CONCEPTOS DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

    La energía solar térmica se fundamenta en aprovechar la radiación solar para calentar el agua. Para conseguir dicho objetivo, podemos  utilizar el colector de placa plana o colectores de vacío – en adelante, al panel solar térmico lo denominaremos colector o captador-.

Colector de placa plana:-

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   El típico captador está constituido por el despiece que se puede observar en la figura, gran parte de los rayos solares incidentes atraviesan la cubierta protectora -generalmente son de vidrio- para luego, calentar la placa absorbedora como consecuencia de la transformación de la energía electromagnética en térmica. El absorbedor suele estar construido por tubos de cobre o aluminio conectados al circuito de la instalación. La lámina reflactante tiene por objeto devolver parte de la radiación que ha traspasado el absorbedor hacia el vidrio de la cubierta protectora. Ahora es el propio vidrio quien se calienta y comienza también a emitir radiación, donde aproximadamente la mitad se difunde hacia el exterior. perdiéndose, pero la otra mitad vuelve hacia el interior y contribuye a calentar aún más la superficie del absorbedor. Este fenómeno es lo que se conoce como efecto invernadero.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La figura superior muestra la incidencia de la radiación total y el aprovechamiento efectivo trasmitido al absorbedor del captador solar. Los valores indicados son meramente orientativos, ya que éstos dependen de diversos factores (Transmitancia del vidrio, rendimiento, tipo de placa absorbente, etc.). De cualquier manera el rendimiento está en torno a un 40 %.-

Rendimiento de un colector:

      En la figura inferior se muestra la recta -realmente es una curva muy cercana a una recta- que define el rendimiento de un colector.

    En el eje de ordenadas figuran los rendimientos y en el de absisas la temperatura. La expresión matemática es: R = b – mX.= b – (Tm – Ta)/ I (1)

donde b= Rendimiento optico (en la figura tendría un valor aproximado de 0.78). Valor dado por el fabricante.

m= pendiente de la recta. Valor dado por el fabricante.

X= (Tm – Ta)/I ,

Tm = temperatura media del agua a su paso por el absorbedor. Viene a ser la misma que la temperatura de utilización.

Ta = temperatura del aire exterior.

I = radiación incidente total sobre el colector (W/m2).

      De la ecuación del rendimiento desprende que un colector será tanto mejor cuanto mayor sea el valor «b» y menor el de la pendiente «m», siendo este segundo factor más relevante que el primero pues representa la «facililidad» con que el capatador pierde su calor hacia el exterior. Para entender este concepto, observemos una comparación entre dos colectores A (color azul) y B (color naranja) dando valores a la ecuación del rendimiento :

    Por ejemplo,  las características técnicas de los captadores a comparar leemos que los valores de rendimiento óptico (algunos fabricantes lo llaman factor de ganancia o eficiencia) son 0.88 para el A y 0.67 para el B. Y el valor de m, denominado por los fabricantes como factor de pérdidas o coeficiente de pérdidas, son 9,2 y 3,1 respectivamente. Suponiendo que la temperatura ambiente es de 25ºC, la radiación solar es 800 w/m2 y que queremos obtener agua caliente sanitaria a 60ºC, llevamos todos esos valores a la ecuación (1) y quedaría:

Para A, R = 0,88 – 9,2 * (60 – 25)/800 = 0,48  y para B, R = 0,53                                          

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     Estamos en los puntos 1A y 1B respectivamente, donde vemos gráficamente que en ese punto el rendimiento del captador B es superior al A. Efectivamente, 0,53 > 0,48.

    Para una temperatura de utilización del agua de 53 ºC, estaríamos en el punto 2, donde se cruzan ambas rectas. El rendimiento es igual para ambos captadores. Si damos valores a la ecuación (1), veremos que ambos dan el mismo valor:

Para A, R = 0,88 – 9,2 * (53 – 25)/800 = 0,56                                                                           Para B, R = 0,67 – 3,1 * (53 – 25)/800 = 0,56

   Para una temperatura de utilización del agua de 45 ºC, estaríamos en los puntos 3A y 3B de las respectivas rectas. Gráficamente vemos como ahora el rendimiento del captador  A es superior al B. También lo podemos comprobar numéricamente aplicando la ecuación (1), dando el valr de 45 a Tm. Los valores de rendimientos serían 0,65 y 0,59 para A y B  respectivamente.

    Vemos pues que para instalaciones donde se precise temperaturas muy bajas – caldeo de piscinas y muy poco más- nos convienen captadores con alto rendimiento óptico. En cambio, para obtener temperaturas por encima de 40 ºC nos convienen captadores con bajo valor de «factor de pérdidas» – valor de «m» en la ecuación.

    Para mayor facilidad, sería conveniente hacer todas estas operaciones en una hoja de cálculo. Así podremos ver también como influye en el rendimiento todos los valores variables de la ecuación (Tm, Ta, e I). Por ejemplo, la radiación solar es máxima al mediodía, pudiendo tener valores cercanos a 1000, entonces el rendimiento del colector será alto, o radiación solar baja durante las primeras horas de la mañana y últimas de la tarde, momentos en que el rendimiento es bajo.

    Colectores de vacío:

    En el colector de placa plana hemos visto como, la conversión de la energía radiante del sol en energía térmica lleva asociada una pérdidas por radiación, convección y conducción, cuyo efecto es la progresiva disminución del rendimiento a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre la placa absorbedora y el ambiente, tal como hemos visto en los ejemplos numéricos en aplicación de la ecuación del rendimiento. En un colector de placa plana se pueden reducir éstas pérdidas poniendo una cubierta doble de vidrio o mediante tratamientos selectivos de la placa.

      Para obtener unas pérdidas térmicas notablemente bajas hay en el mercado los llamados tubos de vacío. Se fundamentan en reducir las pérdidas por convección y radiación haciendo un vacío en el interior del captador. Debido a la presión atmosférica, que produciría unas fuerzas muy grandes al aplicarse a toda la superficie de la cubierta, y a los problemas técnicos relacionados con el sellado de la carcasa del colector, la construcción de un colector de vacío con la forma de uno convencional de placa plana entraña gran dificultad. Sin embargo, la técnica del vacío empleada por los fabricantes de tubos fluorescentes, entre otros, se ha desarrollado hasta el punto de hacerlos rentables su producción en masa. Mediante la aplicación de esta tecnología, ha sido posible la construcción de los colectores solares de vacío que se comercializan en la actualidad. Debido a sus características geométricas, reciben el nombre de colectores tubulares de vacío.

El segmento rojo representa un colector de tubos de vacío, y el negro, un colector de placa plana.

     A la vista de esta tabla, se observa que los colectores de vacío encuentran su principal aplicación en los sistemas de temperaturas intermedias. Ideal para proporcionar calor a máquinas de aire acondicionado que empleen sistemas de absorción. También se emplean en instalaciones industriales donde se utilice agua caliente en torno a los 100 ºC y en lugares fríos con diferencias elevadas entre la temperatura del colector y la de el ambiente.                                                                                                                      Obsérvese en la tabla como el rendimiento óptico (valor «b» de la ecuación del rendimiento) disminuye a medida se aísla más el absorbedor del exterior; lo cual es lógico pues los rayos solares tienen que atravesar más elementos hasta llegar al absorbedor. Pero esta disminución del rendimiento óptico es ampliamente compensada por la disminución de pérdidas térmicas, tanto más cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura del absorbedor y la exsterior.

Colectores de vacío de flujo directo.

  En este tipo de colectores, en la placa absobedora , hay insertado un tubo coaxial de intercambio de calor, a través del cuál pasa el fluido caloportador., el cuál, entra por el interior del tubo coaxial y retorna por la cavidad exterior que está en contacto con la placa, elevando así su temperatura.                                                          Como se aprecia en la figura, los tubos se ensamblan de manera que cada uno de los intercambiadores coaxiales va conectado a las tuberías de entrada (fría) y salida (caliente).

Colectores de vacío con tubo de calor (» Heat Pipe»).

 En este tipo de colectores el intercambio de calor se realiza mediante la utilización de un tubo de calor (varilla de Heat Pipe). Consiste en un tubo hueco cerrado por los dos extremos, sometido a vacío y con una pequeña cantidad de fluido vaporizante (mezcla de alcohol) en su interior.                                                                                                    Cuando se calienta la parte del tubo donde se encuentra el fluido, este se evapora absorbiendo calor latente de vaporización . Este vapor se desplaza hasta alcanzar la parte del tubo que se encuentra a menor temperatura, produciéndose allí su condensación y la consiguiente liberación de calor latente asociado a este cambio de estado. El líquido retorna por capilaridad o debido a la acción de la gravedad (caso de los colectores solares), y el ciclo evaporación-condensación se repite.