Theoretical and experimental study of solar thermal collector systems and components

Flat-plate and evacuated tube collectors are the most widely used device to convert solar radiation into heat. In conventional applications they can provide energy for domestic hot water or space heating in combination with low water temperature systems. Testing of thermal efficiency and optimisation of these solar thermal collectors are addressed and discussed in the present work. A new set of experimental data has been used to evaluate the performance of flat-plate and evacuated collectors at various conditions. Efficiency is measured following the standard EN 12975: standard efficiency curves, input/output energy curves and daily efficiency curves have been obtained from tests. This approach allows a more comprehensive comparison of the effective performance of the solar thermal collectors considered here. A simulation tool of the flat-plate thermal collector is also proposed. The numerical model permits to obtain a “virtual collector” and provides information on the predicted performance without constructing prototypes. The three-dimensional steady-state model for flat-plate solar collector is validated comparing model predictions with experimental results obtained from experimental tests on two flat-plate collectors. Measures of the temperature profile in the copper sheet, in the glass cover and in the tubes, and an infrared analysis, are used to investigate the heat losses and optical characteristics. The numerical model has been also used to analyse comparative effects of varying design choices, with regard to geometry and materials. The evacuated tube collectors are in principle more expensive than flat-plate collectors and they are suitable for more higher temperature systems (space heating, absorption cooling machines..). Their geometry makes more difficult to fully characterize the collector performance. A new procedure to characterize these type of collectors has been developed and described in this thesis. Efficiency tests have been performed on a U-tube evacuated tubular collector, using a cylindrical absorber, both with and without external CPC (compound parabolic concentrator) reflectors. Experimental results have been used to validate the new procedure and to provide information on the improvement of collectors’ performance obtained through the use of external CPC reflectors.

I collettori solari termici maggiormente impiegati per convertire la radiazione solare in calore sono i collettori a tipologia piana e a tubi evacuati. Nelle applicazioni convenzionali essi vengono utilizzati per la produzione di acqua calda sanitaria o riscaldamento domestico in combinazione con sistemi a bassa temperatura. Prove d’efficienza termica ed ottimizzazione di questi dispositivi solari sono affrontati e discussi in questa tesi. Nuove prove sperimentali in varie condizioni sono state effettuate su collettori piani vetrati e a tubi evacuati per effettuare una nuova analisi comparativa. L’efficienza è stata misurata secondo le indicazioni della normativa europea EN 12975 ed inoltre si sono ricavate curve input-output e di efficienza media giornaliera. Questo approccio permette un confronto più ampio delle prestazioni effettive dei collettori solari considerati. Uno strumento di simulazione delle prestazioni dei collettori a geometria piana è anche proposto. Il modello numerico permette di ottenere un “collettore virtuale” e fornisce informazioni sulle prestazioni di un collettore senza costruirne un prototipo funzionale. Il modello tridimensionale stima le prestazioni di un collettore a geometria piana in condizioni stazionarie ed è stato validato confrontando le prestazioni stimate con i risultati sperimentali ottenuti su due collettori diversi. Misure di temperatura della piastra assorbente, della copertura vetrata, dei tubi dell’arpa ed analisi all’infrarosso sono stati utilizzati per investigare le dispersioni termiche e le caratteristiche ottiche della geometria considerata. Il modello è inoltre stato usato per analizzare gli effetti di alcune scelte progettuali riguardanti la geometria e i materiali dei componenti del collettore. I collettori solari a tubi evacuati sono in linea di principio più costosi dei collettori piani e sono idonei ad applicazioni a più alta temperatura (sistemi di riscaldamento, macchine ad assorbimento..). La loro geometria rende più difficile la caratterizzazione completa delle prestazioni del collettore. Una nuova procedura per caratterizzare questo tipo di collettori è stata sviluppata ed è qui descritta. Sono state eseguite prove sperimentali su un collettore a tubi evacuati, con tubi ad U, con assorbitore cilindrico, con e senza riflettori CPC (compound parabolic concentrator) esterni. I risultati sperimentali sono stati utilizzati per validare la nuova procedura e per fornire indicazioni sull’incremento dell’efficienza dovuto all’impiego dei riflettori CPC.