La curva di rendimento del collettore indica come il rendimento di un collettore solare diminuisce quando lavora a una temperatura superiore a quella dell'ambiente circostante: η = η0 − a1·(Tm−Ta)/G − a2·(Tm−Ta)²/G. η0 è il rendimento ottico (0,75–0,82 per i buoni collettori piani), a1 e a2 sono coefficienti di dispersione termica e G è l'irradianza, riferita a 1.000 W/m². Tutti e tre i valori derivano dalle prove ISO 9806 e compaiono in ogni scheda tecnica Solar Keymark.
Che cosa significano realmente η0, a1 e a2?
I tre parametri scompongono il comportamento di un collettore in guadagno e perdita. η0, il rendimento ottico, è la frazione di luce solare convertita in calore quando il collettore lavora alla temperatura ambiente e non ha perdite; a1 e a2 descrivono la rapidità con cui il rendimento diminuisce quando la temperatura media del fluido Tm sale al di sopra della temperatura ambiente Ta.
| Parametro | Significato | Collettore piano | Tubi sottovuoto (area lorda) |
|---|---|---|---|
| η0 | Rendimento a ΔT = 0 (ottico) | 0,75 – 0,82 | 0,45 – 0,65 |
| a1 (W/m²K) | Coefficiente di dispersione termica lineare | 3,0 – 4,0 | 1,0 – 2,0 |
| a2 (W/m²K²) | Coefficiente di dispersione dipendente dalla temperatura | 0,010 – 0,020 | 0,003 – 0,008 |
Un η0 elevato vince alle basse temperature di esercizio; valori bassi di a1/a2 vincono a quelle alte. Nessun parametro singolo rende un collettore «il migliore»: è l'applicazione a decidere in quale punto della curva ci si trova.
Come si misura la curva di rendimento?
Un laboratorio accreditato la misura secondo la EN ISO 9806, in condizioni stazionarie (sole stabile, temperature di ingresso fisse) oppure con il metodo quasi dinamico, che ricava i parametri da condizioni esterne variabili. L'irradianza di riferimento è 1.000 W/m². Dall'edizione 2013 della norma i parametri sono riferiti all'area lorda del collettore (le schede tecniche Solar Keymark hanno completato il passaggio nel 2016), quindi i vecchi valori riferiti all'apertura appaiono sistematicamente più alti per lo stesso collettore; la differenza è spiegata alla voce area di apertura. I valori certificati di ogni modello sono pubblici nel database Solar Keymark, ed è questo che rende possibile un confronto onesto.
Come si legge la curva nella pratica?
Si inseriscono le proprie condizioni di esercizio e la curva restituisce il rendimento atteso. Si prenda un collettore piano con η0 = 0,78, a1 = 3,5, a2 = 0,015, che scalda un accumulo a 60 °C in una giornata a 20 °C (ΔT = 40 K) con 800 W/m²: η = 0,78 − 3,5 × 40/800 − 0,015 × 40²/800 = 0,575. Il collettore converte circa il 58% della luce solare disponibile, ovvero circa 460 W per metro quadrato. Eseguendo lo stesso calcolo a ΔT = 70 K il rendimento scende verso il 40%: lo stesso collettore, prestazioni enormemente diverse a seconda della temperatura a cui lo si fa lavorare. Per questo le basse temperature di ritorno e l'accumulo stratificato contano così tanto nella progettazione degli impianti.
Perché le curve del collettore piano e del collettore a tubi sottovuoto si incrociano?
Perché l'una parte più in alto e l'altra scende più lentamente. Il collettore piano parte con un η0 superiore; il collettore a tubi sottovuoto perde rendimento in modo molto più graduale grazie all'isolamento sotto vuoto.
| ΔT (K) | Collettore piano (0,78 / 3,5 / 0,015) | Tubi sottovuoto (0,65 / 1,5 / 0,005) |
|---|---|---|
| 0 | 0,78 | 0,65 |
| 20 | 0,70 | 0,62 |
| 40 | 0,62 | 0,58 |
| 60 | 0,52 | 0,54 |
| 80 | 0,40 | 0,50 |
Per questi collettori di esempio, a 1.000 W/m², le curve si incrociano tra 40 e 60 K. Al di sotto del punto di incrocio (acqua calda sanitaria con tempo mite) il collettore piano fornisce più calore per metro quadrato lordo; al di sopra (calore di processo, raffrescamento solare, pieno inverno) vince il collettore a tubi.
Quale parte della curva conta per la propria applicazione?
Occorre abbinare il parametro al regime di temperatura. Gli impianti per acqua calda sanitaria passano la maggior parte delle ore a ΔT di 20–40 K, dove domina η0: è il motivo per cui i collettori piani prevalgono in quel mercato. Gli impianti combinati e i carichi commerciali a 50–70 K rendono a1 sempre più determinante. Il calore di processo oltre 80 K è territorio di a2 e di solito dei collettori a tubi sottovuoto o specializzati. L'arbitro finale è la resa annua, non il rendimento istantaneo: le schede tecniche Solar Keymark indicano la resa annua calcolata per modulo in località e temperature di riferimento, traducendo la curva nel valore in kWh di cui un progettista ha effettivamente bisogno; tali valori sono disponibili per ogni collettore Solimpeks certificato Solar Keymark, dalle serie Wunder ALS e ANSG al pannello ibrido PV-T.
Domande frequenti
Qual è un buon valore di η0 per un collettore solare?
Per i collettori piani, 0,75–0,82 sull'area lorda è l'intervallo di qualità; i tubi sottovuoto risultano certificati a valori inferiori sull'area lorda (0,45–0,65) a causa degli spazi tra i tubi. Verificare sempre che il valore sia riferito all'area lorda prima di giudicarlo.
Perché la mia resa annua reale è inferiore a quella suggerita dalla curva di rendimento?
La curva è una caratteristica istantanea di laboratorio in condizioni di riferimento. Un anno comprende notti, angoli solari bassi, perdite di tubazioni e accumulo e disallineamenti con la richiesta, quindi la resa del sistema è ben inferiore al rendimento di picco del collettore. Per la progettazione usare i valori di resa annua della scheda tecnica.
I parametri η0, a1 e a2 sono riferiti all'area di apertura o all'area lorda?
Le attuali prove ISO 9806 e le schede tecniche Solar Keymark usano l'area lorda, standard dal 2016. I documenti precedenti al cambiamento riportano spesso valori riferiti all'apertura, che sono più alti per lo stesso collettore: convertire su una base comune prima di confrontare.
La curva di rendimento vale anche per i collettori PVT?
Sì: la parte termica di un collettore PVT è provata con le stesse procedure ISO 9806 e ottiene gli stessi parametri. Il PVT non vetrato riporta inoltre coefficienti dipendenti dal vento, perché la convezione domina le sue dispersioni termiche.