Tecnología Solar
Térmica
(Baja Temperatura)
COLECTORES DE PLACA
PLANA
Curso I.S 2
EL COLECTOR SOLAR
El colector solar es el encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía calorífica.
Se pueden clasificar dos grandes grupos: colectores sin o con concentración.
Entre los primeros el modelo más usual es el denominado
colector de placa plana (abreviadamente c.p.p.), por presentar un aspecto de rectángulo plano cuando se lo observa desde una cierta distancia.
La invención del colector solar con fluido líquido es atribuida a H.B. Saussure durante la segunda mitad del siglo XVIII.
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ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL
COLECTOR
El colector solar de placa plana está constituido por cuatro elementos principales que son:
-Cubierta transparente -Absorbedor
-Carcasa -Aislamiento
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CUBIERTA TRANSPARENTE
Cualidades fundamentales que deben cumplir:
-Elevada transmitancia de ondas cortas (longitudes de onda de 0.2 a 3 micras).
-Baja transmitancia de ondas largas (longitudes de onda mayores de 3 micras), y elevado índice de reflexión.
-Bajo índice de absorción a cualquier longitud de onda.
-Tener un coeficiente de conductividad térmica bajo, que dificulte el paso de calor desde la superficie interior (de la cubierta), hacia el exterior.
-Excelente resistencia a la intemperie y larga duración.
-Provocar el efecto invernadero.
Materiales utilizados:
-Vidrio
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Transmisión Espectral
ABSORBEDOR
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El absorbedor tiene por misión recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador. Por lo tanto debe ser lo más absorbente posible a la radiación solar y normalmente negra.
Existen diferentes modelos de absorbedores:
-Dos placas metálicas separadas algunos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador.
-Una placa metálica, que es el absorbedor propiamente dicho, sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido caloportador.
-Tipo denominado comercialmente Roll-Bond, de cobre o aluminio. Su popularidad ha decrecido mucho.
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*La carcasa debe proteger y soportar los diversos elementos que constituyen el colector y actuar de enlace con el conjunto del edificio sobre el cual se sitúa el colector, a través de los bastidores y elementos de anclaje necesarios.
*Debe ser resistente a la corrosión, a las variaciones de temperatura y poseer buena rigidez ya que deben colocarse sobre los tejados o terrazas.
*No es aceptable reemplazar un colector, o su carcasa, antes de la vida normal de éste, que debe ser al menos de 15 años, ya que el gasto acarreado seria incompatible con una amortización normal de la instalación.
CARCASA
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El absorbedor está protegido en su parte posterior contra las pérdidas térmicas por un aislamiento que debe ser muy eficaz.
Características de algunos de los aislantes más frecuentemente usados.
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Estudio Energético del C.P.P
Si consideramos el c.p.p como una máquina que transforma la energía de radiación en energía térmica, es evidente que nos interesará conocer el rendimiento, es decir la relación entre la energía obtenida y la recibida.
Consideremos un colector inmóvil, recibiendo la radiación solar uniformemente repartida y de forma constante:
El balance energético de un colector plano es:
Q1= Q + Q2
Donde:
Q1= es la energía incidente total (directa+difusa+albedo) en la
unidad de tiempo.
Q= es la energía útil, es decir, la recogida por el fluido caloportador.
Q2= es la energía perdida por disipación al exterior.
Por lo que la energía útil es: Q= Q1- Q2 (1)
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No toda la energía Q1 incidente será absorbida en el absorbedor.
Al existir cubierta hay que contar con la transmitancia de la misma, que dejará pasar solamente una parte de dicha energía (ζSI). Por otro lado, el coeficiente de absorción o absortancia α de la placa
absorbedora nunca llega a ser igual a la unidad, de forma que la fracción de energía realmente absorbida es ζαSI.
La energía Q2 que se pierde es muy complejo su cálculo ya que
intervienen las pérdidas por radiación, convección y conducción. Con el objeto de poder utilizar una formulación simple, se ha convenido en englobar estas influencias en el denominado
coeficiente global de pérdidas U, el cual se mide experimentalmente y es un dato suministrado por el fabricante.
La experiencia ha demostrado que el suponer las pérdidas por unidad de superficie proporcionales a la diferencia entre la temperatura media de la placa absorbedora tc y la del ambiente ta siendo el factor de proporcionalidad precisamente dicho coeficiente U.
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.
Por lo tanto la (1) quedara:
Q= SIζα - S U (tc – ta)
Q= S [ I ζα – U (tc – ta) ] (2)
Donde:
S= Superficie del colector (m2)
I=Radiación incidente total sobre el colector por unidad de superficie, es decir intensidad radiante (w/m2)
ζ= Transmitancia de la cubierta transparente α= Absortancia de la placa absorbedora U= Coeficiente global de pérdidas (w/m2 ºC)
tc = Temperatura media de la placa absorbente (ºC)
ta = Temperatura ambiente (ºC)
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Los ensayos de los colectores suelen realizarse en el exterior, en días claros, cerca del mediodía solar, o bien en el interior, mediante un simulador solar.
La temperatura media de la placa absorbente no puede calcularse de forma simple. Deberíamos colocar una serie de sensores térmicos convenientemente distribuidos.
Por el contrario, si puede conocerse con suficiente exactitud la temperatura media tm del fluido caloportador. Simplemente se
halla la media entre la temperatura de entrada y salida del fluido que circula por el colector.
No todo el calor absorbido en la superficie absorbedora pasa al líquido para transformarse en energía térmica útil Q.
Si queremos sustituir la temperatura de la placa absorbedora, por la temperatura del fluido fácilmente calculable, habremos de introducir un factor correctivo FR, llamado factor de eficacia o
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El Factor FR es prácticamente independiente de la intensidad de la
radiación incidente , de la temperatura media de la placa y del ambiente, pero es una función del caudal del fluido y de las características de la placa ( material, espesor, distancia entre tubos, etc.)
La ecuación (2) se transforma en:
Q= FR S [ I ζα – U (tm – ta) ]= S [FR I ζα –FRU (tm – ta) ]=
Q
=S [F
RI ζ
α –
U
L(t
m– t
a) ]
Conocida como ecuación de Bliss, en la que el coeficiente de pérdidas U se transforma en UL mediante la equivalencia UL= FR U
A veces por simplicidad, se prescinde de los subíndices en FR y UL
denotándolos como F y U respectivamente.
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CURVA CARACTERÍSTICA DE UN COLECTOR PLANO: RENDIMIENTO INSTANTÁNEO
Los colectores se ensayan siguiendo un procedimiento que consiste en hacerlos funcionar en un banco de pruebas bajo unas condiciones estables de radiación solar (simulada mediante un radiador de energía electromagnética de espectro muy parecido al solar y con una incidencia normal al colector), velocidad del viento, temperatura del fluido a la entrada y temperatura ambiente.
La eficacia del colector, ŋ, se define como la relación entre la energía captada y la recibida en un instante dado.
ŋ=Q/SI
Sustituyendo Q por su valor, según la ecuación de Bliss, resulta:
ŋ=Q/SI= S [FR I ζα – UL(tm – ta) ]/SI
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Para un caudal determinado, suponiendo ζα y UL constantes, la
ecuación de esta curva característica del colector puede asimilarse con bastante exactitud a la de una recta en la que la variable en el eje de abscisas es (tm – ta)/I y cuya pendiente es UL.
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La ordenada en el origen, esto es, el punto en el eje de ordenadas donde la recta corta a dicho eje, vale FR ζ α
Estas curvas características han de ser facilitadas por el fabricante. Un colector será tanto mejor cuanto mayor sea el valor de su ordenada en el origen FR ζ α y menor el de la pendiente UL
La ecuación de la recta representada en la figura anterior puede ser escrita, simplificando la notación, de la siguiente manera:
ŋ=b-mx
Donde:
m=UL (pendiente)
b= FR ζ α (ordenada en el origen)
x= (tm – ta)/I (variable representada en el eje de abscisas)
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Los fabricantes americanos suelen suministrar la ecuación del rendimiento de los c.p.p utilizando como variable la temperatura de entrada del fluido en el colector, en vez de la temperatura media como suele ser más frecuente en Europa.
Normalmente, los folletos técnicos suministrados por el fabricante, se utiliza la ecuación (3), es decir, el rendimiento se expresa en función de la temperatura media del líquido caloportador.
A modo de ejemplo si la ecuación se presenta de la forma siguiente: ŋ=0.79-6.8 (tm – ta)/I
Resulta que: b= 0.79 y m= 6.8
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Orientación e Inclinación de los Colectores
Los colectores han de situarse de tal forma que a lo largo del período anual de utilización aprovechen al máximo la radiación solar disponible.
Normalmente y siempre refiriéndonos al supuesto de que estén situados en el hemisferio sur, se orientan hacia el Norte.
Desviaciones de hasta 20º respecto a la orientación Norte, no afectan significativamente al rendimiento y a la energía térmica aportada por el equipo solar.
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Distancia Mínima entre Colectores
La separación entre líneas de colectores se establece de tal forma que al mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del período de utilización, la sombra de la arista superior de una fila ha de proyectarse, como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente.
Existen formulas en diferentes bibliografías que permite calcular la distancia de separación entre colectores.
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Fluido Caloportador
Es aquel que pasa a través del absorbedor y transfiere a otra parte del sistema la energía térmica absorbida. Se pueden utilizar cuatro tipos diferentes de fluidos:
1-Agua natural
2-Agua con adición de anticongelante
3-Líquidos orgánicos sintéticos o derivados del petróleo 4-Aceites de silicona
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Protección contra la congelación y ebullición
Para eliminar el riesgo de congelación y ebullición es preciso proveer a las instalaciones de las protecciones necesarias.
Protección contra la congelación:
Durante la noche las instalaciones solares están paradas, ya que los colectores no reciben ninguna energía. Están expuestos a la congelación durante el invierno y es preciso tomar las debidas precauciones para evitar su deterioro. En regiones con condiciones extremas se emplean los siguientes métodos:
1-Paro total de la instalación durante el invierno.
2-Calentamiento de los colectores por recirculación del fluido, tomando el calor del almacenamiento térmico o mediante una energía de apoyo.
3-Utilización de un fluido anticongelante.
4-Vaciado de los colectores en caso de riesgo de congelación.
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Protección contra la ebullición:
Las subidas de temperatura excesivas pueden producirse en las instalaciones que están fuera de servicio, ya sea temporal o permanentemente, como ocurre durante el verano, o bien cuando una ausencia temporal de los usuarios suprime toda extracción de agua caliente.
El riesgo se sitúa en dos puntos: 1-En los colectores
2-En el almacenamiento
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Almacenamiento: Acumuladores
Es obvio que la necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que obtenemos del sol, por lo que es absolutamente imprescindible disponer de un sistema de almacenamiento que haga frente a la demanda en momentos de poca o nula insolación.
Acumuladores de A.C.S.
Almacenar energía mediante agua caliente tiene indudables ventajas: Es barata, fácil de manejar y tiene una alta capacidad calorífica.
La elección del material para el tanque depende de varios factores, como el tipo de aplicación, lugar de instalación, coste, vida media calculada y facilidad de mantenimiento.
Los materiales que se usan normalmente son: acero, acero inoxidable, aluminio y fibra de vidrio reforzada.
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-El acero, de costo accesible, necesita protección interior contra la corrosión, ya sea mediante la aplicación de pintura denominada comercialmente tipo “epoxi”, vitrificado, con ánodo anticorrosión de magnesio, o galvanizado en caliente, en cuyo caso la temperatura de almacenamiento no debe sobrepasar los 65ºC.
-El acero inoxidable es sin duda el mejor material. Tiene todas las ventajas y ningún inconveniente, excepto el de ser bastante caro.
-El aluminio es accesible de precio, pero presenta graves problemas de corrosión, por lo que no es muy aconsejable.
-La fibra de vidrio reforzada y los plásticos parecen los materiales más adecuados en un futuro próximo, ya que su precio puede disminuir con la masificación. Son resistentes a la corrosión, pesan poco y son fáciles de mantener.
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El agua disminuye su densidad al aumentar la temperatura, por lo que cuanto mayor sea la altura, mayor será la diferencia entre la temperatura en la parte superior e interior del depósito, es decir, mayor la estratificación.
De la parte de arriba del tanque extraemos el agua para consumo, mientras que el calentamiento solar lo aplicamos en la parte baja, con lo que hacemos funcionar los colectores a la mínima temperatura posible, aumentando su rendimiento.
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Dimensionamiento de Acumuladores de A.C.S
El dimensionado del acumulador constituye un factor decisivo en el diseño de un equipo solar y depende de:
1-Superficie de colectores instalada
En base a estudios teóricos y experimentales reflejado en la figura
A, en la que se observa que el volumen óptimo de acumulación está en torno a los 70 litros por cada metro cuadrado de colector. Valores mayores no conducen a % significativamente superiores en cuanto al aprovechamiento de la energía solar incidente y, por contra, el coste del acumulador aumenta.
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Si la acumulación es menor, se consiguen mayores temperaturas, en detrimento del rendimiento del equipo, y si es mayor, aunque sube el rendimiento, se corre el peligro de no alcanzar la temperatura de uso.
Figura B
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2-Temperatura de utilización
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AISLAMIENTO
En una instalación se emplea el aislamiento en tres lugares: *parte posterior del colector
*tuberías
*depósito de almacenamiento
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Otros Elementos
A las instalaciones de energía solar térmica han de incluir elementos de seguridad y otros que se colocan para obtener un mejor rendimiento de la instalación.
Depósito de expansión
Con el propósito de absorber las dilataciones del agua, las instalaciones de agua caliente sanitaria deben equiparse con depósitos de expansión.
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Esquema de Instalación de Depósito de Expansión
Abierto
Las instalaciones en circuito abierto a la atmósfera se equipan con
depósitos de expansión abiertos que se sitúan por encima del punto más alto de la instalación. No deben existir ningún órgano de cierre (válvula) en los tubos de seguridad que comunican los colectores con el depósito de expansión.
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Depósito de Expansión Cerrado
Las instalaciones de energía solar térmica tienden a efectuarse con circuito cerrado, utilizando depósitos de expansión cerrados.
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Purgador
El purgador es el elemento encargado de evacuar los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador. Debe colocarse en el punto más alto de la instalación, que es donde se acumulan los gases al separarse del fluido.
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Desaireador
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Válvulas Anti-retorno
Una válvula anti-retorno es aquella que sólo permite el paso del fluido en un sentido, impidiendo la circulación en el contrario.
Este tipo de válvulas producen poca pérdida de carga. Se suelen colocar para evitar la recirculación por termosifón inverso, como se observa en la figura.
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Válvulas de Paso
Son elementos encargados de interrumpir total o parcialmente el paso del fluido por las tuberías.
Las válvulas de cierre total se utilizan para separar una parte de la instalación o aislarla del servicio, mientras que las de cierre parcial sirven para regular el caudal o de equilibrar la instalación. Existen de diferentes tipos: de asiento, de compuerta, de mariposa y de bola.
De Bola
De Mariposa
De Asiento
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Grifos de Vaciado
En algunas ocasiones, para operaciones de mantenimiento o reposición de algún elemento averiado de la instalación, es necesario vaciar el circuito. Para conseguirlo con rapidez y comodidad, es preciso colocar en la parte inferior del circuito una llave de paso conocida como grifo o válvula de vaciado.
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