Almeno, sembra che tali test siano eseguiti in assenza di vento, o con vento molto debole (si veda per esempio: Ci si deve dunque attendere che un collettore solare tradizionale, montato sul tetto di una casa, dove è pienamente esposto al vento, sviluppi una potenza inferiore rispetto a quella prevista dalle certificazioni europee standard. Questo potrebbe spiegare il fatto che spesso i consumatori trovano che le performance dei loro collettori sono peggiori di quelle indicate dai produttori. Questo problema è ridotto nel caso dello Specchio Lineare, visto che la sua perdita di energia è piuttosto piccola anche ad alte temperature. I 4.6 kwh di energia fornita da ciascun metro quadrato (tabella 1), in presenza di un vento di velocità pari a 8 m/s, si ridurrebbe a 3.6 kwh. In tal modo, l energia in uscita (per metro quadrato) dallo Specchio Lineare, sarebbe pari a 3.6 kwh/0.5 kwh = 7.2 volte l energia fornita da un tubo collettore sotto vuoto. 6. Conclusioni In condizioni di misura standard, la potenza dei collettori solari viene misurata in assenza di vento. In queste condizioni, lo Specchio Lineare produrrebbe da due a sette volte più energia di un collettore solare tradizionale. Tuttavia, spesso i collettori solari sono montati su tetti, e quindi esposti al vento. Il vento diminuisce drasticamente la perdita di calore di un collettore piatto o di un tubo collettore sotto vuoto. Lo Specchio Lineare è molto meno sensibile a questo effetto, grazie alle piccolo dimensioni del suo scambiatore di calore, e continuerà a produrre energia utile anche in condizioni in cui i sistemi tradizionali smettono di funzionare. Lo Specchio Lineare non rappresenta solo un grande miglioramento quantitativo rispetto aiprodotti esistenti, ma è anche un salto di qualità, che apre nuovi campi di applicazione per l energia solare. 6