> bonjour,

> Je m'appelle Sylvian, je suis élève au lycée Alcide Dussolier de Nontron.

> Je fais partie d'un atelier biologie qui nous propose de faire des projets scientifiques.

> Je voudrais construire artisanalement des panneaux solaires thermiques afin de chauffer l'eau de l'internat de mon lycée.

> Pourriez vous nous aider afin de réaliser notre projet?

> En vous remerciant d'avance nous espérons une réponse favorable.

       Sylvian

  Buon giorno Sylvian,

grazie per l’e-mail; il riscaldamento dell’acqua è una delle più importanti applicazioni dell’energia solare, che permette il risparmio di combustibile che può essere meglio utilizzato per produrre energia meccanica ed elettrica o per i trasporti o per la sintesi dei prodotti derivati dal petrolio.

Trovo il vostro progetto interessante e vi collaboro volentieri.

Il problema è quello di stabilire la tecnica migliore per costruire il collettore.

Inizialmente ho pensato ad un foglio di alluminio spesso 1 mm collegato ad un tubo di rame ripiegato in modo da formare una serie di tui paralleli distanti fra loro 10 cm; tale tubo avrebbe dovuto essere collegato al foglio di alluminio mediante una fascetta di alluminio ed un paio di rivetti ad es. ogni 10 cm

Ho calcolato il massimo salto termico necessario per trasmettere il calore all’acqua con questa ipotesi mediante il metodo che illustro di seguito ed ho trovato dei valori di sovratemperatura al centro della lamiera sufficientemente bassi.

Tuttavia questo metodo implica l’utilizzo di circa 100 fascette e 200 rivetti ogni metro quadro di superficie e non garantisce una buona conduttività termica nei tratti tra una fascetta e l’altra.

Ho quindi pensato che un risultato analogo riguardo la coduttività termica ma molto migliore sia come collegamento termico tra la lamiera ed il tubo sia come modalità di realizzazione si può ottenere utilizzando una lamiera di rame con uno spessore dimezzato, di soli 0,5 mm, saldata al tubo di rame in modo continuo mediante una apposita lega di stagno e piombo.

Dal "Manuale del termotecnico" di Nicola Rossi, ed. Hoepli si possono rilevare i seguenti valori di conduttività termica:

cioè il rame ha una conduttività termica quasi doppia rispetto all’alluminio, e quindi gli stessi risultati si possono praticamente ottenere con una lamiera di rame di spessore dimezzato.

In un pannello solare il calore assorbito da ciascun punto del collettore segue un percorso a raggera verso i tubi che trasportano l’acqua da riscaldare.

Il calore assorbito in un punto distante dai tubi avrà bisogno di un maggiore salto termico per arrivare a scaldare l’acqua; quello assorbito in un punto vicino, di un minore salto termico.

Cosideriamo il disegno allegato.

Il calore assorbito dalle superfici S1 ed S6 dovrà coprire una distanza maggiore di quello assorbito dalle superfici S4 ed S9; inoltre andrà sia verso il tubo T1 sia verso il tubo T2; però per semplificità si può pensare che tutto il calore assorbito dalle superfici S1,S2,S3,S4 vada verso il tubo T1 mentre tutto il calore assorbito dalle superfici S6,S7,S8,S9 vada tutto verso il tubo T2.

La conduttività del rame è pari a 380 W/m°K (220 W/m°K per l’alluminio); cioè un cubo di 1 m³ di rame sottoposto alla diferenza di tmperatura di 1°C lascia passare un flusso termico di 380 W; rapportando ad un cubo di 1 cm di lato di rame, la superficie delle facce di quest’ultimo è 10.000 volte inferiore, mentre la distanza tra le due facce è 100 volte inferiore; quindi il flusso trasportato tra le due facce del piccolo cubo con la stessa differenza di temperatura è 100 volte inferiore, pari a 3,8 W/cm°K

Il massimo irraggiamento a mezzogiorno con cielo terso e d’estate non supera gli 830 W/m²; il vetro, pur trasparente, provoca una diminuzione dell’irraggiamento di circa l’8% ÷ 10% con irraggiamento perpendicolare; normalmente invece esiste una certa inclinazione tra i raggi del sole ed il pannello solare, che provoca un assorbimento e riflessione della luce sulle pareti del vetro leggermente maggiore.

Quindi il massimo irraggiamento che arriva al collettore solare sarà di circa 750 W/m², cioè di 0,075 W/cm²

Consideriamo una striscia di rame larga 1 cm e spessa quanto la lamiera (0,5 mm).

Il flusso di calore F1 che arriva su S1, per percorrere il 1° centimetro verso T1 avrà bisogno di una differenza di temperatura espressa dalla formula:

essendo:

   P   la potenza termica da trasmettere,   (0,075 W)

   l    la distanza da percorrere,                  (1 cm)

   S   la sezione del conduttore                  (0,05 * 1 = 0,05 cm²)

Quindi:

Quindi il flusso di calore F1 per arrivare al tubo T1 avrà bisogno di una differenza di temperatura pari a:

Sulle superfici successive S2,S3 ed S4 avremo via via salti termici minori; si può quindi ipotizzare un salto termico medio di circa 3°C, un valore molto limitato.

In presenza di un irraggiamento minore, es. durante il pomeriggio o durante l’inverno, la temperaturà raggiunta dall’acqua sarà inferiore, ma anche il salto termico necessario non supererà i 2 o 3 °C

Un controllo dei costi del materiale conferma la validità di questa scelta.

A Genova 1 metro quadro di lamiera di rame spessa 0,5 mm costa circa 36 euro; il tubo di rame necessario (9 o 10 metri) costa circa 20 euro, per un totale di circa 56 euro/m², più il costo dello stagno.

Raddoppiando lo spessore della lamiera e dimezzando la lunghezza del tubo di rame (raddoppiando la distanza dei tratti paralleli del tubo di rame porta ad un costo maggiore, di circa 82 euro/m²

Rigurdo la dimensione dei pannelli, penso che un buon valore sia 70 cm di larghezza per 150 cm di lunghezza; ovviamente sono possibili altre dimensioni.

Questo argomento interessa indirettamente anche la mia ricerca di Dottorato in Scienze dei servizi per i Trasporti e la Logistica, che sto svolgendo presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Genova, perchè un risparmio nel consumo dei carburanti contribuisce a mantenere il costo di questi a valori accettabili.

Quindi buon lavoro ed alla prossima e-mail

      Ing. Zefferino Pavanelli

http://www.fis.unipr.it/sustainability/modules.php?set_albumName=album19&op=modload&name=gallery&file=index&include=view_album.php

corso di autocostruzione dei pannelli solari termici