CH620757A5 - - Google Patents

Description

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RIVENDICAZIONI

1. Collettore di radiazione solare caratterizzato dal fatto di avere il pannello assorbitore costituito da una lastra ante-rore (2) termo-conduttrice ondulata, collegata posteriormente ad un'altra lastra (3) in modo da formare una fitta serie di canalini nei quali scorre il fluido scambiatore di calore.

2. Collettore di radiazione solare secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le ondulazioni della lastra anteriore del pannello assorbitore di calore hanno una sagomatura tale che quella porzione di radiazione solare che cade su ciascuna ondulazione e che da essa viene successivamente riflessa, venga a cadere per una gran parte sull'ondulazione adiacente.

3. Collettore di radiazione solare secondo le rivendicazioni 1 e 2 caratterizzato dal fatto che la sagomatura delle ondulazioni anzidette è tale per cui la reirradiazione di ciascuna di esse ricade per circa il sessanta per cento sulla superficie della ondulazione adiacente.

4. Collettore di radiazione solare secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la lastra termo-conduttrice ondulata ha il 90% della facciata opposta a quella attiva lambita dal fluido convettore del calore per cui non sussistono zone di essa ad alto livello di temperatura rispetto al fluido.

5. Collettore secondo le rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzato da ciò che ciascuna ondulazione ha sezione trasversale trapezoidale e il vano compreso tra una ondulazione e l'adiacente ha la stessa sezione trapezoidale ma capovolta.

6. Collettore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato da ciò che detta lastra posteriore (3) è piana ed è saldata a quella anteriore.

7. Collettore di energia solare secondo le rivendicazioni da 1 a 6 caratterizzato dal fatto che la lastra trasparente antistante il pannello assorbitore di calore per proteggerlo e per formare «l'effetto serra», è realizzata in leggero materiale plastico anziché in vetro, ed è tale da formare un coperchio unico trasparente sagomato che chiuda una analoga scatola posteriore contenente il pannello e l'isolante termico posteriore.

8. Collettore di energia solare secondo le rivendicazioni da 1 a 7 caratterizzato da ciò che dopo il bocchettone di ingresso (7), del fluido convettore, è disposta una camera (9 fig. 4a) che immette nei canali definiti dalle lastre (2, 3), per attenuare l'energia cinetica del fluido in arrivo.

Nella maggioranza delle realizzazioni industriali di assorbitori piani di energia solare (comunemente chiamati «collettori solari») adibiti a riscaldamento diretto di fluidi, si può notare uno scarso rendimento, sia quando l'angolo di incidenza dei raggi solari è di valore «zero» ossia quando i raggi incidono normalmente alla superficie attiva, sia quando l'angolo di incidenza aumenta e si avvicina al valore di 90°. Anzi, per un valore dell'angolo di incidenza dai 30° in su, il rendi-mendo scende nettamente e rapidamente fino a zero. In altre parole il rendimento degrada, per angoli sempre maggiori, molto più di quanto ci sia da aspettarci dalla applicazione della semplice legge del seno di detto angolo. Ciò vuol dire che la degradazione in più deve essere attribuita esclusivamente a dei motivi tecnici di costruzione del collettore stesso.

Prendendo in considerazione un collettore solare fisso (ossia che non si orienti automaticamente seguendo lo spostamento apparente del sole) la maggiore perdita di efficienza che subisce, specialmente nelle ore mattutine ed in quelle del tardi pomeriggio, è per la maggior parte dei casi da attribuire ai seguenti fattori:

a) riflessione parziale dei raggi solari provocata dalle su-perfici lucide (esterna e interna) della lastra (o delle lastre)

di vetro che solitamente coprono la superficie metallica del pannello assorbitore di calore. Dette lastre vengono applicate ad una certa distanza dal pannello allo scopo di ottenere il cosiddetto effetto «serra».

b) aumento del tragitto nel mezzo solido (vetro) che i raggi solari devono compiere per attraversarne il suo forte spessore, mano a mano che l'angolo di incidenza aumenta di valore.

c) riflessione dispersiva della superficie piana del pannello assorbitore che dipende dal tipo di trattamento e di preparazione impiegati.

d) ombreggiatura provocata dai bordi troppo alti della cornice contenente il pannello assorbitore.

e) irradiazione diretta della superficie del pannello secondo la legge di Boltzman, dipendente dal fatto che essa lavora ad una temperatura superiore a quella dell'ambiente circostante.

Esistono poi altri fattori che mantengono basso il rendimento di un collettore solare, indipendentemente dal valore dell'angolo di incidenza dei raggi solari; il principale che si riscontra nei pannelli di attuale costruzione è quello della enorme distanza fra loro dei canali ricavati nella piastra, o su di essa saldati, che trasportano il fluido di «raffreddamento» della piastra stessa, ossia il fluido che sottrae il calore alla piastra illuminata dal sole e lo scambia con il materiale del serbatoio di accumulazione. Da tale distanza dei canali ne deriva che moltissima superficie del pannello lavora ad una temperatura di molti gradi superiore a quella del liquido assorbitore. Tutta questa superficie irradia una quantità di energia che, distribuita su uno spettro di frequenze molto più basse di quelle dello spettro solare, viene in buona parte dispersa. Tanto più che la reirradiazione di energia avviene in proporzione della quarta potenza del valore della temperatura assoluta posseduta dal corpo caldo. Tale energia «respinta» per irraggiamento dal pannello assorbitore non viene trasferita al fluido da riscaldare.

Il collettore solare oggetto della presente invenzione, risolve gli inconvenienti sopra elencati.

Esso è caratterizzato dal fatto di avere il pannello assorbitore costituito da una lastra anteriore termoconduttrice ondulata, collegata posteriormente ad altra lastra in modo da formare una fitta serie di canalini nei quali scorre il fluido scambiatore di calore.

I disegni allegati rappresentano una preferita forma di realizzazione del collettore secondo l'invenzione, forma non limitativa nè vincolativa.

La fig. 1 illustra in prospettiva l'assieme del collettore, sezionato trasversalmente in modo da mostrare i suoi semplici componenti;

la fig. 2 illustra il tragitto dei raggi solari e le loro riflessioni multiple sulle ondulazioni della lastra assorbente, secondo vari angoli di incidenza dei raggi stessi;

la fig. 3 illustra schematicamente il comportamento della reirradiazione;

le figg. 5 e 6 illustrano il raffronto fra un pannello oggetto del presente trovato (fig. 5) e uno di tipo noto (fig. 6) nei riguardi del gradiente di temperatura.

Con riferimento alla fig. 1, il collettore solare oggetto del presente trovato è costituito principalmente da un pannello assorbitore 1 formato da una lastra 2 sufficientemente conduttrice del calore profondamente e fittamente ondulata, saldata ad altra lastra preferibilmente piana 3 che può essere di maggior spessore e resistenza di quella ondulata e può essere anche non buona conduttrice del calore.

II pannello 1 è disposto entro una cassetta o scatola con-tenitrice 4 realizzata preferibilmente in materiale termoplastico ottenuta per termoformatura sotto vuoto e può essere bloccata in essa solidamente da una schiuma rigida 5 che fa

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anche da isolante termico. Le sue dimensioni più pratiche sono di metri 0,75 X 1,50 o di metri 1X2 che danno i formati di superficie attiva rispettivamente di 1 metro quadrato e di 2 metri quadrati, ciò per facilitare i calcoli relativi all'impianto. Entro i canali formati dalle ondulazioni della lastra 2 e dalla lastra 3 scorre il fluido convettore del calore, per esempio acqua, glicole etilenico, glicerina, aria o altri gas.

Il coperchio della cassetta o scatola 4, disposto ad una certa distanza dal pannello 1, è costituito da una lastra trasparente 6 che protegge dalle intemperie e delimita una camera d'aria termicamente isolante anteriormente al pannello 1 suddetto.

Esso è formato da una sottile lastra di materiale plastico leggero, trasparente a tutto lo spettro di frequenza della energia solare e può essere per esempio costituito da resina epossidica più o meno rinforzata con fibre trasparenti, oppure da acetato di cellulosa o da altri materiali trasparenti e rigidi che possono essere abbinati a films protettivi e selettivi noti in commercio e opachi al basso infrarosso. Tutto ciò per ottenere il cosiddetto «effetto serra».

I bordi del coperchio 6 della cassetta contenitrice possono pure essere trasparenti in modo da non produrre alcuna ombra sopra la superficie del pannello attivo allorché il sole è basso sull'orizzonte. Dalla cassetta contenitrice escono, rigidamente tenuti in posizione da tutto il pannello 1 e dalla schiuma isolante 5, i bochettoni 7 di attacco delle condutture di entrata ed uscita del fluido trasportatore di calore.

II pannello assorbitore è convenientemente terminato, alle due estremità in cui si presentano le aperture dei canalini, come illustrato nelle figg. 4a e 4b con un collettore del fluido costituito da un canale 9 sagomato in modo che la sua estremità 10 venga saldata alla lastra 3 ed il suo bordino 11 venga saldato alla lastra ondulata 2. La lastra 3 è più corta della 2

in modo da lasciare una striscia di ondulazioni libera per l'entrata o l'uscita del fluido. Ambedue le estremità del canale vengono terminate con una semiscatola 12 (fig. 4b), ricavata convenientemente da imbutitura, portante un bocchettone 7 per l'aggancio del tubo di adduzione o di deflusso del fluido. Essa s'inserisce esternamente al canale 9 grazie all'incastro 13 e ad esso viene saldata rigidamente a tenuta stagna.

Il pannello 1 contenuto nella sua scatola di protezione viene esposto al sole con un'inclinazione opportuna rispetto ad un piano verticale EST-OVEST ed in modo tale che i canalini delle ondulazioni si trovino sempre nel senso NORD-SUD, indipendentemente dal fatto che il lato maggiore del pannello sia parallelo od ortogonale alla direzione dei canalini.

In fig. 2 viene illustrato schematicamente il motivo per cui la lastra assorbitrice 2 dell'irradiazione solare oltre che ad avere subito un trattamento superficiale idoneo a realizzare l'assorbimento diretto massimo, è conformata secondo una ondulazione avente sezione trapezoidale. Come risulta dal disegno, il vano compreso tra un'ondulazione e l'adiacente ha la stessa sezione trapezoidale, ma capovolta. In tale figura è visibile detta lastra 2 a contatto con il fluido convettore 14 e con la lastra piana 3 alla quale è saldata nei punti di contatto. Quest'ultima è isolata dal materiale coibente 5. Nella stessa figura, con 15 è illustrato il percorso di un raggio di radiazione solare allorché cade perpendicolarmente al piano del collettore e viene successivamente riflesso dalle pareti dell'ondulazione. Il residuo di radiazione diretta può uscire dalla lastra dopo aver subito ben quattro riflessioni. Sempre nella fig. 2 con 16 è illustrato il tragitto di un raggio incidente con un'inclinazione di 20 gradi: esso può riemergere solo dopo tre riflessioni.

Sempre in fig. 2 con 17 e 18 le inclinazioni sono state assunte rispettivamente di 40 gradi e di 60 gradi ed in questo caso il raggio può riemergere solo dopo due riflessioni.

Tenendo conto del fatto che per quasi tutte le angolazioni di incidenza le riflessioni parziali dei raggi avvengono nella direzione di altri punti della lastra assorbitrice per due o tre volte di seguito prima di disperdersi, ne risulta che la quan-5 tità totale di energia dispersa per riflessione è di entità trascurabile e compete più che altro alla superficie orizzontale delle creste delle ondulazioni.

In fig. 3 viene illustrato il secondo e più importante motivo della ridotta dispersione di energia dovuta alle ondulalo zioni alte e strette della lastra 2.

E' noto che la irradiazione di energia di un corpo nero caldo (ossia a temperatura superiore allo zero assoluto) verso l'ambiente esterno è principalmente dipendente dal valore assoluto della sua temperatura secondo una legge di proporzio-15 nalità alla quarta potenza di tale valore.

Inoltre la irradiazione avviene per ogni punto della superficie del corpo, in tutte le direzioni ed in pratica sotto un angolo solido di 180 gradi se il punto è situato su una superficie piana. Riferendosi alla fig. 3 e considerando per semplicità 20 la irradiazione su un solo piano ortogonale alla superficie, si nota facilmente che il punto 19 prossimo alla sommità della gola, irradia poco meno della metà della sua energia verso il fondo e verso l'altra parete della gola stessa. La rimanente viene dispersa verso l'esterno.

25 Nella stessa fig. 3 è intuibile che il punto 20 situato quasi in fondo alla gola, irradi due terzi della sua energia verso il fondo e verso la parete opposta della gola e quindi soltanto un terzo di essa viene dispersa verso l'esterno; ugualmente il punto 21, considerato sul fondo della gola, disperde, verso 30 l'esterno, meno di un terzo della sua irradiazione. Soltanto i punti come il 22 disposti sulla sommità piana della cresta, disperdono tutta la loro energia all'esterno della lastra ma la superficie di tale sommità è circa un ottavo di quella totale.

Il terzo motivo della ridotta dispersione del pannello og-35 getto del presente trovato è illustrato nelle figg. 5 e 6.

Nella fig. 5 sono state disegnate una sezione trasversale del pannello 1 oggetto del presente trovato e in fig. 6 la sezione di un pannello 23 piano assorbente termico, munito di pochi canali 24 di passaggio del fluido di raffreddamento se-40 condo la tecnica nota; quest'ultimo è disegnato nella stessa scala di quello di fig. 5. Nel caso di fig. 6 solo un sesto della superficie totale della lastra esposta ai raggi solari è a diretto contatto con il fluido assorbitore di calore, mentre nel caso di fig. 5 ben cinque sesti della superficie della lastra ondulata 45 è a contatto diretto con il fluido suddetto e il rimanente (un sesto) è ad esso vicinissimo.

Ammettendo che la temperatur del fluido che scorre nei due pannelli sia identica, è chiaro che nel caso di fig. 5 la temperatura della lastra ondulata del pannello 1, pressoché so tutta lambita internamente dal fluido, sia uguale a quella del fluido, mentre nel pannello 23 di fig. 6 la porzione piana di lastra 25 compresa tra due canalini assume, sotto l'effetto di uguale irradiazione solare, una temperatura molto alta rispetto a quella del fluido che scorre nei canalini, e tanto più alta 55 quanto più il punto considerati è lontano da essi. Si stabilisce cioè un alto gradiente di temperatura fra la zona mediana della superficie 25 e le zone dei canalini 24. Essendo come già detto, l'irradiazione propria dell'energia di un corpo nero caldo dipendente principalmente dalla sua temperatura asso-60 luta e crescendo tale irradiazione in proporzione della quarta potenza della temperatura stessa, l'energia irradiata, ossia perduta dal pannello piano 23 è molto superiore a quella del pannello 1.

Altra particolarità del pannello assorbitore, oggetto del 65 presente trovato, è che la sezione della testata 9 (fig. 4a) di entrata del fluido viene assunta di valore molto superiore a quella del tubo 7 di ingresso del bocchettone 7. In tale modo la testata costituisce una camera di volume notevole, nella

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quale si annulla l'energia cinetica che il fluido ha acquistato scorrendo ad alta velocità nel tubo 7.

Ne risulta una uniforme distribuzione del fluido freddo che risale con la stessa velocità in tutti i canalini derivando il suo modo esclusivamente dalla pressione statica.

Altra importante particolarità del presente trovato è il trattamento superficiale cui viene sottoposta la superficie ondulata del pannello, ossia quella che deve assorbire l'energia delle radiazioni solari.

E' già noto che un eccellente «corpo nero» ossia un corpo che assorbe pressoché il 100% della radiazione solare è costituito dal «nerofumo» ossia da carbonio amorfo in polvere impalpabile.

Per il caso specifico qui descritto, viene ottenuto un nero fumo che aderisce abbastanza tenacemente alla superficie metallica del pannello, bruciando della canfora (o altra adatta sostanza organica) in aria libera non forzata, ossia con scarsa ossigenazione.

Il pannello ondulato, previamente ripulito e raffreddato con un mezzo qualsiasi, viene fatto scorrere con le ondulazioni rivolte in basso e con moto orizzontale uniforme, sopra uno stretto canalino contenente la canfora in combustione e lungo quanto il lato minore del pannello stesso. La striscia di fiamma che lambisce la superficie fredda della lastra ondulata, vi deposita uniformemente un perfetto strato di nerofumo. In caso di pannello di notevoli dimensioni è logica-5 mente pi opportuno fare scorrere sotto al pannello tenuto fisso e sospeso, il contenitore della sostanza organica in combustione per alcune volte nei due sensi. Dopo tale trattamento, il pannello viene introdotto nel contenitore 4-6 che viene sigillato a tenuta stagna. Prima della sigillatura viene opportu-io namente introdotta anche una appropriata quantità di un preparato igroscopico il quale provvede ad assorbire l'eventuale residuo di umidità rimasto nell'aria o nel materiale isolante all'interno del contenitore.

Con questo procedimento viene ottenuto molto economi-15 camente un rendimento di assorbimento che è superiore a quello della maggioranza dei sistemi complicati e costosi fino ad ora usati a tale scopo. Grazie alla inalterabilità nel tempo del carbonio amorfo sia agli sbalzi di temperatura sia alle radiazioni di tutto lo spettro solare e grazie alla chiusura erme-20 tica del contenitore di protezione in ambiente perfettamente secco, questo trattamento si mantiene valido più di qualsiasi verniciatura o deposito galvanico o altro fino ad ora sperimentato.

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2 fogli disegni