Collettore solare sottovuoto: principio di funzionamento + come costruirselo da soli

Per la produzione di acqua calda sanitaria e il riscaldamento degli ambienti si spendono somme considerevoli. Ma esiste una fonte di energia alternativa: il collettore solare a vuoto. Ne ha sentito parlare? Esso consente di ridurre significativamente i costi per il mantenimento del comfort, garantendo il massimo effetto di riscaldamento con minime perdite di calore.

Questo apparecchio può essere acquistato dai produttori di attrezzature domestiche o assemblato autonomamente in casa. Per scegliere il modello adatto, è necessario studiare molte informazioni. La aiuteremo a decidere i criteri principali di acquisto.

In questo articolo parleremo del principio di funzionamento e della struttura del collettore a vuoto. Illustreremo le caratteristiche costruttive dei vari modelli e analizzeremo i pro e i contro di questi impianti. Inoltre, descriveremo in dettaglio come realizzare e installare un collettore solare a vuoto da sé.

Il materiale è accompagnato da video, dai quali imparerà le caratteristiche importanti e i principi di funzionamento dei collettori a vuoto.

Principio di funzionamento del collettore a vuoto

Il collettore solare sottovuoto si differenzia dai sistemi solari tradizionali per il metodo di conversione dell'energia solare. La batteria classica si limita a ricevere la luce e trasformarla in elettricità. Il collettore, invece, è composto da tubi di vetro con un vuoto ricreato al loro interno. Essi vengono collegati in un unico sistema mediante appositi nodi di giunzione.

All'interno di ciascun tubo si trova un canale formato da una o due barre di rame con fluido termovettore. Captando i raggi solari, l'elemento attivo riscalda il materiale termovettore, assicurando così il funzionamento del collettore.

Grazie a questa costruzione, il livello di rendimento energetico aumenta notevolmente e le perdite di calore si riducono significativamente, poiché lo strato sottovuoto consente di conservare circa il 95% dell'energia solare catturata.

Il collettore solare sottovuoto, posizionato sul tetto di una casa privata, fornirà acqua calda agli abitanti durante tutto l'anno, e nella stagione fredda permetterà di riscaldare confortevolmente l'ambiente, senza dover spendere grandi somme di denaro.

Inoltre, si riduce la dipendenza delle prestazioni del collettore dalla stagionalità, dalla temperatura ambiente e dalle varie condizioni meteorologiche, come raffiche di vento, nuvolosità variabile, precipitazioni, ecc.

Come è strutturato un collettore a vuoto?

I moderni dispositivi sottovuoto, che forniscono calore e acqua calda agli ambienti grazie all'energia solare, differiscono tecnologicamente.

I collettori si suddividono in queste tipologie:

• tubolare senza rivestimento protettivo in vetro;
• modulo a conversione ridotta;
• versione piana standard;
• dispositivo con isolamento termico trasparente;
• unità ad aria;
• collettore sottovuoto piatto.

Il collettore solare sottovuoto è in grado di garantire la fornitura di acqua calda e il riscaldamento in qualsiasi periodo dell'anno e con qualsiasi tempo (+).

Tutti hanno una somiglianza strutturale comune, infatti sono composti da:

• tubo esterno trasparente, da cui l'aria è stata completamente evacuata;
• tubo di riscaldamento, situato all'interno del tubo grande, dove si muove il fluido termovettore liquido o gassoso;
• di uno o due collettori di distribuzione prefabbricati, a cui si collegano tubi di diametro maggiore e in cui entra il circuito di circolazione dei tubi sottili posti all'interno.

L'intera struttura ricorda per certi versi un thermos dalle pareti trasparenti, in cui è mantenuto un livello di isolamento termico eccezionalmente elevato. Grazie a questa caratteristica, il corpo del tubo interno è in grado di riscaldarsi efficacemente e cedere completamente la risorsa energetica al fluido termovettore che circola al suo interno.

Dettagli costruttivi e classificazione

I collettori a vuoto si classificano in base al tipo di tubi di vetro installati nella struttura o alle caratteristiche dei condotti termici. I tubi sono solitamente coassiali o a penna, mentre i condotti termici sono a U a flusso diretto e del tipo heat pipe.

Caratteristiche dei tubi coassiali

I tubi coassiali sono costituiti da un doppio bulbo di vetro a thermos con uno spazio sottovuoto creato artificialmente tra le pareti. La superficie interna del tubo ha uno strato di rivestimento speciale assorbente il calore, quindi il trasferimento di calore avviene direttamente dalle pareti del bulbo di vetro.

I tubi coassiali sono realizzati in vetro borosilicato ad alta resistenza, con elevata capacità di trasmissione della luce. Gli elementi, a seconda del produttore, hanno fino a tre strati di rivestimento a magnetron, mostrano un'ottima resistenza e robustezza contro varie condizioni atmosferiche (pioggia, grandine, ecc.), sopportano una pressione di 1 MPa e hanno una durata affidabile di 15 anni.

Come elemento assorbente, all'interno del tubo di vetro viene saldato un tubo di rame contenente una miscela eterea. Durante il riscaldamento, evapora, cede efficacemente il suo calore, si condensa e cola nella parte inferiore del tubo. Poi il ciclo si ripete, creando così un processo continuo di scambio termico.

Caratteristiche dei tubi a piuma

I tubi a penna sottovuoto hanno pareti più spesse rispetto a quelli coassiali e sono costituiti da un unico bulbo, non da due. L'elemento assorbente interno in rame è dotato lungo tutta la sua lunghezza di un robusto rinforzo – una piastra ondulata con un rivestimento ad alta capacità di assorbimento energetico.

Grazie a questa caratteristica costruttiva, il vuoto è posizionato direttamente nel condotto termico, una parte del quale, insieme all'assorbente, viene integrata direttamente nel bulbo.

Il tubo a penna sottovuoto contiene all'interno una piastra a forma di piuma. In termini di efficienza, supera le capacità del suo equivalente coassiale, ma ha un costo significativamente più elevato ed è difficile da sostituire in caso di danneggiamento dell'integrità del bulbo o di guasto dell'elemento riscaldante.

I collettori realizzati con tubi a penna sottovuoto sono considerati i più efficienti nella loro categoria, svolgono egregiamente i compiti assegnati e hanno una durata affidabile per molti anni.

Principio di funzionamento del canale termico heat pipe

I canali termici heat pipe sono costituiti da tubi chiusi contenenti un composto liquido facilmente evaporabile. Sotto l'effetto dei raggi solari, si riscalda, si sposta nella parte superiore del canale e si concentra in un apposito collettore termico (manifold).

Il fluido di lavoro in quel momento cede tutto il calore accumulato e ridiscende per riprendere il processo.

La guaina dello scambiatore di calore heat-pipe si collega allo scambiatore di calore del manifold tramite un'apposita sede saldata direttamente nello scambiatore a 1 tubo, oppure viene avvolta da uno scambiatore a 2 tubi.

L'elemento di lavoro del canale termico heat pipe è realizzato in rame, più raramente in alluminio. Mostra un'elevata resistenza ai carichi operativi, serve in modo affidabile per 15 anni, ha un costo ragionevole ed è uno degli elementi più popolari dei moderni sistemi solari sottovuoto di tipo tubolare.

L'energia prelevata dal serbatoio termico viene assorbita dal fluido termovettore che la trasporta lungo il sistema, garantendo in tal modo acqua calda ai rubinetti e ai radiatori del riscaldamento. Il sistema heat pipe è facile da installare e mostra un'elevata efficienza durante il funzionamento.

I collettori dotati di tubi sottovuoto heat pipe si distinguono per un buon livello di affidabilità e sono adatti all'uso non solo in ambito domestico, ma anche in sistemi solari termici ad alta pressione.

In caso di guasto o malfunzionamento, senza alcuna difficoltà è possibile sostituire il componente danneggiato con uno nuovo, senza dover ricostruire l'intero sistema.

I lavori di riparazione possono essere facilmente eseguiti direttamente sul posto del collettore, senza smontare l'unità e senza sforzi eccessivi.

Descrizione dello scambiatore di calore a flusso diretto a forma di U

Il tubo dello scambiatore di calore a flusso diretto ha la forma di una U. All'interno circola acqua o fluido termovettore del sistema di riscaldamento. Una parte dell'elemento è destinata al fluido freddo, mentre la seconda scarica correttamente quello già riscaldato.

Quando viene riscaldato, il composto attivo si espande e fluisce nel serbatoio di accumulo, creando così una circolazione naturale del liquido nel sistema. Un rivestimento selettivo speciale applicato sulle pareti interne aumenta la capacità di assorbimento termico e migliora l'efficienza complessiva del sistema.

Rispetto ai tubi di tipo heat-pipe, i prodotti a forma di U hanno una maggiore resistenza idraulica, impongono requisiti più elevati al fluido termovettore e costano significativamente di più. I collettori che funzionano con tubi a U a flusso diretto non possono operare ad alta pressione e forniscono una trasmissione di calore di qualità solo durante la stagione calda.

I tubi a U mostrano un'alta efficienza e forniscono una notevole resa termica, ma hanno un difetto significativo. Costituiscono un'unica struttura integrata con il manifold e vengono sempre montati insieme ad esso.

Non è possibile sostituire un singolo tubo danneggiato. Per la riparazione è necessario smontare completamente l'intero complesso e installarne uno nuovo.

Confronto tra diverse modifiche

Nella fabbricazione degli impianti solari termici, i canali termici e i tubi di vetro sottovuoto per i collettori solari vengono combinati in varie configurazioni.

I modelli coassiali con canale termico heat pipe sono i più popolari tra i consumatori. Gli acquirenti sono attratti dal prezzo accessibile degli apparecchi e dalla manutenzione molto semplice e accessibile per tutta la durata di vita.

Il collettore solare sottovuoto con canale di lavoro heat pipe si ripara facilmente. La sostituzione dei tubi danneggiati viene effettuata in loco e non richiede lo smontaggio del sistema o lo spostamento in un altro luogo. Tuttavia, lo scambio termico in questi modelli è complesso, per cui il rendimento finale non supera il 65%.

Gli apparecchi sottovuoto con canali heat pipe dimostrano un'elevata affidabilità e non presentano alcuna limitazione d'uso, anche in impianti solari termici ad alta pressione.

Anche gli apparecchi con bulbo coassiale contenente canali a U a flusso diretto sono tra i più richiesti. Sono caratterizzati da parametri come bassa perdita di calore e rendimento dal 70% in su.

Per un funzionamento corretto, l'apparecchio sottovuoto con canale a U deve essere installato correttamente. Si consiglia che l'angolo di inclinazione minimo sia di almeno 20°. Solo in questo modo si potrà garantire il massimo rendimento.

La situazione è in parte rovinata da: complesso processo di riparazione, manutenzione specifica durante il funzionamento e impossibilità di sostituire un singolo componente danneggiato. Se accade qualcosa all'apparecchio, viene smontato e sostituito con un collettore completamente nuovo.

I tubi a penna sono strutturalmente un singolo cilindro di vetro con pareti spesse e resistenti (da 2,5 mm in su, a seconda del produttore). L'inserto interno in assorbente a penna avvolge strettamente il canale di lavoro, realizzato in metallo termoconduttore.

Lo spazio sottovuoto all'interno del contenitore di vetro crea un isolamento quasi perfetto. L'assorbente trasferisce il calore assorbito senza perdite e garantisce al sistema un rendimento fino al 77%.

In caso di malfunzionamento, i collettori dotati di tubi a pinna possono essere riparati. Non è necessario sostituire l'intero sistema, è sufficiente individuare l'unità danneggiata, smontarla e sostituirla con una nuova.

I modelli con elemento a pinna costano un po' di più rispetto a quelli coassiali, ma grazie all'elevata efficienza garantiscono un comfort completo nell'ambiente e si ammortizzano rapidamente.

I tubi a pinna con canali interni a flusso diretto sono i più efficienti e produttivi. Il loro rendimento effettivo raggiunge talvolta valori record dell'80%.

Durante il montaggio dei tubi a pinna nel telaio, su ogni asta del componente viene applicato un robusto dado di compressione con anello e guarnizione termoresistente. Ciò garantisce la tenuta dell'intera struttura e consente al collettore di funzionare correttamente in qualsiasi condizione.

Il prezzo dei prodotti è piuttosto elevato, e durante la riparazione è necessario scaricare dall'impianto tutto il fluido termovettore e solo successivamente procedere alla risoluzione dei problemi.

Come dovrebbe essere il collettore termico?

Il collettore di calore è un altro elemento operativo molto importante del collettore a vuoto. Tramite questo componente viene trasferito il calore accumulato dai tubi al fluido termovettore.

Il collettore di calore è situato nella parte superiore del dispositivo. Uno dei suoi componenti, il nucleo in rame, riceve l'energia e la trasmette al fluido termovettore principale che circola nel sistema chiuso «scambiatore di calore serbatoio-collettore».

Il corretto funzionamento è garantito dalla pompa di circolazione collegata al sistema. L'automazione che controlla il complesso di riscaldamento monitora attentamente il livello di temperatura nei canali e, in caso di calo al di sotto del minimo critico consentito (ad esempio di notte), interrompe il funzionamento della pompa.

Ciò consente di evitare un riscaldamento inverso, quando il fluido termovettore inizia a prelevare calore dall'acqua calda accumulata nel serbatoio di accumulo.

Vantaggi e svantaggi dei collettori a vuoto

Il principale vantaggio degli apparecchi è la quasi totale assenza di perdite di calore durante il funzionamento. Ciò è garantito dall'ambiente sottovuoto, che è uno degli isolanti naturali di maggiore qualità. Ma l'elenco dei vantaggi non finisce qui.

I dispositivi presentano anche altri evidenti vantaggi:

• efficienza operativa a basse temperature (fino a -30°C);
• capacità di accumulare calore fino a 300°C;
• massimo assorbimento possibile di energia termica, incluso lo spettro invisibile;
• stabilità operativa;
• bassa suscettibilità agli agenti atmosferici aggressivi;
• bassa resistenza al vento, dovuta alle caratteristiche costruttive dei sistemi tubolari, in grado di lasciar passare masse d'aria di diversa densità;
• alto livello di efficienza in regioni con clima temperato e fresco con pochi giorni sereni e soleggiati;
• durata nel tempo se si seguono le regole di base di funzionamento;
• facilità di riparazione e possibilità di sostituire non l'intero sistema, ma solo un singolo componente guasto.

Tra gli svantaggi vi sono l'incapacità dei collettori di autopulirsi da brina, ghiaccio e neve, e l'alto costo dei componenti necessari per assemblare l'unità in condizioni domestiche.

Un collettore solare è un dispositivo efficiente che consente di convertire l'energia solare in energia termica quasi senza perdite

Assemblaggio dell'unità da sé

Il processo di assemblaggio del collettore a vuoto inizia con la realizzazione di un telaio di supporto per gli elementi di lavoro. Viene montato direttamente nel punto designato per l'unità.

Le dimensioni e le misure del telaio dipendono interamente dal modello che si intende realizzare e sono generalmente specificate nelle istruzioni incluse nella documentazione di accompagnamento dei componenti.

Il telaio finito per il collettore viene fissato al tetto in modo che sia in una posizione precisa e non oscilli. Se il tetto dell'edificio è in ardesia, si utilizzano listelli di supporto e viti grosse di grande calibro. Per altri materiali di copertura si usano normali tasselli.

I punti di contatto del telaio con la superficie del tetto vengono ulteriormente fissati con sigillante per evitare che in futuro l'acqua penetri attraverso i fori nella casa. Successivamente, si porta il serbatoio di accumulo nel punto di installazione e lo si fissa con viti sulla parte superiore del telaio.

Nella fase successiva si montano la resistenza, il sensore di temperatura e lo sfiato automatico dell'aria. Tutti i componenti ausiliari e le parti correlate vengono posizionati sulle guarnizioni ammortizzanti fornite in dotazione. Per fissare il sensore di temperatura si utilizza una chiave a bussola.

Successivamente si provvede all'allestimento dell'approvvigionamento idrico. A tale scopo si utilizzano tubi di qualsiasi materiale resistente alle basse temperature e in grado di sopportare fino a 95°C. Si sono dimostrate efficaci le tubazioni e i raccordi in polipropilene.

I tubi in polipropilene sono ideali per realizzare il collegamento del collettore solare con l'impianto idraulico di un'abitazione. I raccordi hanno buone proprietà fisiche e resistenza operativa, funzionano in modo affidabile per molti anni e sono facili da sostituire in caso di crepe o lacerazioni.

Dopo aver collegato l'impianto idraulico, si riempie il serbatoio di accumulo con acqua e si verifica la tenuta stagna. Se entro 3-4 ore si riscontrano perdite, queste vengono eliminate.

Alla fine si installano gli elementi riscaldanti. A tal fine, si avvolge un tubo di rame con un foglio di alluminio e lo si inserisce in un tubo a vuoto di vetro. Nella parte inferiore del bulbo si applicano una tazza di fissaggio e un coperchio antipolvere in gomma resistente e flessibile.

La punta superiore in rame del tubo viene inserita a fondo nel condensatore in ottone. Non si rimuove il grasso termoconduttivo viscoso dai tubi. Si blocca con lo scatto il meccanismo di fissaggio sul supporto e, con lo stesso principio, si montano tutti i restanti tubi di vetro.

I collettori solari tubolari necessitano di manutenzione regolare e pulizia obbligatoria, soprattutto durante il periodo di forte nevicata. Se si seguono queste semplici regole, funzioneranno a lungo e manterranno un alto livello di efficienza per tutta la loro vita operativa.

Sulla struttura si installa un blocco di montaggio, si collega l'alimentazione elettrica a 220 volt e si collegano al sistema tre blocchi ausiliari: il riscaldatore, lo sfiatatoio e il sensore di temperatura.

Per ultimo si collega il controller, progettato per la corretta gestione dell'impianto. Nel menu del controller si inseriscono i parametri di funzionamento desiderati e si avvia il sistema in modalità standard.

Le istruzioni passo-passo per la costruzione del collettore solare sono riportate in questo articolo.

Come posizionare correttamente l'apparecchio?

Affinché il collettore a vuoto possa funzionare a pieno regime e fornire efficacemente l'energia necessaria all'abitazione, è necessario trovare il luogo più adatto e orientare correttamente il dispositivo rispetto ai punti cardinali.

I collettori solari a vuoto sono molto più pratici dei loro omologhi piani. Quando uno dei tubi di lavoro viene danneggiato e si guasta, è molto facile sostituirlo con uno nuovo. Dopodiché, il sistema continuerà a funzionare come prima. Se non è possibile sostituire immediatamente l'elemento danneggiato, non è un problema. L'unità potrà svolgere le sue 'funzioni' anche se ha un componente danneggiato.

Per le località dell'emisfero settentrionale, è opportuno posizionare il collettore nella parte sud del tetto della casa o sul lato soleggiato del terreno. È consigliabile garantire una deviazione minima del piano del dispositivo.

Se non è possibile orientare la superficie verso sud, conviene scegliere tra ovest ed est l'angolazione più luminosa in uno spazio aperto.

L'elevata efficienza operativa del collettore a vuoto è dovuta anche al fatto che funziona secondo il principio di uno specchio e regola la sua potenza termica in base all'altezza attuale del sole.

L'impianto solare non deve essere oscurato da camini, elementi decorativi della copertura, rami estesi di alberi o edifici residenziali o tecnici alti. Ciò ridurrà l'efficienza operativa e diminuirà il livello di riscaldamento degli elementi attivi.

Se l'unità è posizionata correttamente, garantirà una resa termica quasi identica durante tutto l'anno, indipendentemente dalla stagione.

Se non si ha molta esperienza nell'esecuzione di lavori complessi di riparazione, installazione e meccanica, non è razionale effettuare il vuoto dei tubi in condizioni domestiche. Questo processo è molto laborioso e richiede conoscenze specialistiche e attrezzature professionali.

Inoltre, gli elementi a vuoto realizzati autonomamente hanno un rendimento molto inferiore rispetto ai componenti di fabbrica. Pertanto, è più ragionevole acquistare il prodotto da un produttore specializzato e poi provare ad assemblare alcune sezioni a casa.

Sul sito è disponibile una selezione di articoli sull'installazione di un sistema solare di riscaldamento, vi consigliamo di consultarli:

1. Sistemi di riscaldamento solare: analisi delle tecnologie per l'installazione del riscaldamento basato su sistemi solari
2. Riscaldamento di una casa privata con pannelli solari: schemi e struttura
3. Pannelli solari flessibili: tipi, caratteristiche + peculiarità di collegamento

Conclusioni e video utili sull'argomento

Descrizione dettagliata e approfondita del tubo a vuoto, del suo principio di funzionamento e delle caratteristiche operative del collettore solare nel suo insieme. L'autore spiega alcune interessanti sfumature e mostra come l'impianto possa diventare una valida alternativa alla caldaia a gas.

Informazioni interessanti sul funzionamento del collettore solare nel periodo invernale.

Come installare correttamente un collettore solare a vuoto fai-da-te in condizioni domestiche. Tutti i dettagli del processo, raccomandazioni e consigli utili.

Conoscendo il principio di base del funzionamento di un collettore solare a vuoto tubolare, è possibile assemblare l'unità da soli. L'impianto soddisferà pienamente le esigenze e i requisiti individuali personali.

Non è un'attività troppo difficile, ma richiede maggiore attenzione, scrupolosità e determinate abilità, altrimenti il rischio di danneggiare l'integrità del bulbo e comprometterne la tenuta aumenta notevolmente.

A tutti gli interessati alla scelta, installazione o assemblaggio autonomo di un collettore solare, proponiamo di lasciare commenti e porre domande. Il modulo di contatto si trova nel blocco inferiore.