Colector solar de tubos evacuados

Mientras que los colectores de placa plana están fabricados esencialmente de la misma manera (…), los colectores de tubo de vacío varían ampliamente en su construcción y operación. Los colectores de tubos de vacío están construidos de un número de tubos de vidrio. Cada tubo está hecho de vidrio recocido y tiene una placa de absorción dentro del tubo, porque el tubo es la configuración natural de un colector evacuado. Durante el proceso de fabricación a fin de reducir las pérdidas de calor por conducción y convección, se crea un vacío dentro del tubo de vidrio. El único mecanismo de pérdida de calor restante es la radiación. La ausencia de aire en el tubo crea un excelente aislamiento, lo que permite que deban alcanzarse temperaturas más altas en la placa de absorción. A fin de mejorar la eficiencia del colector de tubos de vacío hay varios tipos de concentradores dependiendo de su radio cóncavo. La clasificación de los colectores solares evacuados se muestra en la Figura 5. Hay muchos diseños posibles de colectores

Posición en relación del Sol

Sin dispositivo de

seguimiento Seguimiento de un eje Seguimiento de dos ejes

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evacuados, pero en todos ellos se utiliza el recubrimiento selectivo del absorbedor, ya que con un absorbente no selectivo, las pérdidas por radiación predominarían a altas temperaturas, y la eliminación de la convección por sí sola no sería muy eficaz. (Jesko, 2008, pág. 25)

Figura 5. Clasificación de un colector de tubos evacuados.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 25)

Un tubo de calor proporciona la manera más elegante de la extracción de calor de un colector evacuado. El tubo de calor es herméticamente tubo sellado que contiene una pequeña cantidad de líquido de transferencia de calor. Cuando en una porción del tubo se calienta el líquido se evapora y se condensa en la parte fría, la transferencia de calor es con gran eficacia por el calor latente de condensación. El tubo de calor contiene una mecha o se inclina (o ambos) para asegurar que el líquido fluya nuevamente a la porción caliente para repetir el ciclo. Es fácil de diseñar un tubo de calor (por ejemplo, dándole la inclinación adecuada) para que funcione sólo en una dirección. Este efecto diodo térmico es muy útil para el diseño de colectores solares, porque automáticamente al colector lo desactiva y evita la pérdida de calor cuando hay radiación solar insuficiente.

Además, el tubo de calor tiene menor capacidad calorífica que los tubos absorbedores ordinarios llenos de líquido, minimizando así el calentamiento y las pérdidas de enfriamiento. (Jesko, 2008, pág. 26)

El mercado mundial de calentadores solares de agua se ha incrementado significativamente en la última década. Como consecuencia, se han desarrollado

Colector evacuado

Sin tubo de calor

Sin reflector

Tubo evacuado

cubierto

Tubo simple

Tubo en forma de U múltiple

Forma de U con aislante

Con reflector

Con tubo evacuado

Detras del tubo evacuado o reflector

de vértice

Con tubo de calor

Reflector dentro del tubo

Aleta metálica dentro del tubo

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tecnologías nuevas a gran escala y se han mejorado la calidad de los productos. El desarrollo de procesos de fabricación de bajo costo para los colectores solares de tubos evacuados ha sido la principal razón de los recientes cambios en el mercado del calentador solar de agua. Los colectores solares de tubos evacuados tienen mejor funcionamiento que los colectores solares de placa plana en particular para operaciones de altas temperaturas. Uno de los desarrollos más significativos es el uso de calentadores solares de agua de tubos evacuados con doble vidrio, cuál ahora comprende 65% de 6,5 millones m²/año del mercado del calentador solar de agua en China. La capacidad de producción de los tubos evacuados en China se estimó en más de 40000000 tubos/año el 2001 (China Industry, 2001). (Budihardjo & Morrison, 2009, pág. 257)

En China, los colectores solares de tubos evacuados son ampliamente utilizados para la calefacción de edificaciones y el calentamiento de agua, debido a su buen funcionamiento térmico, fácil transporte e instalación. Una investigación preliminar demostró que los colectores solares de tubos evacuados cubrieron el 88% del mercado el 2003 y se expande con un crecimiento promedio anual del 30% en estos últimos años en China. El 2001, la producción anual de los tubos solares evacuados en China fue alrededor de 200 millones, y alcanzó 2000 millones el 2007. El tubo solar evacuado consiste en dos tubos concéntricos sellados en un extremo con un espacio anular de vacío y un absorbedor selectivo en la superficie externa (en el vacío) del tubo interno.

Actualmente, los tubos solares ampliamente usados son los tubos de 47/58 (tubo interno de 47 mm y externo de 58 mm de diámetro), y los tubos 37/47 (tubo interno de 37 mm y externo de 47 mm de diámetro). (Tang, Gao, Yu, & Chen, 2009, pág. 1387)

Los calentadores solares de agua con cubierta de vidrio consisten de tubos de vidrio al vacío insertados directamente en el tanque de almacenamiento, con agua en contacto directo con la superficie del absorbedor. La dificultad principal con la aplicación de los colectores de tubos evacuados de vidrio es el problema de la extracción de calor del tubo absorbedor simple que es muy estrecho. Muchos métodos de extracción de calor como tuberías de calor, tubos insertados en U o colector/almacenamiento integrado en el tubo ha sido desarrollado, sin embargo, el método más útil es el concepto simple de vidrio en agua. La extracción de calor de tubo evacuado de vidrio en agua es por circulación natural del fluido entre el colector y tanque de almacenamiento. La limitación de este concepto es que sólo puede servir para un sistema de baja presión, porque los tubos sólo pueden resistir pocos metros de carga hidrostática. (Budihardjo & Morrison,

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Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. 83 (2009) , 2009, pág.

258)

En los calentadores de agua solares domésticos, los tubos solares son usualmente inclinados e insertados directamente introducidos al tanque de almacenamiento.

A diferencia de los colectores de placa plana, la radiación colectable anual en un solo tubo de los colectores se relaciona con muchos factores como el tamaño de tubos solares, distancia central entre dos tubos adyacentes, uso de tipo DFR, tipo de colector, distancia entre DFR y tubos solares, latitud del lugar y condiciones climáticas. La radiación colectable anual incrementa cuando la distancia central entre los tubos es mayor, para los colectores sin DFR el incremento es lento hasta cuando esta distancia es mayor a

D2

2,5 . Esto es porque cuando se incrementa la distancia central entre los tubos se reduce la sombra producida entre los tubos adyacentes y permite mayor incidencia de radiación en los DFR.

Para un colector con parámetros estructurales definidos, la radiación colectable anual sólo se relaciona a la latitud del lugar, ángulo de inclinación y azimut, también a las condiciones climáticas locales. Por consiguiente, para maximizar la colección anual de energía, los colectores deberían ser instalados con un ángulo de inclinación óptimo del horizonte. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, tales colectores usualmente son orientados hacia el sur, en el hemisferio norte, con un ángulo de inclinación igual o mayor que la latitud del lugar, algo así como un colector de placa plana. No obstante, los ingenieros solares adoptaron tales ángulos de inclinación sin cuestionar el saber de todo el mundo en colección de energía de tales colectores. En las pasadas dos décadas, el óptimo ángulo de inclinación de los colectores de placa plana fue ampliamente investigado por muchos investigadores, excepto para los colectores solares de tubos evacuados, tal trabajo fue raras veces reportado en las literaturas. (Tang, Gao, Yu, &

Chen, 2009, pág. 1387)

Un colector de tubos evacuados (ETC) es más ligeramente más eficiente que un sistema de placa plana debido a las menores pérdidas de calor.

Con menos pérdida de calor a través del vacío en los tubos evacuados, estos sistemas son más eficientes a temperaturas ambientes más bajos. Comparados con los colectores de placa plana, los colectores de tubos evacuados son menos caros. Requiere un área más pequeña del techo que los colectores de placa plana. Mantener el vacío es difícil en caso de los colectores de tubos evacuados. Para aplicaciones de bajas temperaturas, los

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colectores de placa plana son más eficientes que los colectores tubos evacuados. Para propósitos de alta temperatura, los colectores de tubos evacuados son más convenientes por su pérdida de calor mínima.

Figura 6. Tubo de vidrio de borosilicato.

Fuente: Elaboración propia

Los ETC se construyen para reducir la pérdida convectiva y de conducción de calor (el vacío es un aislante de calor). Cada tubo evacuado consiste de dos tubos del vidrio. El tubo exterior es de vidrio extremadamente transparente que puede capaz de resistir los cambios de las condiciones climáticas. El tubo interno también es de vidrio, pero revestido con un recubrimiento selectivo especial (ALN AIN-SS/CU) que presenta excelente absorción solar de calor y propiedades de reflexión de calor mínimas. El aire es evacuado del espacio entre los dos tubos de vidrio para formar un vacío.

Para mantener el vacío entre las dos capas del vidrio, un reductor de presión de bario es usado. Durante la construcción este reductor de presión se expone a las altas temperaturas que causan que la parte inferior del tubo evacuado sea revestida de una capa de bario puro.

Esta capa de bario absorbe activamente cualquier gas CO, CO2, N2, O2, H2O e H2 del tubo durante la operación y almacenamiento, así ayuda a mantener el vacío. (Vendan, Shunmuganathan, Manojkumar, & Shiva, 2012, págs. 539-540)

a) Parámetros de un colector de tubos evacuados.

Hay tres parámetros que necesitan ser definidos en la caracterización de un colector de tubos evacuados: eficiencia óptica, coeficiente de pérdida de calor del colector y modificadores del ángulo de incidencia (IAMs). Estos parámetros se determinan experimentalmente. La eficiencia óptica del colector con cubierta de vidrio para agua es alrededor de 0,536; determinada de las mediciones de ganancia de energía durante el

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mediodía solar cuando el nivel de la radiación y el ángulo de incidencia son aproximadamente estables. La eficiencia óptica de un tubo evacuado varía durante el día dependiendo de la configuración del arreglo de los tubos, es decir de las dimensiones del tubo, espaciamiento de los tubos y la distancia entre los tubos y el plano del reflector.

El coeficiente de pérdida de calor de los tubos evacuados varía con la temperatura. La eficiencia del colector es modelado como una ecuación de segundo grado, cuyos coeficientes se determina en pruebas individuales en los tubos solares. (Budihardjo &

Morrison, Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. 83 (2009) , 2009, pág. 53)

b) Flujo de circulación natural.

La razón de flujo de circulación natural a través de los tubos evacuados depende de un número de factores, los cuales son:

 Ingreso de calor por unidad de área del absorbedor. El ingreso de calor más alto da como resultado una variación de la densidad más alta entre las corrientes calientes y frías en el tubo, por consiguiente una presión más alta.

 Temperatura del tanque. La circulación natural a través del colector es debido a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y frío. Durante la operación a la temperatura más alta, la gradiente de la densidad del agua es más alta, o sea para un incremento de temperatura dado, el cambio de la densidad del agua es mayor.

También, la viscosidad del agua es más pequeña en altas temperaturas. Dentro del rango de operación del colector la variación de la viscosidad del agua es tan alta como un factor de tres.

 Inclinación del colector. La inclinación del colector determina los componentes axiales y radiales de la aceleración gravitacional. El componente axial de la gravedad conduce a la circulación natural primaria y el componente radial determina la circulación secundaria alrededor de la circunferencia del tubo. En general, la inclinación influye en la razón de flujo de la circulación natural.

 Razón longitud-diámetro del tubo. Este parámetro es incluido en la correlación del número de Nusselt por lo que influye en la transferencia de calor en el termosifón.

 La distribución de flujo de calor circunferencial. Variar la distribución de ingreso de calor alrededor de la circunferencia del absorbedor cambia la estructura de flujo en el tubo, y a su vez afecta la razón de flujo de la circulación. (Budihardjo &

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Morrison, Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. 83 (2009) , 2009, pág. 53)

Figura 7. Flujo de circulación natural de un calentador solar de agua de tubos evacuados.

Fuente: (Budihardjo & Morrison, 2009, pág. 50)

c) Descripción del colector solar de tubos evacuados.

El colector de tubos evacuados consta de las siguientes partes:

 Tubos al vacío: Encargados de transformar la radiación solar en energía térmica para calentar agua.

 Tanque de almacenamiento: Encargado de almacenar el agua caliente y mantenerla a la misma temperatura (hasta 72 horas) gracias a su aislamiento de poliuretano. No debe ser sometido a presiones superiores de 0,3 bar de la presión atmosférica.

 Controlador: Monitorea la operación del colector a través del registro de la temperatura promedio y nivel del agua en el tanque de almacenamiento.

 Sensor de nivel y temperatura.

 Tanque asistente: Funciona como alimentador de agua al tanque principal de almacenamiento del colector, cuando no se dispone de un tanque de agua elevado.

 Resistencia eléctrica: Permite que el colector se comporte como una terma eléctrica cuando hay exceso de usuarios o la radiación solar sea desfavorable en días prolongados de lluvia o nubosidad.

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 Estructura: Soporte del colector y tanque de almacenamiento.

d) Tipos de flujo de termosifón.

El flujo de termosifón puede ser diseñado como simple o doblefase, como se muestra en la Figura 8. Ambos pueden operar con flujo forzado o natural en el almacenamiento y distribución de agua doméstica. El tubo evacuado diseñado para el termosifón abierto de simple fase (figura 1.30a), consiste en dos tubos de vidrio de borosilicato concéntricos sellados en la parte inferior. El espacio anular entre los dos tubos es evacuado. El recubrimiento selectivo en el exterior del tubo de vidrio interno incrementa la absorción solar y reduce las pérdidas de calor por radiación. La absorción de calor en el tubo interno desarrolla un flujo flotante del agua hacia arriba del tubo y es desplazado por el agua frío del tanque. En la figura 1.30b, el tipo termosifón cerrado de doble fase por tiene un tubo de vidrio de borosilicato sellado y un tubo metálico sellado (mayormente de cobre) con un fluido de trabajo en él y una aleta metálica (mayormente de aluminio).

La longitud del tubo metálico está dividida en dos partes: sección inferior de evaporador y sección superior de condensador. El fluido de trabajo, en su estado líquido en la sección inferior, se vaporiza y eleva a la sección superior, donde el vapor se condensa y retorna a la sección líquida inferior por gravedad. Es el calor latente transferido al agua caliente en el tanque de almacenamiento. (Chow, Dong, Chan, Fong, & Bai, 2011, pág. 3467)

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Figura 8. Principio de operación de calentadores solares de agua de tubos evacuados: (a) Termosifón abierto de simple fase y (b) Termosifón cerrado de doble fase.

Fuente: (Chow, Dong, Chan, Fong, & Bai, 2011, pág. 3468)