Indagine sperimentale delle caratteristiche di energia ed esergia di un nuovo collettore solare con getto di impatto a flusso circolare inverso vorticoso

Perché mantenere i pannelli solari freschi è importante

I pannelli solari stanno diventando un cardine dell’energia pulita, ma hanno un tallone d’Achille: non sopportano il calore. Quando un pannello si riscalda al sole, la temperatura della sua superficie aumenta e la sua capacità di convertire la luce solare in elettricità diminuisce costantemente. Questo studio esplora un nuovo modo per mantenere i pannelli più freschi usando canali d’aria sagomati sotto di essi, aumentando sia la produzione di potenza sia la quantità di energia utilizzabile che possiamo ricavare dal sole.

Una nuova soluzione per il raffreddamento dei pannelli

La maggior parte dei sistemi da tetto lascia semplicemente la parte posteriore di un pannello esposta alla brezza. Gli ingegneri sanno che si può fare meglio soffiando aria o acqua dietro il pannello per asportare il calore. Il gruppo di ricerca ha concentrato l’attenzione sull’aria, che è gratuita, pulita e facile da gestire. Basandosi su precedenti progetti di “jet impingement”—dove getti d’aria colpiscono la parte posteriore del pannello—hanno creato un nuovo collettore che aggiunge un moto vorticoso al flusso d’aria. Piccoli elementi a forma di coppetta, stampati in 3D in plastica, sono posizionati in una scatola poco profonda sotto il pannello. L’aria entra in ciascuna coppetta dal lato, ruota all’interno e poi esce in un getto verso la parte posteriore delle celle solari prima di lasciare il collettore.

Come è stato testato il nuovo sistema

I ricercatori hanno costruito tre versioni di un piccolo impianto solare: un pannello nudo senza raffreddamento speciale, un pannello con un collettore standard a getto di flusso circolare inverso (RCFJI) e un pannello con il nuovo design vorticoso, chiamato SRCFJI. Tutti e tre sono stati testati in ambiente indoor sotto luce solare artificiale regolabile tra livelli di illuminazione moderati e intensi (500–900 watt per metro quadrato). Hanno inoltre variato la portata d’aria attraverso il collettore, da una lieve brezza a un flusso molto più intenso. Durante ogni prova hanno misurato con cura le temperature del pannello, la produzione elettrica, il calore rimosso dall’aria e quanta dell’energia solare incidente potesse, in linea di principio, essere trasformata in lavoro utile.

Pannelli più freddi, prestazioni migliori

I risultati hanno mostrato uno schema chiaro: maggior flusso d’aria significava pannelli più freddi e prestazioni migliori; una radiazione solare più intensa, pur aumentando la potenza lorda, faceva salire le temperature e alla fine danneggiava l’efficienza. Rispetto al pannello nudo, entrambi i design a getto hanno ridotto significativamente le temperature superficiali, ma la versione vorticosa ha ottenuto i migliori risultati. Nella condizione di prova più severa—alta radiazione solare e forte flusso d’aria—la superficie del pannello nudo ha raggiunto quasi 80 gradi Celsius. Il design a getto standard ha abbassato tale valore di circa il 21,6%, mentre il design vorticoso ha portato la riduzione a circa il 25,3%, mantenendo il pannello ancora di alcuni gradi più fresco. Questo raffreddamento aggiuntivo si è tradotto direttamente in una maggiore efficienza elettrica e in più watt prodotti.

Oltre la semplice efficienza: l’energia utile

Per valutare il sistema in modo più profondo, il team ha utilizzato anche l’analisi dell’“esergia”, che stima quanta dell’energia catturata può essere trasformata in lavoro pratico, tenendo conto di tutte le perdite inevitabili. Anche qui, il design vorticoso si è dimostrato superiore. Rispetto a un pannello nudo, il collettore SRCFJI ha aumentato l’efficienza dell’energia elettrica di circa il 12% e l’efficienza dell’energia termica di oltre il 4%. In termini di esergia, le prestazioni elettriche sono migliorate approssimativamente dell’11%, e la porzione di calore che può essere considerata veramente utile è cresciuta di quasi il 5%. La produzione complessiva di potenza dall’impianto migliorato è aumentata di circa il 22% rispetto al pannello standard da solo.

Cosa significa per i futuri impianti solari

Per i non specialisti, il messaggio è semplice: rimodellando i canali d’aria sotto un pannello solare in modo che l’aria vortichi e colpisca più efficacemente la superficie posteriore, possiamo mantenere il pannello più fresco e ottenere più energia utilizzabile dalla stessa luce solare. Il nuovo collettore a getto vorticoso fornisce più elettricità e più calore utile senza aggiungere parti in movimento sulla faccia del pannello o fare affidamento su materiali rari. Sebbene questo prototipo sia stato testato in condizioni indoor controllate e su piccola scala, indica possibili aggiornamenti pratici per installazioni solari reali, specialmente in climi caldi dove il surriscaldamento è un problema costante.

Citazione: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

Parole chiave: raffreddamento pannelli solari, fotovoltaico termico, getto di impatto, flusso d'aria vorticoso, efficienza energetica