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Tipos de colectores solares y componentes básicos

Los colectores solares se pueden clasificar en base a varios parámetros. La primera de ellas puede ser en función del fluido térmico que utiliza.  Los colectores pueden utilizar un líquido o un gas para transferir el calor. Los líquidos más frecuentes son el agua, una disolución anticongelante o un aceite térmico. El gas que se suele utilizar como fluido térmico es el aire.

Otra clasificación es por el rango de temperatura de trabajo, que va íntimamente relacionado con los componentes básicos que compongan el colector. Así pues se pueden organizar de esta forma:

  • Colectores de baja temperatura de trabajo (alcanza un máximo de 50ºC). Éstos están formados únicamente por el convertidor (también denominado absorbedor), por el circuito de fluido térmico, por el aislamiento térmico y por la caja que contiene todos los componentes. Este tipo de colector también recibe el nombres de captador solar plano no protegido
  • Colectores de media temperatura (alcanza un máximo de 90 ºC). Estos colectores, además de incluir todos los componentes del colector de baja temperatura, se le añade una cubierta transparente para limitar las pérdidas por convección y una parte de las de radiación. Además se incrementa el efecto invernadero dentro del colector. Gracias a esto se consiguen alcanzar mayores temperaturas en el seno del fluido.
  • Colector de alta temperatura (hasta 150 ºC como máximo). La siguiente evolución en los colectores consiste en añadir otra cubierta entre la anterior y el convertidor y hacer vacío entre las dos. Así se consigue un mayor aislamiento de entre el exterior y el interior y que se alcancen temperaturas aún mayores.

A continuación se describen los componentes antes mencionados:

Convertidor

En caso del colector de líquido el convertidor se compone de placa absorbente y conductos de fluido térmico. En el caso del colector de aire  el convertidor es la placa absorbente. La placa absorbente intercepta la radiación solar que deja pasar la cubierta y la transforma en calor. En los colectores sin cubierta la radiación alcanza directamente, a través del aire contenido en el conducto, la placa absorbente. En los colectores de líquido el convertidor está constituido por una placa plana en la que se han insertado una red de conductos por las que circula el fluido térmico. Al chocar la radiación con la placa se transforma en calor. Este calor se transfiere después al fluido térmico que circula por los conductos. Los materiales más usados son para construir la placa y sus conductos son el cobre y el acero inox¡dable. En los colectores de aire no es necesario insertar conductos porque el fluido térmico circula por el espacio comprendido entre la placa plana y la cubierta.

Si el fluido circula por una única tubería que lo distribuye por toda la placa se denomina en serie (como un serpentín). Si existen dos conductos, uno de entrada y otro de salida que se conectan con unos cuantos tubos que circulan por la placa, se denomina en paralelo.

La radiación interceptada por la cubierta  se transmite y alcanza la placa absorbente del convertidor, transformándose en calor. Como es sabido, el cuerpo que absorbe más radiación es el cuerpo negro. Por lo tanto es conveniente que la cubierta tienda a comportarse como un cuerpo negro para así aumentar su capacidad de absorción de la radiación. Esto se tiene en cuenta al elegir el tipo de recubrimiento del convertidor para que su coeficiente de absorción ? sea del orden de 0,9-0,95. Debido a que la placa del convertidor alcanza temperaturas ligeramente altas, se convierte en emisora de radiación que es energía perdida. Para minimizar estas pérdidas y para aumentar la absorción de radiación, se usan los denominados recubrimientos selectivos que suelen estar formados  por una capa delgada de óxido metálico, de color negro, con baja emisividad de radiación térmica y gran coeficiente de absorción. La superficie selectiva con mejores resultados se ha desarrollado depositando una capa de níquel sobre el absorbedor y sobre ésta una capa de óxido de cromo extremadamente fina. El coeficiente de absorción de las superficies selectivas ronda el 0,95 y el de emisividad 0,1.

Circuito de fluido térmico

El fluido circulante ha de estar directamente en contacto con el absorbedor, de forma que la transferencia de calor desde la placa al fluidose realice en las mejores condiciones. El “circuito” que sigue el calor hasta llegar al fluido térmico debe ser lo más corto posible y debe encontrar la menor resistencia posible. La radiación se convierte en calor al ser interceptada por la superficie captadora y la temperatura del convertidor aumenta hasta hacerse mayor que la temperatura del fluido. El calor se propaga siguiendo el gradiente de temperaturas: primero a través de la placa del convertidor hasta alcanzar la zona de unión entre la placa y la tubería que conduce al fluido. La unión entre la tubería y la placa debe tener continuidad metálica (normalmente por soldadura), si no la transferencia de calor puede verse perjudicada y podría ser con convección en vez de conducción ya que se genera una resistencia térmica mayor y se dificulta la transferencia de calor desde la placa al tubo.

Aislamiento térmico

Al encontrarse el convertidor a una temperatura superior a la del ambiente, se transfiere de forma espontánea calor a la atmósfera. La emisión de calor por la cara que recibe la radiación es mitigada por el efecto invernadero. Para reducir la emisión de calor por la cara posterior se instala una lámina de asilamiento térmico , de 4 cm o 5 cm de espesor, entre la cara posterior y la caja. El aislamiento cumple la función de disminuir las pérdidas de calor desde el convertidor hasta el ambiente que lo rodea.

La capacidad para impedir que el calor se fugue depende de las propiedades físicas del aislante. Las principales son: conductividad térmica, densidad aparente, comportamiento ante la humedad, estabilidad térmica, etc. Un aislante muy utilizado es la fibra de vidrio, que aguanta bien las altas temperaturas y es económico, pero no aguanta bien la humedad.

Caja

La caja aloja el conjunto de componentes que constituyen el colector. Su función principal es asegurar la estanquidad del colector ya que si no podría originar pérdidas por fugas de calor y también impedir que entre humedad si hay componentes que se dañen con ella. Además se evita el contacto con contaminantes que puedan corroer el entrar en contacto con el convertidor. Si hay humedad dentro, puede empañar los cristales haciendo disminuir la transmitancia de los cristales y reduciendo el flujo de radiación disminuyendo con ello el rendimiento del colector.

La caja tiene que aguantar las condiciones corrosivas a las que es sometido por parte de la atmósfera. Ha de ser duradera y soportar el paso del tiempo con el mínimo deterioro posible. Suele ser de acero galvanizado con tratamiento de anodizado.

La cubierta la poseen los colectores de media y alta temperatura pero no los de baja:

Cubierta

La cubierta del colector es transparente y cumple una doble misión. La primera, atenuar las pérdidas de calor del convertidor impidiendo, en lo posible, el paso de la radiación que éste emite; la segunda, evitar que el aire exterior esté en contacto con el convertidor  provoque pérdidas por conveción.

La atenuación de las pérdidas de calor por radiación desde la superficie del absorbedor puede lograrse aprovechando el “efecto invernadero”. Este efecto se consigue al crearse dos ambientes: uno interior, cerrado por la superficie transparente de vidrio, también puede utilizarse el plástico, y otro exterior. La radiación solar que llega del exterior se transmite a través de la superficie transparente y se propaga hasta el recinto interior, donde es interceptada en la superficie del convertidor. Al chocar la radiación se transforma en calor y la placa eleva su temperatura. Al aumentar su temperatura la placa absorbente emite radiación en una longitud de onda mayor , con menor energía , y esta radiación interior no se transmite al exterior a través de la cubierta transparente. En consecuencia queda atrapada entre la placa y la cubierta, efecto pretendido que facilita la transmisión de la radiación solar pero no permite  la transmisión de la radiación de origen térmico desde la placa hacia el exterior.

Las cubiertas pueden ser de vidrio o de plástico aunque este último material tiene el inconveniente de perder sus propiedades ante los rayos ultravioleta y de ser blando que permite su fácil rayado. Las ventajas son que es más barato y ligero. La distancia aconsejable entre el absorbedor y la cubierta es de 25-40 mm. El problema del vidrio es su fragilidad pero las cubiertas actuales son de vidrio templado que solventan en parte este problema.

Un vidrio de ventana normal, para un ángulo de incidencia perpendicular, refleja un 10% de la radiación. Un típico cristal de 0,03 m de espesor absorbe entre un 1% y un 5%, siendo el 2% el valor medio. La transmitancia normal para una cubierta es de un 88% , es decir, que deja pasar un 88% de la energía solar incidente.

Los colectores de alta temperatura poseen varias cubiertas existiendo vacío entre ellas. Se consigue disminuir las pérdidas por radiación que emite la cubierta por estar a una temperatura mayor que el ambiente. Son más recomendables para emplazamientos en climas fríos, sometidos a vientos intensos y frecuentes, pero no para climas templados.

Otros componentes de la instalación
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