Struttura e principio di funzionamento di un collettore solare (heat-pipe)
Struttura del collettore:
Il collettore solare è composto da tubi sottovuoto realizzati in vetro borosilicato. Durante la produzione è stata utilizzata una miscela appropriata di ossidi di SiO2 e B2O3, ottenendo un prodotto con una buona resistenza chimica e una straordinaria purezza e omogeneità. Il vetro borosilicato è ecologico e può essere riciclato più volte. È stato inoltre applicato il processo di ricottura termica, ovvero la tempra. In combinazione con la bassa espansione termica tipica del vetro borosilicato, si ottiene una resistenza particolarmente elevata agli sbalzi di temperatura rispetto al vetro comune. I tubi sono resistenti alla grandine fino a una dimensione di 25 mm. L'uso di tubi con un diametro di 47 mm e 58 mm consente il posizionamento concentrico di uno all'interno dell'altro. L'aria tra i tubi viene pompata fuori e i tubi vengono saldati insieme. Il vuoto presente tra i due strati di vetro è un eccellente isolante e previene le perdite termiche. Attraverso un processo di tripla metallizzazione magnetronica viene applicato l'assorbitore (un composto che assorbe i raggi solari e li trasforma in energia termica). Il nuovo speciale strato di assorbimento ALN/AIN-SS/CU con aggiunta di rame rappresenta la nuova generazione di rivestimenti assorbenti. Il successore dello strato AL/N/AL si caratterizza per una maggiore efficienza (fino al 12%) e per eccellenti proprietà di assorbimento della radiazione solare diretta e diffusa. Ulteriori strati di assorbitore hanno il compito di trattenere quanta più energia possibile all'interno dei tubi e prevenire la perdita di calore tramite radiazione infrarossa. L'interno del tubo sottovuoto può riscaldarsi fino a 300°C. All'interno dei tubi sottovuoto viene installato il cosiddetto "tubo di calore" (heat pipe). I radiatori in alluminio situati all'interno dei tubi sottovuoto supportano il trasferimento di energia ai tubi di calore in rame. Seguendo il principio secondo cui la temperatura di ebollizione si abbassa al diminuire della pressione, nel caso del "heat pipe" si è proceduto ad abbassare la pressione interna tramite l'aspirazione dell'aria. Il liquido all'interno dello scambiatore "heat pipe" bolle così già a una temperatura di 25°C. Il rame utilizzato per la produzione del heat pipe è privo di ossigeno, il che garantisce una lunga e affidabile durata di esercizio.
L'elevata efficienza del collettore deriva dalla capacità di assorbire la radiazione solare diffusa (ad es. nei giorni nuvolosi) e di limitare al massimo le perdite di calore. L'energia viene ottenuta non solo dai raggi solari diretti, ma anche dalla luce riflessa. La magistrale di raccolta (collettore) del pannello è realizzata con un tubo di rame. Al suo interno sono installate boccole di rame nelle quali si inserisce il condensatore del tubo di calore. Per ottenere un migliore contatto tra le superficie di rame e, di conseguenza, un trasferimento di calore più efficiente, si applica pasta termoconduttiva per alte temperature sui punti di contatto. La magistrale di raccolta del collettore è isolata termicamente con lana minerale. Sebbene abbia proprietà isolanti leggermente inferiori rispetto alla schiuma poliuretanica, in questo caso rappresenta la soluzione migliore. La lana minerale non si ossida ed è più resistente alle alte temperature che possono verificarsi, ad esempio, in caso di arresto della circolazione del fluido nell'impianto. Nella magistrale di raccolta è presente anche un alloggiamento per il montaggio di un sensore di temperatura. L'involucro della magistrale di raccolta del collettore e il suo telaio (staffa) sono realizzati in alluminio. L'uso di metalli leggeri è di notevole importanza per il montaggio dei collettori sui tetti degli edifici.
Principio di funzionamento:
L'energia dei raggi solari riscalda l'interno dei tubi sottovuoto. Attraverso i radiatori in alluminio, il calore dall'interno del tubo viene trasferito ai "tubi di calore". Dopo solo un momento, alla temperatura di 25°C, il liquido nel "heat pipe" inizia a evaporare. Il vapore sale rapidamente verso l'alto nella testa dello scambiatore (condensatore) dove, tramite la magistrale di raccolta del collettore, cede calore e si condensa nuovamente. Scorre quindi di nuovo verso il fondo del "heat pipe" per ripetere l'intero processo. Il fluido termovettore (ad es. glicole) che scorre attraverso il collettore non ha alcun contatto con i tubi sottovuoto né con l'assorbitore in essi applicato, ma assorbe unicamente il calore dal condensatore del "tubo di calore". Il collegamento dei "tubi di calore" con lo scambiatore di calore (in cui scorre il glicole) è di tipo "a secco".
L'impianto più semplice ed economico è l'installazione a gravità (termosifone). Il fluido riscaldato nel collettore sale verso la parte superiore del serbatoio di accumulo senza l'uso di una pompa di circolazione; successivamente, dopo aver ceduto calore nel serbatoio, il fluido raffreddato ritorna al collettore. In una configurazione del genere è necessario posizionare il serbatoio al di sopra dei collettori. In pratica, ciò richiede il posizionamento dei collettori su staffe a terra e del serbatoio a un piano superiore all'interno dell'edificio.
La seconda soluzione utilizzata è l'installazione a circolazione forzata. Non presenta gli svantaggi dell'impianto a gravità, ma richiede l'uso di una pompa e di un sistema di controllo automatico. In genere, in tale circuito vengono utilizzati serbatoi dotati di due serpentine (serbatoi bivalenti). Essi consentono la cooperazione con due fonti di calore. All'impianto solare è collegata la serpentina inferiore, mentre alla parte superiore è collegata la caldaia di riscaldamento. Quando si verificano condizioni favorevoli (la temperatura del fluido nel collettore è superiore da 5 a 8 gradi Celsius rispetto alla temperatura dell'acqua nel serbatoio), si attiva automaticamente la pompa di circolazione che spinge il fluido riscaldato dal collettore alla serpentina nel serbatoio.
In caso di danneggiamento di un tubo sottovuoto, l'intero sistema continua a funzionare. Diminuisce unicamente l'efficienza dell'impianto. Nei tubi sottovuoto non ci sono liquidi, il che significa che in qualsiasi momento è possibile smontare un tubo senza la necessità di svuotare l'impianto.
Per un collegamento rapido e semplice del collettore al serbatoio di accumulo, si consiglia l'uso di tubi binari preisolati con schiuma di gomma sintetica ad aumentata resistenza termica. I tubi sono realizzati in acciaio inossidabile o rame cotto. La loro flessibilità fa sì che tra il collettore e il serbatoio non sia necessario utilizzare raccordi o raccordi aggiuntivi. Sono inoltre dotati di un cavo di controllo integrato (per il sensore di temperatura nel collettore). Oltre a mantenere i massimi parametri tecnici per ridurre al minimo le perdite di energia, questo sistema riduce notevolmente i tempi di montaggio dell'impianto e ne aumenta l'affidabilità.
Vantaggi:
- Maggiore efficienza del collettore sottovuoto con sistema heat-pipe (funzionamento tutto l'anno).
- Possibilità di scegliere diverse dimensioni di collettore per varie capacità di serbatoio.
- Il danneggiamento di un tubo sottovuoto con heat pipe non causa lo spegnimento dell'intero sistema, ma riduce solo l'efficienza del collettore.
- Minore probabilità di intasamento del collettore rispetto ai collettori piani o a quelli basati su tubi a "U".
- Possibilità di accoppiamento con l'impianto di riscaldamento centralizzato per ridurre le spese energetiche.