Theoretical and experimental study of solar thermal collector systems and components

I collettori solari termici maggiormente impiegati per convertire la radiazione solare in calore sono i collettori a tipologia piana e a tubi evacuati. Nelle applicazioni convenzionali essi vengono utilizzati per la produzione di acqua calda sanitaria o riscaldamento domestico in combinazione con sistemi a bassa temperatura. Prove d’efficienza termica ed ottimizzazione di questi dispositivi solari sono affrontati e discussi in questa tesi. Nuove prove sperimentali in varie condizioni sono state effettuate su collettori piani vetrati e a tubi evacuati per effettuare una nuova analisi comparativa. L’efficienza è stata misurata secondo le indicazioni della normativa europea EN 12975 ed inoltre si sono ricavate curve input-output e di efficienza media giornaliera. Questo approccio permette un confronto più ampio delle prestazioni effettive dei collettori solari considerati. Uno strumento di simulazione delle prestazioni dei collettori a geometria piana è anche proposto. Il modello numerico permette di ottenere un “collettore virtuale” e fornisce informazioni sulle prestazioni di un collettore senza costruirne un prototipo funzionale. Il modello tridimensionale stima le prestazioni di un collettore a geometria piana in condizioni stazionarie ed è stato validato confrontando le prestazioni stimate con i risultati sperimentali ottenuti su due collettori diversi. Misure di temperatura della piastra assorbente, della copertura vetrata, dei tubi dell’arpa ed analisi all’infrarosso sono stati utilizzati per investigare le dispersioni termiche e le caratteristiche ottiche della geometria considerata. Il modello è inoltre stato usato per analizzare gli effetti di alcune scelte progettuali riguardanti la geometria e i materiali dei componenti del collettore. I collettori solari a tubi evacuati sono in linea di principio più costosi dei collettori piani e sono idonei ad applicazioni a più alta temperatura (sistemi di riscaldamento, macchine ad assorbimento..). La loro geometria rende più difficile la caratterizzazione completa delle prestazioni del collettore. Una nuova procedura per caratterizzare questo tipo di collettori è stata sviluppata ed è qui descritta. Sono state eseguite prove sperimentali su un collettore a tubi evacuati, con tubi ad U, con assorbitore cilindrico, con e senza riflettori CPC (compound parabolic concentrator) esterni. I risultati sperimentali sono stati utilizzati per validare la nuova procedura e per fornire indicazioni sull’incremento dell’efficienza dovuto all’impiego dei riflettori CPC.