Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 1 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm Energia Solar Sistema de captación solar Energia Solar Termica Función y valores característicos Diseno Pasivo El captador representa la “fuerza motriz” de la instalación. En su interior se calienta el fluido de trabajo gracias a la radiación solar, transfiriéndose el calor generado a través del circuito primario que, en la mayoría de los casos, se almacena en un acumulador. Casa Pasiva Según se vaya necesitando el calor pasa del acumulador al circuito de consumo. Sistema de captación Conceptos Componentes FV Todos los diseños tienen el objetivo común de convertir la radiación solar en calor con el mayor rendimiento posible. Los diseños de los captadores se diferencian considerablemente en cuanto a calidad, rendimiento, construcción y coste. De igual forma, los componentes, sistemas, diseños, etc., son de gran variedad, distinguiéndose entre ellos por estas características. Únicamente encontramos un elemento común en todos ellos: el absorbedor, este dispositivo que es el encargado de recoger la energía del Sol para calentar el fluido térmico. Obviamente tendrá Innumerables disposiciones y formas, si bien el conjunto aleta – tubo suele ser el más general. La aleta es solidaria del tubo por el que discurre el fluido, aumentando así en gran proporción el área de transferencia térmica del tubo. Curvas de rendimiento de los captadores Los captadores, como cualquier máquina, tienen un rendimiento, que relaciona energía recibida con energía devuelta, siempre menor que la recibida al descontar perdidas en el proceso de transformación. Un modelo matemático que se utiliza habitualmente es el descrito en la norma EN 12975, y que describe la curva característica del rendimiento de un captador. Desgraciadamente, todavía no existe un criterio estandarizado a nivel mundial, por lo que es muy importante comparar siempre características sobre la misma norma de ensayos, pues se puede ver incluso en algunos fabricantes, de dudoso prestigio, datos obtenidos de simulaciones. El ensayo de la norma EN 12975 representa el rendimiento en función del cociente entre la diferencia de temperaturas y la irradiancia, de esta forma obtenemos una sola curva para todas las irradiancias. No obstante, esta curva no es práctica para los profesionales. Si el rendimiento se representa en función de la diferencia de temperatura entre el captador y el ambiente, y se deja la irradiancia como parámetro, se obtienen curvas características diferentes para cada valor 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 2 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm de ésta, y así el técnico puede obtener fácilmente el rendimieto de la mperatura. Reflexión en la cubierta transparente Las curvas de rendimiento se aplican en caso de incidencia perpendicular de la radiación solar sobre la cubierta transparente del captador. La transmitancia de la cubierta del captador depende de las propiedades del vidrio, como la mayor o menor absorción de la radiación en el mismo, y de la reflexión en la superficie. Si un rayo incide perpendicularmente sobre la superficie, solo se reflejará una mínima parte de la radiación; sin embargo, cuanto más inclinada sea la incidencia, mayor será la reflexión. Otros valores característicos del captador Capacidad Térmica La capacidad térmica, C, del captador se determina en los ensayos según la norma establecida, y es una medida de inercia térmica, y por consiguiente de la rapidez de respuesta del captador durante el calentamiento y enfriamiento. Una capacidad térmica es ventajosa para las condiciones climáticas variables típicas. Pérdida de carga del captador La perdida de carga de un captador se determina para diferentes caudales en el marco de los ensayos EN 12975. Esta prueba se lleva a cabo generalmente usando agua, por lo que los valores obtenidos han de adaptarse a las mezclas anticongelantes que se suelen utilizar en el circuito primario. Este valor es de vital importancia en el dimensionado de los elementos para la circulación forzada, pues suele ser un error habitual en las instalaciones térmicas, tanto solares como convencionales, una mala estimación de las perdidas de carga del circuito. Temperatura de estancamiento Si el captador se expone a una irradiancia constante de 1000 W/m2 y a una temperatura ambiente de 30º C sin que circule fluido por el circuito primario (fluido estancado), hasta que se alcance el equilibrio entre la energía incidente y las perdidas térmicas, la temperatura máxima que se obtiene en este caso, según EN 12975, se denomina temperatura de estancamiento. Áreas de un captador Con el fin de calcular la energía solar útil especifica (kWh/m2) del captador, es importante definir cual de las áreas posibles es la que se emplea como área de referencia. Normalmente, según EN 12975 – 2, los valores característicos del captador se relacionan con el área de apertura, no obstante se puede referir el área del absorbedor, según ISO 9806 – 1 (1994) /25/. Área total, AG, es el área entre los límites exteriores del captador, generalmente los bordes externos de la carcasa del mismo. Área de apertura, Aa, es la superficie visible o abierta del captador para la radiación solar, y suele coincidir con el área de la cubierta visible. En el caso de los tubos de vacío sin reflectores es el producto del diámetro interno del tubo, la longitud del tubo y el número de tubos. Área del absorbedor, AA, en los captadores planos, así como en los 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 3 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm tubulares, es la suma de las áreas de las aletas y de las tuberías internas expuestas a la radiación. Área activa del absorbedor, AA, coincide generalmente con el área del absorbedor. En el caso que tuviéramos un captador con área del absorbedor mayor que el área de apertura, solo es área activa la que no esta sombreada. Los diversos laboratorios de ensayos relacionan los distintos tipos de captadores con unas u otras áreas. En consecuencia, se obtienen parámetros que no se pueden comparar directamente. Por esto es muy importante que para poder cotejar modelos nos refiramos siempre a resultados sobre la misma área de referencia y la misma norma de ensayo. Tipos de captadores El elemento fundamental para una instalación solar es el captador solar que, en la mayoría de los casos, cuando se encuentra cubierto por una cubierta transparente, tiene como uno de sus principios de funcionamiento el efecto invernadero. Una primera clasificación podría establecerse en función del tipo de cubierta que incorpore el captador, distinguiendo entre captadores vidriados y no vidriados. Captadores no vidriados Estos captadores son aquellos que no presentan cubierta que aísle al captador plano del exterior. Las pérdidas de calor son elevadas, siendo recomendado su uso solo en aplicaciones de baja temperatura, como el calentamiento de piscinas de aire libre. Suelen estar disponibles en el mercado en forma de mantas de polipropileno. Captadores vidriados Los captadores que están recubiertos por una cubierta, generalmente de cristal, propician que se produzca en su interior el efecto invernadero, presentando por ello un coeficiente de pérdida mucho menor y, por lo tanto, siendo susceptibles de aplicaciones que requieren un nivel energético mayor. En esta clasificación se encuentran los captadores solares planos, los CPC y los tubos de vacío, que son los que recogen prácticamente todo el grueso de aplicaciones. Colectores solares planos En los captadores planos, el absorbedor se encuentra generalmente protegido contra las perdidas por medio de un material aislante, generalmente lana mineral, y una cubierta transparente de vidrio. Actualmente se está utilizando una cubierta denominada “vidrio solar”, de bajo contenido en hierro, endurecido, de alta transmitancia y de reflectancia baja. En el marco se suele utilizar aluminio, y para las partes traseras materiales de aislamiento térmico laminados con aluminio, telas asfálticas o láminas de aluminio, acero inoxidable o galvanizado. Existen captadores de pequeño tamaño (menos de 2 m2) que vienen completamente terminados, y captadores grandes (hasta más de 10 m2) que suelen venir con la cubierta por separado para montar una vez terminada la instalación. Tipos de captadores solares planos 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 4 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm Un captador solar plano es un captador vidriado que tiene el absorbedor protegido por una cubierta plana. Los captadores solares planos tienen una serie de ventajas: Estructura robusta y sencilla. Suficientemente contrastado desde un punto de vista técnico. Relación favorable entre el precio y el rendimiento. Atractivo desde un punto de vista estético, debido a las superficies planas y tintadas que existen hoy en día. Los captadores se diferencian entre sí por muchas de sus características constructivas, rendimientos, aislamientos, conexiones, cubiertas, vida útil, etc. Existen algunos tipos especiales de captadores planos, como los de aislamiento térmico transparente (TIM), que tienen rendimientos muy altos gracias a un tipo especial de aislamiento transparente en forma de panal de abeja, y además tienen que incluir más cantidad de material aislante. Son más caros y pesados, pero sus rendimientos elevados los pueden hacer interesantes si se terminan de producir con cierta escala. Con el fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, en los tubos de vacío se elimina el aire de modo semejante a como se hace en las paredes de los termos. El grado de vacío desempeña un papel importante en la disminución de las pérdidas térmicas. Otra posibilidad es sustituir el aire de los tubos por otro tipo de gases. Industrialmente aumentar el grado de vacío incrementa el costo del tubo, por esto, se sustituye el aire por otro gas (argón, criptón, xenón, etc.) y se disminuye el grado de vacío, lográndose similares coeficientes de pérdidas térmicas. Puesto que se reducen las pérdidas térmicas considerablemente, obtenemos temperaturas más altas que en los colectores planos, y esto nos obliga a cambiar el fluido de trabajo, pues fácilmente se pasa en él de más de 100 ºC. Además de seleccionar un fluido de trabajo adecuado a estas condiciones, el sistema de tuberías, control, etc. debe de estar preparado para estas condiciones de trabajo. Al utilizar este tipo de captadores tenemos: Ventajas - Inconvenientes Pueden alcanzar temperaturas de trabajo superiores a las de los captadores planos, de este modo pueden utilizarse en procesos industriales y para climatización solar. Temperaturas de estancamiento elevadas y altas cargas térmicas de todos los materiales cercanos a los captadores, así como del fluido de trabajo, lo que puede dar lugar con bajas presiones a posibles vaporizaciones. Pérdidas térmicas reducidas en comparación con los captadores planos. Costes superiores de la energía solar útil obtenida a un nivel de trabajo medio, debido a que el mayor rendimiento se presente únicamente a 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 5 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm temperaturas de trabajo superiores. Flujo directo En este tubo de vacío el fluido de trabajo del circuito primario pasa directamente a través del tubo, que está soldado a una aleta absorbedor, de modo similar a lo que ocurre en muchos captadores planos. El conjunto de la aleta y el tubo por el que discurre el fluido de trabajo se halla embutido en una ampolla de cristal, que lo aísla del exterior. Heat Pipe Se trata de un tubo de calor sobre el que se monta el absorbedor encargado de captar la radiación solar incidente sobre el tubo de vacío. Por el interior del tubo solo circula una pequeña cantidad de fluido que se evapora bajo la acción de la radiación solar ascendiendo hacia la parte superior, y condensando al ceder calor al fluido frío que pasa por el distribuidor, situado generalmente en la parte más alta del equipo de captación. En contraposición a los tubos de flujo directo, este sistema requiere una inclinación mínima del captador en su montaje, que varía según fabricante, y que puede limitar su uso en función a criterios arquitectónicos. Sin embargo, este tipo de sistemas, se pueden utilizar para calentar distintos líquidos en procesos industriales, incluso alimentarios, pues el propio captador funciona como intercambiador de calor con el fluido caliente del tubo. Sydney El desarrollo de este tubo se formalizó como una doble ampolla, que evitase las posibles pérdidas de vacío a través de la unión vidrio – metal. La sustancia absorbente se deposita sobre el lado interno del cristal directamente. Este tipo de tubo a logrado un bajo precio en los sistemas de producción, y gracias a esto ha logrado un buen puesto en el mercado de las instalaciones domésticas, si bien su rendimiento es más bajo que otros tubos de vacío. CPC El captador de concentración cilíndrico – parabólico (CPC) se suele encuadrar como categoría propia, junto a los captadores planos y los tubos de vacío, pero no deja de ser un tubo de vacío, si bien se le añade un reflector para aprovechar el área del absorbedor donde el Sol no llega. Los reflectores se usan al mismo tiempo como concentradores, estando estos a la intemperie, lo cual a la larga les puede ocasionar perdidas de rendimiento por suciedad acumulada. Las comparaciones de captadores deben hacerse en función a los mismos parámetros, por esto indicamos que en este tipo de captador el área de apertura es mayor debido a los reflectores, pero el área del absorbedor es relativamente pequeña. Elementos comunes de los captadores Absorbedores La energía en la radiación solar se convierte en calor en el absorbedor. El fluido de trabajo circula a través de tubos finos, que forman parte del 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 6 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm absorbedor y transporta el calor obtenido hacia el acumulador o el consumo. El factor de eficiencia del captador describe la relación entre energía útil suministrada por un captador y la energía que podría suministrar si el absorbedor estuviese a la temperatura media del fluido en el captador. Los tubos del absorbedor no deberían estar demasiado separados, a fin de que la transferencia de calor desde la lámina metálica del absorbedor hacia el fluido de trabajo se lleve a cabo de forma óptima y uniforme en todo el área. En resumen, se intenta buscar un óptimo entre transferencia de calor, capacidad térmica y bajos costes de fabricación. Es fundamental que el absorbedor este realizado en materiales con buena conductividad térmica, utilizándose por este motivo láminas de cobre o aluminio. Otro punto importante es la buena transferencia de calor entre las láminas y los tubos del fluido térmico, así como entre las paredes del tubo y fluido en sí. Absortancia: Relación entre los flujos de radiación absorbido y recibido. Se diferencia la absortancia monocromática de la absortancia total, que corresponden a una sola longitud de onda y a un conjunto de longitudes de onda, respectivamente. Es muy importante que el absorbedor trabaje en sus condiciones de diseño, es decir, temperatura de fluido, caudales, presiones, etc. Una desviación en las condiciones de diseño se traducen en una pérdida de rendimiento del captador, algunas veces muy importante. Solo respectando estas condiciones lograremos un flujo uniforme dentro del captador y un rendimiento óptimo. Los materiales utilizados en los absorbedores son metálicos, aunque actualmente se está empezando a utilizar algunos polímeros en determinadas partes. El uso de aluminio con fluidos con inhibidores de corrosión ha demostrado no dar ningún tipo de problemas de uso. Esto ha propiciado que los absorbedores para captador plano de láminas de aluminio con circuito de acero inoxidable o cobre sean los más populares hoy en día. Las absorbedores fabricados con este material no dan ningún tipo de problema derivado de corrosión, siendo su vida útil de más de 20 años. Una vez que hemos visto que el material más empleado es el cobre junto con el aluminio, veremos que existen varios diseños para conformar el absorbedor. Tipo serpentín. Estos absorbedores presentan el inconveniente de la perdida de carga algo elevada, pues el fluido pasa solo por un único tubo con forma de serpentín. Sin embargo el fácil conexionado y la fabricación sencilla han hecho que gocen de cierta expansión. Tipo parrilla. Varios tubos finos paralelos unidos en ambos extremos a unos colectores, y cada tubo con su correspondiente aleta, dispuestos en forma de parrilla son su descripción genérica. Lograron gran cuota de mercado, principalmente por sus bajas pérdidas de carga y la posibilidad de utilizarse en captadores tipo termosifón. Tipo con circulación sobre área completa. El fluido pasa por todo el área del absorbedor al estar los tubos una distancia mínima entre sí, por este motivo las aletas individuales desaparecen y pueden aparecer láminas que cubren toda el área del absorbedor y que es la misma que ocupan los finos tubos. Se suelen alcanzar rendimientos mayores, pero el precio es todavía un elemento disuasorio, si bien están despertando 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 7 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm interés en los fabricantes. Los absorbedores están provistos de un recubrimiento que mejora su absortancia, pues al ser superficies metálicas reflejan la luz en un grado elevado. La alta absortancia en las longitudes de onda corta de la radiación solar y, al mismo tiempo, una baja emisividad en las longitudes de onda larga, deben de caracterizar un absorbedor selectivo eficiente. En los inicios de la industria solar, los absorbedores se recubrían con pintura negra sin ningún tipo de propiedades. Ni que decir tiene que el sector ha evolucionado ampliamente mejorando este tipo de recubrimiento, llegando hoy en día a resultados como los CERMET (óxidos de metal en una matriz cerámica) con unos resultados apreciables. Todos los recubrimientos de los absorbedores selectivos disponibles actualmente tienen, sin excepción, una absortancia de 0,95 o más, en el espectro solar. Los recubrimientos no selectivos, como pinturas solares de última generación presentan resultados de entre 0,9 y 0,95. Actualmente se utilizan varios tipos de recubrimiento: níquel – cromo negro, cristal negro, deposición física en fase de vapor (PVD). Carcasa del captador En el caso de captadores planos, la carcasa envuelve al absorbedor y al aislamiento térmico del captador, protegiéndolos de la humedad y los daños mecánicos. Si se trata de captadores de tubo de vacío, los propios tubos de vacío protegen al absorbedor, mientras que el vacío proporciona el aislamiento térmico. En la actualidad las carcasas son principalmente de aluminio, con las distintas formas y diseños según la tipología del captador. Reflectores Los reflectores asumen la función de dirigir por reflexión una parte adicional de la radiación solar, la cual, de otra forma no incidirá en la superficie del absorbedor. Así se consigue una irradiancia superior o la incidencia en más partes del absorbedor. Los reflectores pueden ser planos o curvados ligeramente para lograr concentración, y se fijan por detrás del absorbedor. Recordamos que este tipo de elemento se usa fundamentalmente en los captadores de tubo de vacío. Estudios actuales discuten sobre la conveniencia de estos elementos. Recién instalados mejoran considerablemente el rendimiento, sin embargo, por su forma curva y al estar a la intemperie su deterioro es palpable, sobre todo por suciedad e incrustaciones, sumado al aumento de coste de instalación se hace cuestionable su beneficio. Otro caso muy distinto es el tipo de tubo de vacío tipo Schott, que lleva el reflector dentro del tubo. Cubiertas La cubierta transparente de un captador cumple diversas funciones: Proteger el absorbedor y el aislamiento térmico dentro de la carcasa contra los efectos meteorológicos. Es parte constituyente del aislamiento térmico, fundamentalmente al provocar el efecto invernadero en el captador, a la entrada de radiación de onda corta y no dejar salir la radiación de onda larga Debería reflejar la menor radiación posible en su superficie y absorber la mínima en su interior, permitiendo que toda la posible incida en el absorbedor. Debe de tener una vida prolongada, ser robusta y resistente a impactos y 26/10/2015 11:13 Energía Solar | Térmica y Fotovoltaica 8 de 8 http://www.freewebs.com/energiasolar/sistemadecaptacin.htm fluctuaciones térmicas. La acumulación de suciedad natural, por lo general, se lava con el agua de lluvia y no necesita de mayores mantenimientos especiales. Un tema singular es el caso zonas con alta contaminación, climatología seca o polvorienta. El caso de los tubos de vacío es un poco singular, pues si bien por la cara superior no difiere mucho de lo que pueda suceder en un captador plano, en la cara inferior es otro caso. De todas formas, salvo en el caso de utilizar reflectores, la suciedad y el posible musgo que se acumula en la cara posterior no influyen en el rendimiento del equipo. Hay que citar que en gran parte de los captadores planos se producen acumulaciones de suciedad en el lado interior de la cubierta. Esta suciedad proviene de la condensación y de las posibles emisiones de gases del material aislante. Dada la localización y tipología de esta suciedad en algunos casos se ha estudiado que puede influir más en el rendimiento que la exterior. Actualmente se utilizan cubiertas de vidrio y metacrilato. Estudios que han tenido en cuenta gran cantidad de factores recomiendan el vidrio frente al metacrilato, incluso teniendo en cuenta las propiedades ópticas del metacrilato con vidrios de bajo contenido en hierro. Únicamente el posible factor coste puede inclinar la balanza. Aislamiento El aislamiento térmico es esencial para los captadores planos, porque gracias a él se logra reducir las pérdidas térmicas. Por lo general, la parte posterior y los laterales de la carcasa suele estar aislada. Además de lana mineral y fibra de vidrio se suelen emplear resina de melamina y espumas de poliuretano. Algunos fabricantes ofrecen aislantes naturales como lana de oveja, pero todavía no están sometidos a los tratamientos necesarios para lograr un buen resultado. Los materiales aislantes deben resistir altas temperaturas en los captadores, sobre todo cuando se da la temperatura de estancamiento. Por esto es muy importante que no emitan gases por estas altas temperaturas que se dan. Las juntas y uniones utilizadas deben de ser capaces de resistir, tanto las altas temperaturas, como la carga mecánica debida a las fuertes dilataciones térmicas. En Resumen El captador es un elemento fundamental y esencial de la instalación, de el depende transformar la energía solar en energía térmica Para poder comparar distintos tipos de captadores debemos utilizar las mismas magnitudes y unidades Los captadores planos son los de más arraigo en estas instalaciones, además de su bajo precio. Los sistemas con tubos de vacío permiten distintas aplicaciones ( procesos industriales, refrigeración, etc.), y cada vez se tienen disponibles mejores equipos con una relación calidad precio óptima. El absorbedor es el elemento común en todo tipo de captador, y su conductividad térmica es una de las características vitales. Jose Angel Pineda Create a Free Website 26/10/2015 11:13
