Colectores

Colectores Solares.

El colector o captador solar es el elemento fundamental de cualquier sistema solar térmico. Tiene como misión captar la energía solar incidente y transmitirla al fluido que circula por él.

Existen diferentes tipos de sistemas colectores. A Continuación se describen a grandes rasgos los principales en el uso de ACS:

Los colectores simples sin cubierta son usados para aplicación de bajas temperaturas o calentamiento de pocos grados por sobre el normal. Generalmente se utilizan para calefacción o calentamiento del agua de piscinas temperadas.

Son de plástico negro (PVC, HDPE, LDPE) que puede tener una larga duración de vida. Son baratos, se instalan fácilmente pero implican importantes pérdidas de calor al exterior.

Imagen Colector solar sin cubierta
Imagen Colector solar sin cubierta

1. Colectores Tubulares de Tubos al Vacío.

Los colectores tubulares presentan alto rendimiento de conversión de energía y permiten alcanzar altas temperaturas en el fluido que circula en su interior. Son empleados para aplicaciones de climatización general, en proceso industriales pero también para calentar agua sanitaria para uso doméstico.

Existen comercialmente dos tipos de colectores de tubos al vacío, que son en función de los materiales que lo constituyen: los de tipo vidrio-vidrio y los de tipo vidrio-metal, también conocidos como tubo Sydney.

En los de tipo vidrio-vidrio, el colector solar evacuado consiste en dos tubos concéntricos de vidrio, por lo general de borosilicatos. Los tubos están unidos entre sí y durante su fabricación, a la sección anular que los separa se le extrae la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual actúa como aislante térmico. En la superficie exterior del tubo interior se deposita una superficie selectiva y el agua que circula se calienta dentro de este tubo.

tubo de vidrio vidrio
Detalle funcionamiento del Tubo Vidrio-Vidrio.

En lo captadores del tipo vidrio-metal hay gran diversidad de diseños, entre los más comunes se encuentran, el que consta de dos tubos concéntricos, en el interior del absorbedor se coloca una lámina conductora de calor, en este caso de aluminio o cobre, cuya forma curveada está unida a un tubo de cobre en forma de “U” (U Pipe), en cuyo interior circula en agua. El recubrimiento selectivo por los
general consiste en nitruro de aluminio que se deposita en el vidrio mediante la técnica de chisporroteo (sputtering).

Detalle tubo Vidrio-Metal

Existe otro tipo de captador solar de tubo evacuado en los cuales en el interior se coloca un absorbedor que consta de un tubo de cobre con un bulbo en un extremo (condensador) en cuyo interior a su vez se encuentra un material poroso en donde circula un fluido de bajo punto de ebullición por medio de la tensión superficial. Al calentarse un extremo de este tubo el fluido se evapora y se conduce de manera natural hacia el extremo superior, el cual está en contacto con un fluido, en este caso el agua.

Tal tipo de colector solar se conoce con el nombre de caloriducto, tubos de calor o “heat pipe”.

La principal ventaja de los colectores de tubos evacuados, es que el vacio reduce considerablemente las pérdidas de calor e incrementa el rendimiento térmico del colector, en consecuencia se requiere menor área de captación solar y funciona a temperaturas más elevadas (60° a 100° C), con mayor eficiencia que los colectores solares planos convencionales.

2. Colectores Planos con Cubierta de Vidrio.

Los colectores planos con cubierta de vidrio son generalmente utilizados para la producción de agua caliente sanitaria para uso doméstico. Puede servir también en instalaciones de calentamiento de piscinas y de calefacción de viviendas.

Los colectores planos con cubierta se componen de los siguientes elementos:

  • La placa o aletas negras de absorción, es la parte del colector donde la energía se transmite al fluido. Es de metal negro (pintado o tratado) para mejorar su coeficiente de absorción de radiación solar. Cuando la superficie está tratada para presentar una emisividad reducida (superficie selectiva) mejora aún más la transferencia de calor al fluido interno.
  • Los tubos conductores de fluido, generalmente de cobre y soldados a la placa colectora de absorción, de manera de asegurar una transferencia de calor eficaz entra las placas y el fluido que circula en el interior de los tubos.
  • Unión de tubos en la parte inferior o superior con uno de un diámetro superior, con el objeto de homogeneizar el fluido con menor temperatura (inferior) y el de mayor temperatura (superior). Este es utilizado en los sistemas de colectores serie paralelo.
  • Película o lamina reflectora de UV e IR (duralfoil, aluminio reflectante).
  • Caja contenedora de todos los elementos del colector y los protege del exterior. Puede ser de distintos materiales.
  • Aislación térmica que reduce las pérdidas en la parte inferior y laterales de la caja (lana de vidrio, poliestireno, espuma de poliuretano).
  • La cubierta transparente es el elemento que genera el efecto invernadero en el colector, dejando pasar la mayor parte de la radiación solar incidente y reteniendo la radiación infrarroja generada en la placa absorbente. Generalmente es de vidrio templado, vidrio simple o policarbonato.
  • Junta de estanqueidad asegurando la impermeabilidad del colector, impidiendo la penetración del agua cuando llueva.
  • Base general de caja de material sólido con anclajes adecuados para su instalación.

La placa colectora puede estar unida al sistema que transporta el fluido térmico de diferentes formas. En la gráfica que sigue se presentan alguna de las configuración principales de la superficie captora con las tuberías.

Diferentes tipos de unión de colector a tuberías de fluido térmico

3. Colectores Tipo CPC

Estos sistemas utilizan concentración de la radiación solar. Tienen la ventaja de permitir trabajar a temperaturas elevadas (típicamente desde los 80 a unos 120ºC) sin necesidad de ajustes horarios o estacionales.

 

Principio de funcionamiento de los colectores CPC

Hoy día estos sistemas tienen costos por metro cuadrado similares a colectores planos convencionales, con rendimientos mejores a temperaturas elevadas.

4. Sistemas Cilindro Parabólicos

En teoría, para un receptor cilíndrico, estos sistemas tienen un factor de concentración límite del orden de 200. En la práctica se alcanzan factores del orden de 80. Esto implica que es posible trabajar a temperaturas del orden de los 300 a 400ºC.

Con la experiencia acumulada con los sistemas LUZ de Israel (9 plantas de generación eléctrica que han estado en operación por más de 15 años), se muestran como la tecnología probada más confiable.

Los espejos están hechos de vidrio, plateados y protegidos de la intemperie. El receptor es cilíndrico con superficie selectiva y sistema de tubo al vacío para reducir pérdidas térmicas.

Imágenes colectores cilindro parabólicos.