Descrizione collettori solari a concentrazione. 2 di 6

Ultimo aggiornamento Sabato 17 Marzo 2012 18:25 Scritto da Administrator Sabato 17 Marzo 2012 17:15

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Nel caso il collettore solare sia stato progettato solamente per portare ad una certa temperatura il ricevitore, senza quindi asportazione intenzionale di calore, o meglio senza sfruttamento energetico seguente, il termine P utile è nullo.

 

P ottiche sono le perdite dovute ai seguenti fattori di cui si tiene conto attraverso l’espressione :

 

P ottiche = A (1 - S ) DNI

 

  • S – Spillage – è il fattore di intercettazione, inteso come frazione di energia specularmente riflessa che viene intercettata dalla superficie del ricevitore, conseguenza della geometria del riflettore e del ricevitore, degli errori di montaggio, di movimenti reciproci fra le varie parti del collettore (dilatazioni, ingobbamenti, vento, etc.). Può essere compreso nel coefficiente di Spillage anche la riduzione di energia per errori del sistema di inseguimento solare

  •  è la riflettanza del concentratore, dovuta al tipo di materiale (specchio su vetro, su metallo, etc.) alla sua lavorazione ed alle imperfezioni superficiali, nonché al suo grado di pulizia

  •  è la trasmittanza (nel campo delle lunghezze d’onda relative allo spettro solare) dell’eventuale sistema di copertura in vetro del ricevitore, se presente, come nei casi in cui si sfrutti l’effetto serra o si voglia fare il vuoto attorno ad esso.

  •  è l’assorbanza (nel campo delle lunghezze d’onda solari) della superficie del ricevitore. E’ da tenere in conto la sua variabilità, oltre che con la lunghezza d’onda, con l’angolo di incidenza fra radiazione e superficie.  

P irraggiamento è la potenza perduta per irraggiamento del ricevitore a seguito della sua temperatura di esercizio T. E’ funzione della superficie Ar e del coefficiente di emissività () relativo alle lunghezze d’onda dell’energia irraggiata alla temperatura T.

 

P irraggiamento = Ar T4

 

P conv / conduz è la potenza termica perduta per conduzione attraverso le tubazioni, e collegamenti vari e quella perduta per convezione naturale da parte delle superfici a contatto con l’aria ambiente. E’ di importanza notevolmente diversa fra il caso di ricevitore nudo e di ricevitore ricoperto da vetro sotto il quale sia stato fatto il vuoto. Complessivamente tutte queste perdite termiche si considerano con un unico coefficiente (h) funzione della geometria, della ventosità, etc.

 

P conv / conduz = Ar h (T – Ta)

 

 

Complessivamente il bilancio termico è espresso da una funzione dove, per una fissata condizione meteo (DNI), la temperatura di regime ed il rapporto di concentrazione sono biunivocamente legate. :

 

A DNI = A th DNI + A (1 - S ) DNI + (A/C) T4 + (A/C) h (T – Ta)

 

Eliminando il termine comune A, si ha la seguente espressione, facilmente risolvibile per via grafica:

 

DNI =  th DNI + (1 - S ) DNI + (1/C) T4 + (1/C) h (T – Ta)

 

Qualora l’inseguimento solare non sia effettuato su due assi, cioè si fosse in presenza di un angolo di incidenza (i) fra raggio solare e normale alla superficie di troncamento del collettore, come nel caso dei collettori parabolici lineari, o dei collettori piani fissi, occorre modificare I seguenti fattori:

 

  • L’energia in ingresso DNI sarà sostituita da DNI cos i ombr M tenendo conto oltre che della riduzione con la legge del coseno, anche di eventuali effetti di ombreggiatura (se presenti più collettori) ed eventuali riduzioni energetiche di estremità (ricevitori lineari che alla loro estremità non sono colpiti dai raggi riflessi).

  • Il termine S andrà ulteriormente moltiplicato per il cosiddetto IAM (Incidence Angle Modifier), valore minore dell’unità (funzione spesso empirica di i, e del tipo di materiale del ricevitore) che tiene conto del fatto che assorbanza e riflettività variano al variare dell’angolo di incidenza (fin’ora altrimenti considerato prossimo a 90°)

 

Fra i suddetti parametri i più difficili da valutare sono da una parte l’assorbanza e l’emittenza (per la loro variabilità con il tipo di superficie, con la distribuzione spettrale dell’energia e con il loro angolo di incidenza), dall’altra il coeffficiente convettivo/conduttivo che spesso è frutto di rilievi sperimentali.

 

Abbozziamo comunque un bilancio termico di massima, per un collettore a concentrazione, a doppio inseguimento, di apertura A, di rapporto di concentrazione C (e quindi Ar = A/C), assumendo orientativamente per i seguenti coefficienti un campo di variazione come sotto riportato:

 

GHI (radiazione globale orizzontale) = 903 W/m2 (tipico max irraggiamento nelle ore centrali estive con cielo sereno di un sito italiano meridionale

 

DNI = 818 W/m2 (con ipotesi di altezza solare di 76,32° ed un quota di irraggiamento diffuso di circa 12%)

La potenza in ingresso sarà considerata uguale al DNI, tal quale, senza riduzioni per effetto del coseno dell’angolo di incidenza, avendo supposto il caso di un inseguimento solare su due assi, ed avendo ovviamente ipotizzato il bersaglio sul fuoco del paraboloide a 100 metri dal suo vertice.

 

Il bersaglio si ipotizza essere formato da legno, ed il solo effetto utile sia quello di aumento di temperatura, senza utilizzo di energia termica utile.

 

= 0,92 (valore medio per il campo dello spettro solare 0,1 – 3 )

= 0,85 (valore medio per temperature inferiori a circa 300 °C)

S = 0,7 (ipotesi di specchi non ottimali)

 = 1 (ipotizzando un ricevitore esposto all’atmosfera, senza copertura)

th = 0

h = 10 W/m2 K

Ta = 20 °C

 

La risoluzione del bilancio termico per la ricerca della temperatura di regime del bersaglio è svolta graficamente come di seguito riportato, dopo aver imposto un rapporto di concentrazione C = 14.

 

Si evince che la temperatura di equilibrio è di circa 280 °C, sufficiente all’innesco della combustione in materiali lignei.:

L
’avere imposto il rapporto di concentrazione uguale a 14, oltre a restituire una temperatura di 280 °C, per le considerazioni geometriche precedenti, con un fuoco di 100 metri (vedi grafico A4.12.), impone l’uso di un paraboloide di semiampezza di poco meno di 2 metri.

Fig. A4.13 – Soluzione grafica del bilancio termico

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. A4.14 – Andamento qualitativo delle temperature in un collettore solare a concentrazione

 

Con ipotesi più generali, specialmente in presenza di un rendimento termico diverso da zero (utilizzo di energia termica) si hanno gli andamenti qualitativi delle temperature di esercizio normalmente raggiungibili da parte di un concentratore solare dotato di rapporto di concentrazione C, indicate nello schema di fig. A4.14.

Il bilancio termico, pertanto, è responsabile della restituzione del rapporto di concentrazione necessario, e quest’ultimo della dimensione dello specchio per una determinata distanza dell’obiettivo.

 

L’algoritmo da seguire può essere schematizzato come da seguente schema a blocchi:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. A4.15 – Schema di flusso di calcolo

 

Per un corretto bilancio termico occorrerà entrare più dettagliatamente in merito ai valori dei parametri in gioco, valutandone la loro influenza e la loro determinazione in funzione della reale geometria e dei reali materiali impiegati.

 

 

 

CARATTERISTICHE TERMO – OTTICHE DEL COLLETTORE

 

Le perdite ottiche di un collettore sono valutate attraverso i parametri (riflettanza speculare del concentratore), S (fattore di intercettazione), (trasmittanza della eventuale copertura in vetro), (assorbanza del ricevitore per lo spettro solare).

Per valutare anche le perdite termiche del ricevitore andrà infine considerata la sua emittanza (), oltre ovviamente i suoi coefficienti di trasmissione termica per convezione e conduzione.

 

RIFLETTANZA DEL CONCENTRATORE

 

La riflettanza speculare è definita come la frazione di radiazione incidente diretta che viene riflessa con un angolo uguale a quello di incidenza, secondo le leggi dell’ottica geometrica. Essa è funzione della natura della superficie e della sua lavorazione5. Riflettanze elevate si raggiungono mediante deposizione o rivestimento di metalli su substrati metallici (riflettori su superficie frontale) o su substrati di vetro (riflettori su superficie posteriore). Sono possibili anche riflettori costituiti da lastre di alluminio anodizzato o fogli di plastica metallizzata sotto vuoto, come film di poliestere alluminato. I valori della riflettanza speculare vanno normalmente da 0,76 per il mylar alluminato a 0,96 dell’argento elettrodepositato.

I valori di riflettanza dei metalli sono in genere funzione della lunghezza d’onda dell’energia incidente; viene usualmente scelto l’argento in quanto, pur non essendo eccellente per le più basse lunghezze d’onda ( < 0,38 ), presenta valori superiori a qualunque altro metallo nel campo di massima densità energetica spettrale solare (0,5 – 1 ), mantenendosi tale anche oltre il campo dell’infrarosso.

In figura A4.16 e A4.17 è riportato un confronto fra i principali metalli utilizzati nella fabbricazione degli specchi.

 

 

Fig. A4.16

 

Fig. A4.17

 

Da notare come il rame, lavorato specularmene, al di sopra di 0,6 micron si comporti ottimamente dal punto di vista della riflettanza, a dispetto della sua colorazione rossa (indice di bassa riflettanza) nel campo del visibile. Volendo ricavare un valore medio per tutto lo spettro solare occorre calcolare la media pesata dei valori di riflettanza dove i pesi siano le energie radianti solari a pari lunghezza d’onda.

 

Il coefficiente di riflettanza, nei casi migliori (argento, alluminio) teoricamente, come si evince dal grafico, potrebbe raggiungere anche valori di 0,99, nella realtà si considerano valori di circa 0,90, facendo confluire in tale valore anche un fattore riduttivo legato allo grado di lavorazione e pulizia del vetro ed un secondo fattore riduttivo per la piccola quota di energia assorbita dalla lastra di vetro normalmente utilizzata.

Nel caso del rame, sottoposto ad un’ottima lavorazione superficiale senza ricoprimento6, sembra ragionevole adottare, come valore unico per tutto lo spettro, una riflettanza di circa 0,8.

 

Il vetro che costituisce il supporto per le ordinarie superfici specchianti dei collettori solari, è in genere un normale vetro bianco, trasparente, calcico – sodico con spessori uguali o minori al millimetro.

 

Usuali dati chimico fisici sono i seguenti:

 

SiO2 72%

Al2O3 1,3%

CaO 8,2%

MgO 3,5%

Na2O 14,3%

K2O 0,3%

SO3 0,3

FeO3 0 – 0,3%

 

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