Progettare i Riflettori Solari – Principi di Base

In questa pagina vi daremo qualche spunto utile per la progettazione dei riflettori impiegabili in un forno solare.

L’area di cattura della radiazione solare e i riflettori

L’area di cattura rappresenta fondamentalmente la superficie captante della radiazione solare. Quest’ultima ad esempio, in un forno solare a scatola, è rappresentata dalla superficie trasparente posta a chiusura del forno. Un riflettore permette di aumentare l’area di cattura di un forno solare.

Come progettare il riflettore

Anzitutto, occorre considerare come l’area di cattura aggiuntiva apportata da un riflettore dipenda sia dall’inclinazione dei pannelli del riflettore, sia dalle dimensioni del riflettore medesimo.

In altre parole, se allunghiamo i pannelli di un riflettore ma ne manteniamo inalterato l’angolo di inclinazione, l’area di cattura, arrivati a un certo punto non cambierà più, perché parte dei raggi rimbalzerà sulle pareti stesse del riflettore per poi essere reindirizzata al di fuori del forno.

E' Importante Dimensionare Bene l'Area di Cattura (fonte SCInet)

E’ importante dimensionare bene l’area di cattura determinata da un riflettore solare (fonte SCInet)

L’orientamento e la forma dei riflettori che concentrano la radiazione solare nel punto di cottura possono essere determinati impiegando delle regole di geometria abbastanza semplici. Fondamentalmente, è possibile considerare che, data la grande distanza dalla terra, i raggi solari raggiungano il forno tutti paralleli fra loro. La luce colpirà i riflettori con un ben determinato angolo di incidenza e con lo stesso angolo rimbalzerà verso l’interno della camera di cottura. La teoria è la stessa sia che si parli di forni solari a scatola, a pannello o a parabola. L’idea è illustrata nell’immagine sottostante:

descrizione del comportamento dei raggi solari incidenti sul riflettore di un forno solare (fonte SCInet)

Descrizione del comportamento dei raggi solari incidenti sul riflettore di un forno solare (fonte SCInet)

 

Una regola semplice per progettare il proprio riflettore è questa. E’ sufficiente prendere in considerazione i raggi che colpiscono il riflettore nel punto più alto, o esterno che dir si voglia. Per avere una copertura ottimale della superficie del vetro trasparente del forno da parte dei raggi riflessi, la parte più esterna del riflettore dovrebbe riflettere il proprio raggio all’estremità opposta della copertura trasparente. In questo modo, tutti i raggi incidenti più in basso nel riflettore ricadranno all’interno della superficie trasparente posta a copertura del forno solare.

Il tutto è spiegato più chiaramente dall’immagine sottostante.

Comportamento dei raggi incidenti sul riflettore del forno solare (fonte SCInet).

Comportamento dei raggi incidenti sul riflettore del forno solare (fonte SCInet).

La regola appena descritta può essere applicata empiricamente in modo molto semplice, fissando lo sguardo dritto nel punto più estremo del riflettore e osservando quale punto interno della scatola sia rispecchiato dal riflettore. Regolando l’inclinazione del pannello del riflettore, si potrà facilmente trovare quell’angolo in corrispondenza del quale il punto interno visualizzato coincide con lo spigolo della superficie trasparente posta a copertura del forno solare.

Un esempio di buon riflettore è un riflettore avente i pannelli lunghi quanto la lunghezza della superficie trasparente posta a chiusura del forno a scatola, e avente un’inclinazione di 60° C.

Sul sito di rimstar.org, è possibile utilizzare un apposito calcolatore per dimensionare il proprio riflettore.

Qualitativamente parlando, si nota che è possibile aumentare ulteriormente la superficie di cattura aumentando sia la lunghezza dei pannelli del riflettore, sia il loro angolo di inclinazione esterno. Tuttavia, tale aumento diventa via via più modesto (crescita sublineare dell’area di cattura), mentre il materiale da aggiungere, e il relativo costo, aumentano in maniera lineare.

Da questo punto di vista, un riflettore solare parabolico, più comunemente riferito nel suo complesso come forno solare parabolico, ha un’efficienza di gran lunga superiore, in termini di area di cattura per quantità di materiale impiegato, rispetto al riflettore di un forno solare a scatola.

Ottimizzare l’inclinazione

Quando il sole è particolarmente basso (alle nostre latitudini durante il periodo invernale), inclinare un forno solare a scatola non è sufficiente per ottimizzare l’ingresso dei raggi solari nella camera di cottura. Un’inclinazione eccessiva potrebbe infatti causare il rovesciamento della pentola. A questo punto, per ottimizzare l’ingresso dei raggi solari in camera di cottura si rende dunque necessario inclinare i diversi pannelli del riflettore per esporli al meglio rispetto alla radiazione incidente.

In particolare, si dovrà inclinare la parte alta del riflettore di un angolo prossimo ai 90° C, mentre la parte bassa del riflettore, qualora presente, dovrà avere un angolo prossimo allo zero. In questo modo, la radiazione incidente avrà rispettivamente un angolo di incidenza prossimo ai 45° ed uno prossimo a 0°C. La figura sottostante chiarifica quanto detto, riportando il riferimento all’angolo della radiazione incidente e riflessa.

Come scegliere l'inclinazione dei pannelli del riflettore.

Come scegliere l’inclinazione dei pannelli del riflettore (fonte SCInet).