Indagine sperimentale su un sistema solare di riscaldamento dell’aria con collettore a tubi evacuati con tubo coassiale

Perché l’aria più calda dal sole conta

Dall’essiccazione di alimenti e legname al riscaldamento di stabilimenti, molti processi quotidiani richiedono flussi continui di aria calda. Bruciare combustibili fossili per fornire questo calore aumenta i costi e le emissioni di carbonio. Questo studio esplora un modo per sfruttare invece la luce solare, impiegando un particolare tipo di collettore a tubi di vetro per trasformare l’aria esterna in aria affidabilmente calda—raggiungendo temperature vicine all’ebollizione—senza macchinari complessi o materiali esotici.

Trasformare la luce solare in aria calda in movimento

I ricercatori si sono concentrati su un dispositivo chiamato riscaldatore solare d’aria, che cattura l’energia del sole e la trasferisce all’aria in movimento. Invece dei pannelli piatti, a forma di scatola, spesso visti sui tetti, hanno usato file di tubi di vetro arrotondati noti come tubi evacuati. Ogni tubo ha uno strato sottovuoto che funziona come una termica di alta qualità, riducendo nettamente le perdite di calore verso l’esterno. La luce solare riscalda una superficie interna scura, e l’aria viene spinta lungo questa superficie con l’aiuto di un piccolo ventilatore, assorbendo calore lungo il percorso.

Una svolta all’interno del tubo

L’innovazione principale riguarda il modo in cui l’aria si muove all’interno di ogni tubo. Invece di lasciare l’aria fluire attraverso un singolo spazio aperto, il team inserisce un tubo metallico più piccolo lungo il centro, creando un passaggio anulare stretto tra il tubo metallico e il vetro interno riscaldato. Questa disposizione “tubo dentro il tubo” mantiene l’aria a contatto più vicino con la superficie calda per più tempo, migliorando lo scambio termico. Instradando con cura l’aria in questo percorso confinato, il sistema ricava più calore utile dalla stessa luce solare senza aggiungere parti in movimento complesse.

Testare diverse lunghezze di tubo e velocità dell’aria

Gli esperimenti si sono svolti all’aperto nella soleggiata Coimbatore, India, utilizzando 20 tubi evacuati collegati a un ingresso e a una uscita d’aria comuni. Il team ha variato due impostazioni semplici: la velocità del flusso d’aria (50 o 100 chilogrammi all’ora) e la lunghezza del tubo metallico interno (1,5 metri o la metà, 0,75 metri). Hanno monitorato l’intensità della radiazione solare, le temperature dell’aria in molti punti e quanta potenza aggiuntiva consumava il ventilatore per spingere l’aria attraverso il sistema.

Quanto si è riscaldata l’aria?

Per i tubi interni più lunghi da 1,5 metri e al flusso d’aria più basso, il sistema ha riscaldato l’aria in ingresso fino a 94 °C—oltre 50–60 gradi in più rispetto a un caldo pomeriggio tropicale. Con la stessa lunghezza ma con flusso più elevato, la temperatura massima è scesa a circa 74 °C perché l’aria attraversava più rapidamente il sistema e aveva meno tempo per riscaldarsi. I tubi più corti da 0,75 metri hanno prodotto aria complessivamente più fresca, raggiungendo al massimo circa 78 °C a basso flusso e 69 °C a flusso alto. In termini semplici, percorsi più lunghi e movimento più lento hanno dato aria più calda, mentre un flusso più veloce ha migliorato la frazione di luce solare convertita in calore utile ma ha ridotto la temperatura finale.

Bilanciare calore utile ed energia spesa

Oltre alla temperatura, i ricercatori hanno valutato la prestazione tramite l’efficienza: quanta della radiazione solare entrante diventava calore utilizzabile dopo aver sottratto l’energia necessaria per far funzionare il ventilatore. Con i tubi da 1,5 metri a 50 kg/h, il sistema ha raggiunto circa il 26% di efficienza effettiva; i tubi più corti hanno mostrato prestazioni simili, leggermente superiori al 28%, poiché offrivano meno resistenza al flusso d’aria. Flussi più elevati hanno aumentato l’efficienza termica di base ma hanno anche incrementato la potenza del ventilatore, riducendo il guadagno effettivo. Questo compromesso dimostra che i progettisti devono bilanciare il «quanto caldo» con il «quanto è difficile spingere» quando dimensionano sistemi reali.

Cosa significa per l’uso reale

Nel complesso, lo studio mostra che una modifica relativamente semplice—aggiungere un tubo centrale per indirizzare l’aria all’interno di collettori in vetro evacuati standard—può produrre in modo affidabile aria calda nell’intervallo 70–95 °C. Queste temperature sono adatte all’essiccazione di colture e legname, a processi industriali a bassa temperatura e al riscaldamento degli ambienti, specialmente per piccole e medie imprese in regioni soleggiate. Regolando con attenzione la lunghezza del tubo e il flusso d’aria, gli operatori possono scegliere tra aria più calda o maggiore efficienza, aiutando i riscaldatori solari d’aria a diventare un sostituto pratico e a basse emissioni di carbonio dei sistemi a combustibile.

Citazione: Ravichandran, V., Kumar, P.M., Adaikalasamy, V. et al. Experimental investigation on solar air heating system using evacuated tube collector with coaxial tube. Sci Rep 16, 7923 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39094-2

Parole chiave: riscaldatore solare d’aria, collettore a tubi evacuati, essiccazione industriale, calore rinnovabile, progetto a tubo coassiale