Clasificación de los colectores solares en función de la razón de concentración

Un colector solar es un tipo especial de intercambiador de calor que transforma la energía radiante procedente del Sol en energía térmica. Los colectores se diferencian en varios aspectos de los intercambiadores de calor convencionales. En estos últimos se lleva a cabo normalmente un intercambio de calor fluido a fluido, con altos valores de transferencia de calor, siendo la radiación un fenómeno poco importante. Los colectores solares presentan problemas muy particulares de flujos de energía bajos y variables y gran importancia del fenómeno de radiación.

La mayoría de los estudios sobre aprovechamiento térmico de la radiación solar realizan su análisis partiendo de la clasificación tradicional que distingue entre colectores para aplicaciones de baja, media y alta temperatura (Ibáñez et al., 2005).

En el siguiente estudio, y debido fundamentalmente a que no queda muy clara la frontera entre aplicaciones de media y alta, se ha optado por una clasificación más objetiva, en función de si se lleva a cabo o no concentración de la radiación solar. Para ello se introduce un nuevo parámetro, la razón de concentración C, cuyo significado se explica a continuación.

En las aplicaciones solares de baja temperatura se emplean siempre colectores solares sin concentración, es decir, C = 1. En este caso, todos los elementos del subsistema solar tienen el mismo emplazamiento físico. En las aplicaciones de temperatura más elevada, dentro del colector distinguimos dos elementos claramente diferenciados, el receptor y el concentrador, con funcionalidades y ubicaciones distintas. El receptor es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte en otro tipo distinto de energía; incluye el absorbedor, sus cubiertas asociadas y el aislante. El concentrador o sistema óptico es la parte del colector que dirige la radiación sobre el receptor. La abertura del concentrador es el espacio abierto a través del cual la radiación solar entra en el colector.

Se pueden encontrar en la bibliografía distintas definiciones de razón de concentración, aunque la más habitual es la de razón de concentración superficial, es decir, la razón entre el área de la apertura del concentrador respecto al área del receptor, ecuación (1.16) (Winter et al., 1991):

r a A A C = (1.16)

Atendiendo a esta razón de concentración se distinguen las siguientes tecnologías termosolares:

Los colectores sin concentración se diseñan para aplicaciones que demandan energía a una temperatura relativamente baja, en general hasta 100 ºC, aunque con los tubos de vacío se pueden alcanzar los 130 ºC. Aprovechan tanto la radiación directa como la difusa, no requieren un seguimiento de la trayectoria solar y precisan escaso mantenimiento. Además, mecánicamente son bastante más simples que los colectores de concentración. De acuerdo con el último esquema, este tipo de colectores solares se subdivide a su vez en tres grupos, de menor a mayor complejidad técnica:

- Colectores no vidriados. - Colectores de placa plana. - Colectores avanzados.

En cuanto a los colectores de concentración, de menor a mayor razón de concentración, se tiene: - Sistemas cilindro parabólicos.

- Sistemas de torre central. - Discos parabólicos. Tipos de colectores solares atendiendo a la razón de concentración 1. Sin concentración, C = 1 1.1. Colectores no vidriados 1.2. Colectores de placa plana

1.3. Colectores avanzados

2. Con concentración, C > 1

2.1. Sistemas cilindro parabólicos, C = 30 - 90 2.2. Sistemas de torre central, C = 200 – 1000 2.3. Discos parabólicos, C = 1000 - 5000

1.3.1. Superficies selectivas en el absorbedor 1.3.2. Colectores evacuados 1.3.3. Tubos de vacío

Los sistemas cilindro parabólicos consisten en espejos cilíndricos cuya sección transversal es una parábola, de tal forma que la radiación solar se concentra en el eje central focal. Se consiguen razones de concentración entre 30 y 90.

Los sistemas de torre central están formados por espejos cuasi-planos denominados helióstatos, distribuidos en una superficie horizontal, e inclinados de tal forma que reflejen la radiación solar hacia la parte superior de la torre, donde generalmente se coloca el receptor. Los factores de concentración que se consiguen en este caso oscilan entre 200 y 1000.

Los discos parabólicos son espejos tipo paraboloide de revolución, que se mueven de forma que siempre están orientados al Sol. Este tercer tipo es con el que se consiguen razones de concentración más altas, entre 1000 y 5000.

Con cualquiera de estas tres tecnologías se busca concentrar los rayos solares, que son aproximadamente paralelos e incidentes en una gran superficie (el concentrador), en una superficie “pequeña” en términos relativos (el receptor). Por ello, la geometría óptima del concentrador es la de un paraboloide de revolución que se mueve de tal forma que siempre esté orientado hacia el Sol. Ésta es precisamente la geometría que adoptan los discos parabólicos y la que tiene mayores valores de concentración. Las demás tecnologías tratan de aproximarse a esta situación. Así, en los sistemas cilindro parabólicos la sección transversal es una parábola, lo que permite concentrar la radiación solar a lo largo de un eje. En los sistemas de torre central, la superficie del concentrador se discretiza en una serie de helióstatos, resultando un concentrador tipo Fresnel, es decir, un reflector parabólico cortado en pequeños segmentos.

De las tres tecnologías de colectores de concentración, esta tesis analiza los colectores cilindro parabólicos y más concretamente aquéllos que utilizan agua-vapor como fluido calorífero en los tubos receptores. En la figura (1.2) aparece una imagen de parte de un lazo de colectores cilindro parabólicos, ubicado en la Plataforma Solar de Almería (PSA).