Gli FPC (collettori piani) sono il cuore di qualsiasi sistema di raccolta dell'energia solare progettato per funzionare nel range di basse temperature (meno di 60°C) o di media temperatura (meno di 100°C).
Panoramica
Viene utilizzato per assorbire l'energia solare, convertirla in calore e quindi trasferire tale calore in un flusso di liquidi o gas. Utilizzano la radiazione solare sia diretta che diffusa, non richiedono l'inseguimento del sole e richiedono poca manutenzione. Sono meccanicamente più semplici dei collettori a concentrazione. Le principali applicazioni di queste unità riguardano il riscaldamento solare dell'acqua, il riscaldamento degli edifici, il condizionamento dell'aria e il calore dei processi industriali. Un FPC è generalmente costituito dai seguenti componenti:
componenti
- La vetratura è costituita da una o più lastre di vetro o altro materiale che trasmette le radiazioni.
- Tubi, alette o passaggi per condurre o dirigere l'HTF dall'ingresso all'uscita.
- Le piastre assorbenti sono piastre piatte, ondulate o scanalate, alle quali sono fissati tubi, alette o passaggi. La piastra può essere solidale ai tubi.
- Intestazioni o collettori per ammettere e scaricare l'HTF.
- Isolamento per ridurre al minimo la perdita di calore dal retro e dai lati del collettore.
- Contenitore o involucro per racchiudere gli altri componenti e proteggerli da polvere o umidità. Gli FPC sono stati costruiti in un'ampia varietà di design e con molti materiali diversi (Fig. sotto). Il loro scopo principale è quello di raccogliere quanta più energia solare possibile al minor costo totale possibile.
Il collettore dovrebbe inoltre avere una lunga vita utile, nonostante: gli effetti negativi delle radiazioni ultraviolette del sole; corrosione o intasamento a causa dell'acidità, dell'alcalinità o della durezza dell'HTF; congelamento o legame dell'aria nel caso dell'acqua, o deposito di polvere o umidità nel caso dell'aria.
Tipi
Il vetro è stato ampiamente utilizzato per smaltare gli FPC perché può trasmettere fino al 90% della radiazione solare a onde corte in entrata mentre trasmette molto poco della radiazione a onde lunghe emessa verso l'esterno dalla piastra assorbente. Il vetro a basso contenuto di ferro ha una trasmittanza relativamente elevata per la radiazione solare (0,85–0,90 a incidenza normale).
Anche i film e i fogli di plastica hanno un'elevata trasmittanza a onde corte, ma poiché la maggior parte delle varietà utilizzabili hanno anche bande di trasmissione al centro dello spettro della radiazione termica, la loro trasmittanza a onde lunghe può arrivare fino a 0,40.
Il vetro generalmente utilizzato nei collettori solari può essere di resistenza singola (2,2–2,5 mm) o doppia resistenza (2,92–3,38 mm). Per la radiazione diretta, la trasmittanza varia notevolmente con l'angolo di incidenza θ, come mostrato nella tabella seguente.
Angolo incidente di trasmittanza e assorbimento
Variazione con l'angolo incidente di trasmittanza e assorbimento
| Angolo incidente θ (°) | Trasmittanza τ | Assorbimento α (per vernice Flat-Black) | |
| Vetri singoli | Doppi vetri | ||
| 0 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 10 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 20 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 30 | 0.87 | 0.76 | 0.95 |
| 40 | 0.86 | 0.75 | 0.94 |
| 50 | 0.84 | 0.73 | 0.92 |
| 60 | 0.79 | 0.67 | 0.88 |
| 70 | 0.68 | 0.53 | 0.82 |
| 80 | 0.42 | 0.25 | 0.67 |
| 90 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
Il rivestimento antiriflesso e la struttura della superficie possono migliorare significativamente la trasmissione. La piastra assorbente assorbe quanta più radiazione possibile attraverso il vetro, disperdendo la minor quantità di calore possibile verso l'atmosfera e verso il basso attraverso la parte posteriore dell'involucro.
La piastra assorbente trasferisce il calore trattenuto al fluido di trasporto. L'assorbimento della superficie del collettore per la radiazione solare ad onde corte dipende dalla natura e dal colore del rivestimento e dall'angolo di incidenza, come mostrato nella tabella per una tipica vernice nera opaca.
Mediante opportuni trattamenti elettrolitici o chimici si possono ottenere superfici selettive con elevati valori di assorbimento della radiazione solare α e bassi valori di emittanza delle onde lunghe ε. Le superfici selettive sono particolarmente importanti quando la temperatura della superficie del collettore è molto più elevata della temperatura dell'aria ambiente.
I materiali più frequentemente utilizzati per le piastre assorbenti sono rame, alluminio e acciaio inossidabile. Le estrusioni di plastica resistenti ai raggi UV vengono utilizzate per applicazioni a bassa temperatura. Per tutti i metalli è necessario considerare potenziali problemi di corrosione.
I materiali più utilizzati per l'isolamento sono lana minerale, lana di vetro e schiuma di vetro. La schiuma di poliuretano viene utilizzata per applicazioni a bassa temperatura e lo polistirolo viene utilizzato molto raramente. Le principali proprietà dei materiali isolanti sono riassunte nella tabella seguente.
Materiali isolanti
Principali proprietà dei materiali isolanti
No. | Materiale | Temperatura accettata (°C) | Densità (kg/mq3) | Conducibilità termica (W/(m K)) |
1 | Lana minerale | >200 | 60–200 | 0.040 |
2 | Lana di vetro | >200 | 30–100 | 0.040 |
3 | Vetro in schiuma | >200 | 130–150 | 0.048 |
4 | Schiuma poliuretanica | 30–80 | 0.030 | |
5 | Polistirolo | 30–50 | 0.034 |
L'FPC è solitamente fissato in modo permanente in posizione e non richiede il tracciamento del Sole. I collettori dovrebbero essere orientati direttamente verso l'equatore, rivolti a sud nell'emisfero settentrionale e a nord in quello meridionale. L'angolo di inclinazione ottimale del collettore è pari alla latitudine del luogo con variazioni angolari di 10–15°C, più o meno a seconda dell'applicazione.
Collettore d'aria solare
I collettori solari ad aria hanno principi di funzionamento simili agli FPC (Fig. sotto).
La differenza è che invece del fluido liquido, un elettroventilatore pompa l'aria attraverso il collettore. I componenti principali sono: piastra assorbente (1), copertura in vetro (2), isolamento (3), involucro (4) e ventola di scarico (5).
Questo tipo di collettore non è molto comune in Europa (copre solo l'1–2% del mercato dei collettori solari liquidi). I motivi potrebbero essere da un lato la mancanza di esperienza e di conoscenza degli utenti finali e, dall'altro, questo tipo di collettore non può essere utilizzato direttamente per la produzione di acqua calda, che oggi domina il mercato.
Bilancio energetico
Nella Fig. sotto è illustrato il bilancio energetico di un FPC standard. Della radiazione solare totale IT incidente sulla copertura in vetro, una parte (τ · IT) determinata di trasmittanza τ raggiunge la piastra assorbente dove si trasforma in calore.
La copertura in vetro riflette la radiazione spaziale (ρ · IT) e assorbe la radiazione (α · IT), dove ρ e α sono rispettivamente la riflettanza e l'assorbanza della copertura in vetro. Una parte della radiazione (τ · IT) incidente sulla piastra assorbente viene riflessa e la maggior parte di questa radiazione viene trasformata in calore. La somma dei coefficienti τ, ρ e α è
