Indagine sperimentale sul campo delle prestazioni energetiche ed exergetiche di un nuovo collettore solare termico ad aria

Trasformare la luce del sole in aria calda utile

Mantenere le abitazioni calde, essiccare cibo o preriscaldare l’aria fresca per gli edifici di solito comporta la combustione di combustibili o l’uso di elettricità. Questo studio esplora un modo più intelligente: un riscaldatore solare ad aria riprogettato che utilizza solo la luce solare per riscaldare l’aria in movimento in modo più efficiente. Modellando con cura i pezzi metallici che guidano l’aria all’interno del collettore, i ricercatori mostrano come estrarre più calore utile dalla stessa radiazione solare—un’idea che potrebbe ridurre bollette ed emissioni in abitazioni, aziende agricole e piccole industrie.

Perché un riscaldamento solare migliore è importante

Il nostro stile di vita moderno dipende fortemente dai combustibili fossili per il riscaldamento, i trasporti e l’elettricità. Questi combustibili sono finiti e una delle principali fonti di anidride carbonica che riscalda il clima. I collettori solari ad aria a piastra piatta—essenzialmente scatole poco profonde che intrappolano la luce solare per riscaldare l’aria—offrono un’alternativa pulita per attività come l’essiccazione delle colture, il riscaldamento degli spazi e il preriscaldamento della ventilazione. Sono semplici e relativamente economici, ma un grande limite li frena: la piastra metallica calda all’interno non cede il suo calore all’aria in movimento tanto efficacemente quanto potrebbe, quindi molta energia solare catturata viene sprecata. Migliorare questo trasferimento di calore è l’obiettivo di questo lavoro.

Un nuovo design interno per i collettori solari

Il team ha costruito un sistema di prova esterno in scala reale in Malesia basato su un collettore solare ad aria a piastra piatta. All’interno, ha aggiunto file di nuove alette cave a «semi-stadio»—pezzi metallici sagomati come un arco arrotondato, con interno cavo—disposte su più livelli sfalsati. Vicino all’ingresso dell’aria sono stati installati piccoli deflettori, come pareti minute, per mescolare e ridirigere l’aria in entrata così che sfiori più a fondo le superfici calde. L’aria compie una doppia percorrenza: scorre prima lungo un canale, curva attorno a una sezione a U e poi ritorna attraverso un altro, acquisendo calore aggiuntivo a ogni passaggio. Questa combinazione di alette speciali, deflettori e configurazione a doppio passaggio è progettata per aumentare il contatto fra aria e metallo caldo senza rendere il sistema eccessivamente complesso.

Misurare il guadagno termico e il lavoro utile

Per tre giornate soleggiate i ricercatori hanno fatto funzionare il collettore a tre diverse portate d’aria—lenta, media e veloce—e hanno misurato temperature in molti punti, insieme ai livelli di radiazione solare e alle condizioni meteorologiche. Hanno quindi calcolato due tipi di prestazione. La prima, chiamata efficienza energetica, risponde alla domanda: «Quale frazione della potenza solare in arrivo si trasforma in calore trasportato dall’aria?» La seconda, chiamata efficienza exergetica, valuta quanto di quel calore è veramente utile per compiere lavoro, ad esempio fornire un forte salto termico per l’essiccazione o il riscaldamento. Per verificare le misure, hanno anche costruito un modello computerizzato dettagliato del flusso d’aria e del trasferimento di calore e ne hanno confrontato le previsioni con i dati esterni.

Cosa hanno rivelato gli esperimenti

Il collettore riprogettato ha raggiunto efficienze energetiche comprese tra circa il 13% e il 72%, con il valore migliore—71,91%—che si è verificato sotto forte irraggiamento solare (circa 800 watt per metro quadrato) e alla massima portata d’aria. In termini semplici, con buona luce e flusso d’aria rapido, quasi tre quarti della radiazione solare incidente sul dispositivo è diventata calore utile nell’aria in uscita. Tuttavia, il quadro cambia osservando l’exergia, la misura di quanto è prezioso quel calore. La massima efficienza exergetica, 17,06%, si è avuta alla portata d’aria più bassa. A flussi lenti l’aria resta più a lungo all’interno e esce molto più calda, cosa particolarmente vantaggiosa per compiti come l’essiccazione del cibo o il riscaldamento degli ambienti, anche se la produzione totale di calore è leggermente inferiore. All’aumentare della velocità dell’aria si raccoglie complessivamente più calore, ma ogni unità di calore diventa un po’ meno «di alta qualità» e l’efficienza exergetica cala.

Perché questo design è promettente

Per i non specialisti, la conclusione è lineare: rimodellando le alette metalliche all’interno di un collettore solare ad aria e guidando l’aria in modo più intelligente, questo sistema ricava molto di più dalla stessa luce solare rispetto ai design precedenti. A flussi elevati è eccellente nel raccogliere grandi quantità di calore in modo efficiente; a flussi bassi fornisce aria più calda, particolarmente utile per essiccazione e riscaldamento degli spazi. Il fatto che sia gli esperimenti esterni sia le simulazioni al computer concordino—e che le prestazioni superino diversi studi precedenti—suggerisce che questo approccio sia pronto per essere adattato a essiccatori solari reali, alla ventilazione degli edifici e ad altre esigenze di riscaldamento a bassa temperatura, contribuendo a spostare l’uso quotidiano dell’energia verso un futuro più pulito.

Citazione: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

Parole chiave: collettore solare ad aria, termico solare, riscaldamento rinnovabile, efficienza energetica, analisi exergica