ENERGÍA SOLAR CALÓRICA

COLECTORES SOLARES PLANOS

INTRODUCCION

Un colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energía radiante en calor. La transferencia de energía se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente) que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energía radiante que finalmente intercepta el colector, proviene básicamente del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 µm) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones óptimas podemos esperar como máximo, flujos de 1100 W/m². De esta forma, un análisis de colectores solares presenta problemas relacionados con radiación y flujos de energía pequeños y variables.

Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores solares planos son los más comunes. Estos pueden ser diseñados y utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energía sea liberada a bajas temperaturas, debido a que la temperatura de operación de este tipo de colectores, difícilmente pasa los 100°C.

Las ventajas que podemos obtener de este tipo de colectores con respecto a los colectores de enfoque, que concentran la radiación solar; es que éstos utilizan la energía solar directa y difusa, no requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol, prácticamente no necesitan mantenimiento y son mecánicamente de construcción más simple que los colectores concentradores. Las principales aplicaciones de estos dispositivos son en el campo del calentamiento de agua a nivel doméstico e industrial, acondicionamiento calorífico de edificios y secado de fruta y granos.

En este capítulo se analizará detalladamente el funcionamiento térmico teórico de los colectores solares planos, donde se verá que función juega cada una de sus partes. Aunque en general el análisis se hace para colectores que utilizan un líquido como fluido de trabajo, haciendo pequeños cambios convenientes, este también sirve para colectores que trabajan con gases. En general, cuando se hable de un líquido, se tratará de agua fluyendo a través de un tubo y cuando se hable de un gas, entenderemos que es aire fluyendo por un ducto que puede tener muy diversas formas.

DESCRIPCION GENERAL DE UN COLECTOR SOLAR PLANO

La energía solar incidente, tiene que atravesar una o varias capas de vidrio o algún otro material transparente adecuado, antes de alcanzar la placa de absorción negra que es el elemento más importante del colector solar, al cual está unido el tubo o ducto. En esta placa, es donde la energía radiante es convertida en calor. Este calor, posteriormente es transferido por conducción hacia el fluido de trabajo (agua, aire), que es el que finalmente remueve la energía térmica del colector y la transfiere al tanque de almacenamiento térmico o al espacio o producto que va a ser calentado, según la aplicación que se le esté dando. El vidrio o su equivalente, además de permitir la entrada de la radiación solar hasta la placa de absorción, sirve también para minimizar las pérdidas de calor por radiación y convección hacia el medio ambiente por la parte superior del colector.

El aislante térmico (espuma de poliuretano, poliestireno, lana de fibra de vidrio o algún otro) colocado en la parte posterior y lados del colector, disminuye también las pérdidas de calor hacia el medio ambiente en esas partes. Todas las partes mencionadas se encuentran dentro de una caja que sirve como parte estructural delcolector y que puede ser hecha de diversos materiales como lámina metálica, madera o plástico.

El diseño de cada colector depende fundamentalmente de la aplicación específica a la cual vaya a destinarse.

Este debe ser diferente si por ejemplo se trata de calentar agua para una alberca (22 - 30 °C), agua para uso doméstico (40 - 60 °C) o aire para el acondicionamiento calorífico de edificios (90 - 100 °C).

Algunos de los parámetros más importantes que se tienen que tomar en cuenta para su diseño y funcionamiento, son los siguientes:

TIPOS DE COLECTORES SOLARES PLANOS

Los colectores solares planos pueden ser divididos en dos categorías básicas: los que utilizan como fluido de trabajo un líquido (agua) y los que utilizan un gas (aire). En general los que calientan aire manejan flujos mucho más grandes que los que calientan agua. También podemos decir que cuando se trabaja con un líquido, estefluye normalmente por un tubo adherido a la placa absorbedora o aleta; mientras que cuando se utiliza un gas, este fluye por un ducto que forma parte de la placa de absorción y que además puede tener muy diversas formas.

Placas absorbedoras para calentamiento de líquidos

En la figura se presenta una serie de secciones transversales de placas de absorción (tubo y aleta) que utilizan un líquido como fluido de trabajo. Pueden existir diversas configuraciones. El tubo puede estar en la parte superior [(c) y (d)] o posterior [(a) y (e)] de la aleta o placa. También puede estar unido a ella mediante soldadura apropiada (a), algún pegamento especial que contenga trozos de metal conductor como bronce (c) o simplemente adherido a la placa mediante una obstrucción practicada a la misma para ese fin [(d) y (e)]. Existen también otros tipos de colectores planos que integran el tubo a la placa absorbedora y que no es precisamente de sección circular (b).

En general las placas de absorción pueden estar formadas por tubos con aleta individuales o bien, utilizando una sola placa de absorción, a la cual se le adhieren los tubos mediante los mecanismos antes mencionados.

Placas absorbedoras para calentamiento de gases

Al igual que en el caso anterior, pueden existir un gran número de configuraciones de placas de absorción para el calentamiento de gases. En general se pretende que dentro del colector haya una gran área de contacto entre la placa absorbedora y el aire circulando a través del colector, para asegurar una buena transferencia de calor. Estudios de laboratorio indican que el área de absorción debe ser entre 2 y 4 veces el área de vidrio expuesto al sol.

En este tipo de colectores, la placa de absorción se coloca unos cuantos centímetros por arriba del aislante térmico, de manera que el aire fluya entre estos dos componentes, aunque también podría fluir por el hueco que queda entre la placa absorbedora y la cubierta de vidrio.