Читать книгу Replanteo de instalaciones solares térmicas. ENAE0208 - S. L. Innovación y Cualificación - Страница 31

La inmensa mayoría de los captadores solares planos disponibles a la venta tiene una cubierta transparente, de material aislante térmico en la parte posterior y en los laterales, de un absorbedor metálico y de una carcasa exterior rectangular donde se ubican los elementos anteriores. Posee dos o cuatro conexiones hidráulicas, que se sitúan en el exterior. Estas son por las que entra y sale el fluido.

Un captador plano al que le quitamos la cubierta de cristal puede variar su peso entre 8 y 12 kg por metro cuadrado. Sin embargo, si no le quitamos la cubierta de cristal, el peso varía de 15 a 20 kg/m².

Otro elemento fundamental del captador solar plano es el absorbedor. Este consta de una lámina o de varias aletas metálicas, las cuales poseen muy buena conductividad térmica. También posee unas tuberías metálicas por las que circula el fluido caloportador. Para mejorar el traspaso de calor, dichas tuberías metálicas deben presentar un buen contacto con la lámina metálica. Las láminas o aletas tienen revestimientos exteriores, cuyo objetivo es el de aumentar la relación entre el flujo de radiación absorbida y reducir la emisividad del absorbedor.

De toda la radiación incidente, una pequeña parte es reflejada y el resto es absorbida y transformada en calor, el cual se transporta por el fluido caloportador que circula por las tuberías. Este calor transportado es transmitido al agua contenida en los acumuladores, muchas veces de forma directa y otras de forma indirecta a través de un intercambiador. El absorbedor debe tener siempre mucha capacidad para absorber la radiación solar y muy poca para emitir, así se puede obtener un mayor rendimiento en la energía térmica aportada por este. Para poder conseguir este mayor rendimiento, la parte frontal del absorbedor se trata con un revestimiento selectivo que hace mínima la radiación térmica infrarroja y optimiza la transformación de radiación solar en energía térmica.

Las electrodeposiciones de níquel negro o de cromo son los tipos de revestimientos usados normalmente. Pero hoy en día, podemos encontrar nuevos revestimientos, los cuales nos dan valores de absortancia similares y unos valores de emisividad más bajos. Estos revestimientos se basan en materiales cerámicos y metálicos, están en estado casi gaseoso y poseen espesores muy finos.

Al utilizar estos revestimientos se pueden usar láminas absorbedoras más anchas y requieren menos consumo energético. Una ventaja importante es que estos absorbentes consiguen niveles de temperatura superiores en condiciones de estancamiento. También se puede observar que, con este tipo de revestimiento, el rendimiento energético es superior cuando se trabaja con temperaturas elevadas o cuando tenemos menor irradiancia solar sobre los mismos. Cuando hablamos de una radiación solar de longitud de onda corta, podemos distinguir las distintas partes en las que se descompone dicha radiación cuando esta incide sobre la superficie de un colector:

1 Reflectancia (μ): es la proporción de radiación solar reflejada hacia el exterior del colector. Es igual a la radiación reflejada dividido por la radiación incidente.

2 Absortancia (α): es la proporción que absorbe la superficie. Equivale a la radiación absorbida dividida por la radiación incidente.

3 Emisividad (β): equivale a la radiación emitida dividida entre la radiación de un cuerpo negro a la misma temperatura.

4 Transmitancia (∂): es la proporción de radiación solar que atraviesa la superficie. Es igual a la radiación transmitida entre la radiación incidente.

Definición

Fluido caloportador

Fluido que transporta calor de un lugar a otro a través de una tubería. El fluido caloportador absorbe el calor de una parte de la instalación para cederlo en la zona de dicha instalación que se quiera calentar.

Cualquier material refleja, absorbe o transmite siempre la radiación incidente sobre él. El valor de los mismos será en cada caso distinto dependiendo del tipo de material que tengamos pero, entre estos factores, siempre se cumple la siguiente relación que verifica una vez más el principio de conservación de la energía:

Según el tipo de material, la cantidad de radiación reflejada varía mucho su valor. Por ejemplo, las superficies de color oscuro reflejan menos la radiación que las que son de color claro. También, la cantidad de radiación reflejada depende, en el caso de las cubiertas de cristal, del ángulo de incidencia que estas tengan con dicha radiación.

Los absorbedores metálicos de hoy en día suelen ser de cobre. El absorbedor debe transferir el calor a las tuberías de forma adecuada, es decir, de forma duradera y teniendo una alta eficiencia. Este es uno de los requisitos que debe cumplir el buen diseño de un absorbedor.

El acero presenta mayores problemas de corrosión. Por ello, no se recomienda para hacer tuberías. Hoy por hoy, algunos fabricantes, con el fin de reducir el peso y el coste de la instalación, están realizando las tuberías con cobre y láminas de aluminio. Dependiendo de la configuración de las tuberías, se pueden distinguir diversos tipos de absorbedores: con parrilla de tubos y con serpentín. En ambas configuraciones se debe cumplir un buen equilibrado hidráulico, ya que el fluido debe circular a la misma velocidad por todas las partes. Si no, el rendimiento del captador disminuiría. También ambas configuraciones deben tener una circulación turbulenta del fluido para favorecer la transferencia de calor.

Absorbedores con forma de parrilla de tubos

A este tipo de captadores corresponde la mayoría de los comercializados hoy en día. En estos captadores, los absorbedores están constituidos por una serie de tuberías paralelas que se unen a los conductos de distribución, formándose así la parrilla de tubos. Entre las tuberías, la distancia de separación resulta del compromiso entre la minimización de los costes de producción y la maximización del calor transferido al fluido de trabajo. Habitualmente, esta distancia tiene un rango de 10 a 12 cm. Este absorbedor tiene una pérdida de carga pequeña debido a todo el recorrido por el absorbedor que hace el fluido. Por ello, es conveniente utilizar este colector en instalaciones que requieran poca pérdida de carga, como por ejemplo las de termosifón. Pero un factor que se debe tener en cuenta son las pérdidas de equilibrio hidráulico, ya que por cada tubería paralela pueden circular caudales distintos, y crear desequilibrios hidráulicos no aceptables. Dependiendo de la relación entre las pérdidas de carga en las tuberías verticales y la correspondiente a los conductos de distribución, el caudal de circulación a través del absorbedor tendrá una distribución u otra. Siempre se recomienda que la pérdida de carga en los conductos de distribución ascienda como máximo al 30 % de la pérdida de carga en una tubería vertical. Esto se realiza para que los caudales por cada una de las tuberías paralelas sean lo más parecido posible, por no decir iguales.

Dentro de este tipo de absorbedores, también podemos distinguir distintas clases: pueden ser longitudinales o transversales. El transversal es más complejo en su fabricación, ya que tiene más puntos de soldadura, pero su uso mejora la integración arquitectónica de la instalación. Entre las parrillas de tubo que se encuentran conectadas directamente a una única lámina metálica o a diversas aletas metálicas, las que se conectan a una única lámina reducen las pérdidas por convención.

Recuerde

El acero presenta problemas de corrosión, por ello, no se recomienda para hacer tuberías.

El absorbedor integral está compuesto por tres conductos de distribución transversal y dos conjuntos de tuberías longitudinales. Por estas últimas es por donde circula el fluido. Por ello, se aumenta el salto de las temperaturas en el captador y se reduce el desequilibrio hidráulico. Poseen entradas y salidas al captador a la misma altura, punto que facilita la integración arquitectónica.

Absorbedores de tipo serpentín

La tubería de este tipo de absorbedor es básicamente un único tubo con forma de serpentín. El fluido circula únicamente por esta tubería eliminándose así las pérdidas de equilibrio hidráulico dentro de un mismo captador. Si consideramos la misma cantidad de agua circulando por el conjunto del absorbedor, la pérdida de carga en el absorbedor tipo parrilla es menor que en el absorbedor tipo serpentín. Esto se debe a que el caudal que circula por la parrilla es menor que el que circula por el de tipo serpentín. Los cambios de dirección en este tipo de absorbedores también benefician la pérdida de carga. Los absorbedores tipo serpentín no son recomendables para las instalaciones solares por termosifón.

Aislamiento térmico

Para evitar las pérdidas térmicas tanto en la parte posterior de la carcasa como por los laterales, el captador debe ser aislado adecuadamente. Siempre es recomendable instalar materiales aislantes que soporten altas temperaturas, debido a que el captador cuando está estancado puede alcanzar temperaturas entre 130 y 240 °C. También deben presentar las siguientes características:

1 Por la acción del calor no se deben desprender vapores, así se disminuyen las propiedades ópticas.

2 No puede aumentar su volumen por presencia de humedad, ni tampoco debe perder las propiedades aislantes.

Hoy en día se utilizan paneles laminados de poliuretano rígido expandido que, además de producir el aislamiento térmico, también aportan un soporte rígido a la estructura del captador. Además del poliuretano, en la actualidad se emplean materiales aislantes como la lana mineral, la lana de roca y la fibra de vidrio. Una de las desventajas del poliuretano es que tiene problemas para resistir temperaturas superiores a los 130 °C. Por ello, a la hora de realizar una instalación con este tipo de aislante, entre el absorbedor y el poliuretano se coloca una capa de lana mineral, eliminando el riesgo de que la instalación sufra daños por altas temperaturas. Los captadores también presentan pérdidas en la cara frontal, por lo que en determinadas ocasiones se utilizan unos aislantes térmicos llamados TIM, que son transparentes. Estos aislantes reducen las pérdidas por convección, pero disminuyen la trasmitancia global.

Revestimiento antireflexivo

En la actualidad existen revestimientos antireflexivos cuyo porcentaje llega hasta el 96 %. Dicho valor se obtiene a través de un tratamiento químico en la cubierta que incrementa su rugosidad y así disminuye el índice de reflexión. Estos son necesarios, ya que normalmente las cubiertas tienen índices de reflexión, en la parte superior y en la inferior, con un valor aproximado del 4 %. Con este tratamiento, el rendimiento del captador aumenta. Estos tipos de revestimientos han sido sometidos a ensayos donde se observa que poseen bajos niveles de emisiones a la atmósfera y que tienen buena durabilidad y estabilidad.

Juntas

Evitan la entrada de partículas y de agua en la parte interior del captador. Los tipos de materiales que se usan para las juntas son silicona, EPDM o goma. En las partes de entrada y salida del captador con las tuberías, las juntas deben soportar una temperatura máxima aproximada a los 200 °C, por ello se emplean juntas de silicona o de fluorocaucho.

Sabía que...

La energía solar es renovable, inagotable, limpia y respetuosa con el medioambiente. Contribuye a la reducción de las emisiones de de CO₂ y otros gases de efecto invernadero, ayudando a cumplir con los acuerdos adoptados en el Protocolo de Kioto.

Vainas

Cuando el tipo de instalación es forzada, se debe colocar un sensor de temperatura, para poder gobernar el sistema de control. Este sensor se introduce en el interior de una vaina, la cual se coloca en la parte superior del interior del captador. Otros captadores llevan incorporada una vaina de inmersión para que, como hemos dicho anteriormente, se coloque el sensor de temperaturas. También podemos encontrarnos el sensor colocado directamente sobre el absorbedor.

Nota

Una vaina para sonda de inmersión puede tener entre 100 y 200 mm.

Principio de funcionamiento de un captador solar plano

El funcionamiento de un captador solar plano se basa en el efecto invernadero. La radiación solar incide con longitud de onda corta sobre la cubierta del captador. Parte de toda la onda es reflejada, entre un 4 y un 6 %, el resto es absorbida ya que, al calentarse el absorbedor, este emite radiación de onda larga y no puede salir al exterior debido a las propiedades ópticas de la cubierta, transformando así la radiación solar incidente en energía térmica. En la parte posterior y en los laterales se encuentra el aislamiento térmico que produce una reducción de las pérdidas de temperatura por conducción. También, y de manera similar, la cubierta transparente, situada en la parte frontal, se encarga de reducir las pérdidas de temperatura por convección pero, a pesar de ello, esta zona es por donde se producen más pérdidas de temperatura.

Sabía que...

Los captadores planos protegidos son los que más se usan, tienen la mejor relación costeproducción de calor.

Resumiendo, un captador solar debe cumplir una serie de requisitos básicos:

1 Transmitancia elevada.

2 Transmitancia baja en onda larga.

3 Emisividad baja.

4 Absortancia elevada.

5 Adecuado aislamiento.

Características principales:

1 Son fáciles de montar.

2 El coste de estos tipos de captadores es inferior al de otros más complejos.

3 Elevada durabilidad.

4 Buena relación entre el precio y la calidad.

5 Para el montaje sobre tejado plano, necesita de estructura soporte.

6 Tienen mal comportamiento cuando se trabaja a temperaturas elevadas.