colector solar térmico

Los colectores de placa plana son la tecnología solar térmica más común en Europa . ^{[ 7 ]} Constan de (1) una carcasa que contiene (2) una placa absorbedora de color oscuro con conductos de circulación de fluido y (3) una cubierta transparente para permitir la transmisión de energía solar a la carcasa. Los laterales y la parte posterior de la carcasa suelen estar aislados para reducir la pérdida de calor al entorno. Un fluido de transferencia de calor circula a través de los conductos del absorbedor para extraer el calor del colector solar. En climas tropicales y subtropicales, el fluido de circulación suele ser agua. En climas donde es probable que se produzcan heladas, se puede utilizar un fluido de transferencia de calor similar a un anticongelante para automóviles en lugar de agua, o mezclado con ella. Si se utiliza un fluido de transferencia de calor, normalmente se emplea un intercambiador de calor para transferir el calor del fluido del colector solar a un depósito de agua caliente. El diseño más común del absorbedor consiste en tubos de cobre unidos a una lámina de metal de alta conductividad (cobre o aluminio). Se aplica un recubrimiento oscuro al lado del conjunto del absorbedor que da al sol para aumentar su absorción de energía solar. Un recubrimiento común para el absorbedor es la pintura de esmalte negro.

En los diseños de colectores solares de alto rendimiento, la cubierta transparente es de vidrio de cal sodada templado con contenido reducido de óxido de hierro, al igual que en los paneles solares fotovoltaicos . El vidrio también puede tener un patrón punteado y uno o dos recubrimientos antirreflectantes para mejorar aún más la transparencia . El recubrimiento absorbente suele ser un recubrimiento selectivo, donde selectivo significa que tiene la propiedad óptica especial de combinar una alta absorción en la parte visible del espectro electromagnético con una baja emisividad en el infrarrojo . Esto crea una superficie selectiva , que reduce la emisión de energía de cuerpo negro del absorbedor y mejora el rendimiento. Las tuberías se pueden soldar con láser o ultrasonido a la lámina absorbedora para reducir el daño al recubrimiento selectivo, que normalmente se aplica antes de la unión a grandes bobinas en un proceso rollo a rollo .

Las configuraciones de tuberías del absorbedor incluyen:

• Arpa : diseño tradicional con tubos ascendentes en la parte inferior y tubo colector en la parte superior, utilizada en sistemas de termosifón y bombeo de baja presión;
• serpentina : una tubería continua en forma de S que maximiza la temperatura pero no el rendimiento energético total en sistemas de flujo variable, utilizada en sistemas compactos de agua caliente sanitaria solar (sin función de calefacción de espacios);
• inundado: consta de dos láminas de metal moldeadas para producir una amplia zona de circulación que mejora la transferencia de calor ;
• Capa límite : compuesta por varias capas de láminas transparentes y opacas que permiten la absorción en dicha capa. Dado que la energía se absorbe en la capa límite, la conversión de calor puede ser más eficiente que en los colectores donde el calor absorbido se conduce a través de un material antes de acumularse en el líquido circulante.

También se ha comercializado un colector de placa plana que utiliza una estructura de panal para reducir la pérdida de calor, incluso en el lado del vidrio. La mayoría de los colectores de placa plana tienen una vida útil superior a los 25 años .

Los colectores de tubos de vacío son la tecnología solar térmica más común en el mundo. ^{[ 7 ]} Utilizan un tubo de vidrio para rodear el absorbedor con alto vacío y resistir eficazmente la presión atmosférica . El vacío que rodea al absorbedor reduce considerablemente la pérdida de calor por convección y conducción , logrando así una mayor eficiencia de conversión de energía . El absorbedor puede ser metálico, como en el caso de los colectores de placa plana, o ser un segundo tubo de vidrio concéntrico ("tubo de Sydney"). El fluido de transferencia de calor puede entrar y salir de cada tubo o estar en contacto con un tubo de calor que llega al interior del tubo. En este último caso, los tubos de calor transfieren calor al fluido en un intercambiador de calor llamado "colector", colocado transversalmente con respecto a los tubos. El colector está envuelto en aislamiento ( lana de vidrio ) y cubierto por una carcasa protectora de metal o plástico que también se utiliza para fijarlo a los soportes.

Los tubos de vacío de vidrio-metal se fabrican con láminas absorbentes de metal planas o curvas, al igual que las placas planas. Estas láminas se unen a tubos o tubos de calor para formar aletas y se colocan dentro de un único tubo de vidrio de borosilicato . Se puede depositar un recubrimiento antirreflectante en las superficies interna y externa de dichos tubos para mejorar la transparencia. Tanto el recubrimiento selectivo como el antirreflectante (en la superficie interna del tubo) no se degradan hasta que se pierde el vacío. ^{[ 8 ]} Sin embargo, se requiere un sello hermético de vidrio-metal de alto vacío en uno o ambos lados de cada tubo de vacío. Este sello se somete a ciclos entre la temperatura ambiente y la del fluido cada día de funcionamiento del colector, lo que podría provocar fallos con el tiempo.

Los tubos de vacío de vidrio-vidrio se fabrican con dos tubos de vidrio de borosilicato fusionados en uno o ambos extremos (similar a una botella de vacío o un termo Dewar). La aleta absorbedora se coloca dentro del tubo interior a presión atmosférica. Los tubos de vidrio-vidrio tienen un sellado muy fiable, pero las dos capas de vidrio reducen la cantidad de luz solar que llega al absorbedor. Para evitar esto, se puede depositar un recubrimiento selectivo en el tubo interior de borosilicato (lado de alto vacío), pero en ese caso el calor tendría que fluir a través del espesor de vidrio del tubo interior, que es poco conductor. Además, la humedad puede entrar en la zona no evacuada dentro del tubo interior y causar corrosión en el absorbedor , especialmente cuando está fabricado con materiales diferentes ( corrosión galvánica ).

Una bomba de recuperación instantánea de bario se suele utilizar para evaporar el gas dentro del espacio de alto vacío entre los tubos, con el fin de mantener la presión interna estable a lo largo del tiempo.

Las altas temperaturas que pueden producirse dentro de los tubos de vacío pueden requerir un diseño especial para evitar el choque térmico y el sobrecalentamiento . Algunos colectores de tubos de vacío funcionan como una válvula térmica unidireccional debido a sus tubos de calor. Esto les confiere una temperatura máxima de funcionamiento inherente que actúa como medida de seguridad. ^{[ 9 ]} Los colectores de tubos de vacío también pueden equiparse con reflectores de baja concentración en la parte posterior de los tubos, lo que da lugar a un colector concentrador parabólico compuesto (CPC). ^{[ 10 ]}

Existe una larga controversia entre los defensores de estas dos tecnologías. Parte de esta controversia se relaciona con la estructura de los colectores de tubos de vacío, que presentan un área de absorción discontinua. Un conjunto de colectores de tubos de vacío en un tejado tiene espacio entre los tubos individuales y un vacío entre cada tubo y su absorbedor interno, cubriendo solo una fracción del área de instalación en el tejado. Si se comparan los tubos de vacío con los colectores de placa plana en función del área de tejado ocupada (área bruta), se podría llegar a una conclusión diferente que si se compararan las áreas del absorbedor o de la abertura. La reciente revisión de la norma ISO 9806 ^{[ 11 ]} establece que la eficiencia de los colectores solares térmicos debe medirse en términos de área bruta, lo que podría favorecer a las placas planas con respecto a los colectores de tubos de vacío en comparaciones directas.

Los colectores de placa plana suelen perder más calor al ambiente que los de tubos de vacío debido a la falta de aislamiento en el lado del vidrio. Los colectores de tubos de vacío tienen intrínsecamente una menor relación de área de absorción a área bruta (normalmente entre un 60 % y un 80 % menos) que las placas planas, ya que los tubos deben estar separados. Si bien varias empresas europeas fabrican colectores de tubos de vacío (principalmente de vidrio-metal), el mercado de tubos de vacío está dominado por fabricantes chinos, algunos de los cuales cuentan con una trayectoria de 15 a 30 años o más. No existe evidencia concluyente de que ambos diseños difieran en cuanto a fiabilidad a largo plazo. Sin embargo, la tecnología de tubos de vacío (especialmente las variantes más recientes con sellos de vidrio-metal y tubos de calor) aún necesita demostrar una vida útil competitiva. La modularidad de los tubos de vacío puede ser ventajosa en términos de extensibilidad y mantenimiento; por ejemplo, si se pierde el vacío en un tubo de calor, este puede reemplazarse fácilmente con un mínimo esfuerzo.

En la mayoría de los climas, los colectores de placa plana suelen ser más rentables que los de tubos de vacío. ^{[ 14 ]} Sin embargo, los colectores de tubos de vacío son adecuados para temperaturas ambiente frías y funcionan bien en situaciones de baja irradiancia solar, proporcionando calor de forma más constante durante todo el año. Los colectores de placa plana sin acristalar son los dispositivos preferidos para calentar el agua de piscinas. Los colectores sin acristalar pueden ser adecuados en entornos tropicales o subtropicales si el agua caliente sanitaria necesita calentarse menos de 20 °C (36 °F) por encima de la temperatura ambiente. Los colectores de tubos de vacío tienen menor resistencia aerodinámica, lo que puede permitir una instalación más sencilla en tejados en lugares ventosos. Los espacios entre los tubos pueden permitir que la nieve caiga a través del colector, minimizando la pérdida de producción en algunas condiciones de nieve, aunque la falta de calor radiado de los tubos también puede impedir la eliminación eficaz de la nieve acumulada. Los colectores de placa plana pueden ser más fáciles de limpiar. Otras propiedades, como la apariencia y la facilidad de instalación, son más subjetivas y difíciles de comparar.  

Los colectores solares de placa plana al vacío ofrecen todas las ventajas de los colectores de placa plana y de tubo al vacío combinados. Rodean un absorbedor de lámina metálica de gran superficie con alto vacío dentro de una envoltura plana de vidrio y metal. Ofrecen la mayor eficiencia de conversión de energía de cualquier colector solar térmico no concentrador, ^{[ 15 ]} pero requieren tecnología sofisticada para su fabricación. No deben confundirse con los colectores de placa plana que presentan bajo vacío en su interior. El primer colector que utilizó aislamiento de alto vacío se desarrolló en el CERN , ^{[ 16 ]} mientras que TVP SOLAR SA de Suiza fue la primera empresa en comercializar colectores con certificación Solar Keymark en 2012. ^{[ 17 ]}

Los colectores solares de placa plana al vacío requieren tanto un sello de vidrio-metal para unir la placa de vidrio al resto de la envoltura metálica como una estructura interna para soportar dicha placa contra la presión atmosférica. El absorbedor debe estar segmentado o provisto de orificios adecuados para alojar dicha estructura. La unión de todas las partes debe ser altamente hermética al vacío y solo se pueden utilizar materiales con baja presión de vapor para evitar la desgasificación . La tecnología de sello de vidrio-metal puede basarse en vidrio metalizado ^{[ 18 ]} o metal vitrificado ^{[ 19 ]} y define el tipo de colector. A diferencia de los colectores de tubos al vacío, utilizan bombas de getter no evaporable (NEG) para mantener la presión interna estable a lo largo del tiempo. Esta tecnología de bomba de getter tiene la ventaja de proporcionar cierta regeneración in situ mediante la exposición a la luz solar. Los colectores solares de placa plana al vacío se han estudiado para el acondicionamiento del aire solar y se han comparado con concentradores solares compactos. ^{[ 20 ]}

Coleccionistas de cuencos

Un colector solar tipo cuenco es un tipo de colector solar térmico que funciona de forma similar a un plato parabólico , pero en lugar de utilizar un espejo parabólico con seguimiento y un receptor fijo, utiliza un espejo esférico fijo con un receptor de seguimiento. Esto reduce la eficiencia, pero abarata su construcción y funcionamiento. Los diseñadores lo denominan sistema de energía solar de enfoque distribuido con espejo fijo . La principal razón de su desarrollo fue eliminar el coste de mover un espejo grande para seguir al sol, como ocurre con los sistemas de plato parabólico. ^{[ 23 ]}

Un espejo parabólico fijo crea una imagen del sol con formas variables a medida que este se desplaza por el cielo. Solo cuando el espejo apunta directamente al sol, la luz se enfoca en un punto. Por eso, los sistemas de antenas parabólicas siguen al sol. Un espejo esférico fijo enfoca la luz en el mismo lugar, independientemente de la posición del sol. Sin embargo, la luz no se dirige a un punto, sino que se distribuye a lo largo de una línea que va desde la superficie del espejo hasta la mitad de su radio (a lo largo de una línea que pasa por el centro de la esfera y el sol).

A medida que el sol se desplaza por el cielo, la apertura de cualquier colector fijo cambia. Esto provoca variaciones en la cantidad de luz solar captada, produciendo lo que se conoce como el efecto sinusoidal en la potencia de salida. Los defensores del diseño de colector solar en forma de cuenco afirman que la reducción en la potencia de salida total en comparación con los espejos parabólicos de seguimiento se compensa con menores costos del sistema. ^{[ 23 ]}

La luz solar concentrada en el foco de un reflector esférico se recoge mediante un receptor de seguimiento. Este receptor gira alrededor del foco y suele estar contrapesado. Puede constar de tuberías que transportan un fluido para la transferencia térmica o de células fotovoltaicas para la conversión directa de la luz en electricidad.

El diseño del cuenco solar surgió de un proyecto del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Técnica de Texas, dirigido por Edwin O'Hair, para desarrollar una planta de energía de 5 MWe. Se construyó un cuenco solar para la ciudad de Crosbyton, Texas, como instalación piloto. ^{[ 23 ]} El cuenco tenía un diámetro de 65 pies (20 m) , inclinado en un ángulo de 15° para optimizar la relación costo/rendimiento (33° habrían maximizado el rendimiento). El borde del hemisferio se "recortó" a 60°, creando una apertura máxima de 3318 pies cuadrados (308,3 m ² ) . Este cuenco piloto produjo electricidad a una tasa de 10 kW pico.    

El sistema solar de Auroville, con un diámetro de 15 metros (49 pies), se desarrolló a partir de una prueba previa realizada entre 1979 y 1982 con un sistema de 3,5 metros (11 pies) por el Instituto de Investigación Energética Tata . Dicha prueba demostró la utilidad del sistema solar para la producción de vapor para cocinar. El proyecto a gran escala para construir un sistema solar con cocina se desarrolló desde 1996 y estuvo plenamente operativo en 2001.  

En lugares con una disponibilidad media de energía solar, los colectores de placa plana tienen un tamaño aproximado de 1,2 a 2,4 decímetros cuadrados por litro de agua caliente utilizada en un día.

El principal uso de esta tecnología se encuentra en edificios residenciales donde la demanda de agua caliente tiene un gran impacto en las facturas de energía. Esto generalmente se refiere a situaciones con familias numerosas o situaciones donde la demanda de agua caliente es excesiva debido al lavado frecuente de ropa. Las aplicaciones comerciales incluyen lavanderías, lavaderos de autos, instalaciones de lavandería militar y restaurantes. La tecnología también se puede utilizar para la calefacción de espacios si el edificio está ubicado fuera de la red eléctrica o si el suministro eléctrico está sujeto a cortes frecuentes. Los sistemas solares de calentamiento de agua son más rentables para instalaciones con sistemas de calentamiento de agua costosos de operar, o para operaciones como lavanderías o cocinas que requieren grandes cantidades de agua caliente. Los colectores líquidos sin vidriar se utilizan comúnmente para calentar agua para piscinas, pero también se pueden aplicar al precalentamiento de agua a gran escala. Cuando las cargas son grandes en relación con el área disponible del colector, la mayor parte del calentamiento del agua se puede realizar a baja temperatura, inferior a la de las piscinas, donde los colectores sin vidriar están bien establecidos en el mercado como la opción adecuada. Dado que estos colectores no necesitan soportar altas temperaturas, pueden utilizar materiales menos costosos como plástico o caucho. Muchos colectores sin vidriar están hechos de polipropileno y deben drenarse completamente para evitar daños por congelación cuando las temperaturas del aire descienden por debajo de 7 °C (44 °F) en noches despejadas. ^{[ 24 ]}  Un porcentaje menor, pero creciente, de colectores sin acristalar son flexibles, lo que significa que pueden soportar la congelación total del agua dentro de su absorbedor. El problema de congelación solo se presenta en las tuberías y colectores llenos de agua en condiciones de congelación extrema. Los sistemas solares de agua caliente sin acristalar deben instalarse para que el agua se drene a un tanque de almacenamiento cuando la radiación solar sea insuficiente. No existen problemas de choque térmico con los sistemas sin acristalar. Comúnmente utilizados para calentar piscinas desde los inicios de la energía solar, los colectores solares sin acristalar calientan el agua de la piscina directamente sin necesidad de anticongelante ni intercambiadores de calor. Los sistemas solares de agua caliente requieren intercambiadores de calor debido a la posibilidad de contaminación y, en el caso de los colectores sin acristalar, a la diferencia de presión entre el fluido de trabajo solar (agua) y la carga (agua fría presurizada de la red pública). Los calentadores solares de agua caliente sin acristalar a gran escala, como el del Centro Acuático Minoru en Richmond, Columbia Británica, operan a temperaturas más bajas que los sistemas de colectores de tubos de vacío o de caja y acristalados. Aunque requieren intercambiadores de calor más grandes y costosos, todos los demás componentes, incluidos los tanques de almacenamiento ventilados y las tuberías de PVC sin aislamiento, reducen drásticamente los costos de esta alternativa en comparación con los colectores de alta temperatura. Al calentar agua, en realidad estamos calentando agua fría a tibia y tibia a caliente. Podemos calentar agua fría a tibia con la misma eficiencia con colectores sin acristalar, al igual que podemos calentar agua tibia a caliente con colectores de alta temperatura.

La calefacción de espacios residenciales y comerciales se puede lograr mediante paneles solares de aire caliente. Este sistema funciona extrayendo aire de la envolvente del edificio o del exterior y haciéndolo pasar por el colector, donde se calienta por conducción desde el absorbedor. Posteriormente, el aire se distribuye al espacio habitable o de trabajo mediante calentamiento pasivo o con la ayuda de un ventilador. George Löf fue un pionero en este tipo de sistema, quien construyó un sistema de aire caliente solar en 1945 para una casa en Boulder, Colorado. Más tarde, incorporó un lecho de grava para el almacenamiento de calor.

La ventilación, ya sea con aire fresco o de reposición, es necesaria en la mayoría de los edificios comerciales, industriales e institucionales para cumplir con la normativa vigente. Al hacer circular el aire a través de un colector de aire transpirado sin acristalar o un calentador de aire, el aire fresco calentado por energía solar puede reducir la carga térmica durante el día. Actualmente, se están instalando numerosas aplicaciones donde el colector de aire transpirado precalienta el aire fresco que entra en un ventilador con recuperación de calor para reducir el tiempo de descongelación de estos dispositivos. Cuanto mayor sea la ventilación y la temperatura, menor será el tiempo de amortización.

El calor solar del aire también se utiliza en procesos como el secado de ropa, cultivos ( por ejemplo , té, maíz, café) y otras aplicaciones de secado. El aire calentado mediante un colector solar y luego hecho pasar sobre el material a secar puede proporcionar un medio eficaz para reducir su contenido de humedad.

El calor de proceso a alta temperatura puede producirse mediante un horno solar .

Los colectores se clasifican comúnmente según sus métodos de conductos de aire en uno de tres tipos:

• colectores de paso
• pase frontal
• pase hacia atrás
• colectores de pases delanteros y traseros combinados

Los colectores también se pueden clasificar según su superficie exterior:

• vidriado
• sin esmaltar

La configuración de paso directo, que ofrece la mayor eficiencia de cualquier tecnología solar, permite que el aire, canalizado hacia un lado del absorbedor, pase a través de un material perforado y se caliente gracias a las propiedades conductoras del material y a las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbedores de paso directo poseen la mayor superficie, lo que posibilita tasas de transferencia de calor por conducción relativamente altas; sin embargo, una caída de presión significativa puede requerir mayor potencia del ventilador, y el deterioro de ciertos materiales absorbedores tras muchos años de exposición a la radiación solar puede generar problemas adicionales con la calidad del aire y el rendimiento.

Este tipo de colector se utiliza generalmente en centrales de energía solar . Un reflector parabólico en forma de canal se utiliza para concentrar la luz solar en un tubo aislado ( tubo Dewar ) o tubo de calor , ubicado en el punto focal , que contiene refrigerante que transfiere el calor de los colectores a las calderas de la central eléctrica. ^{[ 29 ]}

En un colector parabólico, uno o más platos parabólicos concentran la energía solar en un único punto focal, de forma similar a como un telescopio reflector enfoca la luz de las estrellas o una antena parabólica enfoca las ondas de radio. Esta geometría se puede utilizar en hornos solares y centrales de energía solar.

La forma parabólica implica que los rayos de luz incidentes, paralelos al eje del reflector, se reflejarán hacia el foco, independientemente de su punto de incidencia. La luz solar llega a la superficie terrestre casi de forma paralela, y el reflector está alineado con su eje apuntando hacia el sol, lo que permite que casi toda la radiación incidente se refleje hacia el foco. La mayoría de las pérdidas en este tipo de colectores se deben a imperfecciones en la forma parabólica y a una reflexión imperfecta.

Las pérdidas debidas a la dispersión atmosférica suelen ser mínimas. Sin embargo, en un día brumoso o con niebla, la luz se difunde en todas direcciones a través de la atmósfera, lo que reduce significativamente la eficiencia de una antena parabólica. En los diseños de centrales eléctricas con generador Stirling parabólico , un motor Stirling acoplado a una dinamo se coloca en el foco de la antena. Este absorbe la energía enfocada en él y la convierte en electricidad.

Una torre de energía es una gran torre rodeada de espejos de seguimiento llamados heliostatos . Estos espejos se alinean y concentran la luz solar en el receptor situado en la parte superior de la torre; el calor captado se transfiere a una central eléctrica situada debajo. Este diseño permite alcanzar temperaturas muy elevadas. Las altas temperaturas son adecuadas para la generación de electricidad mediante métodos convencionales como la turbina de vapor o una reacción química directa a alta temperatura, como la de la sal líquida. ^{[ 30 ]} Al concentrar la luz solar, los sistemas actuales pueden obtener una mayor eficiencia que las células solares simples. Se puede cubrir una superficie mayor utilizando espejos relativamente económicos en lugar de células solares costosas . La luz concentrada se puede redirigir a una ubicación adecuada mediante un cable de fibra óptica para usos como la iluminación de edificios. El almacenamiento de calor para la producción de energía durante condiciones nubosas y nocturnas se puede lograr, a menudo mediante el almacenamiento subterráneo de fluidos calentados en tanques. Se han utilizado sales fundidas con buenos resultados. También se han propuesto otros fluidos de trabajo, como metales líquidos, debido a sus propiedades térmicas superiores. ^{[ 31 ]}

Sin embargo, los sistemas de concentración requieren seguimiento solar para mantener la luz solar enfocada en el colector. No pueden proporcionar una potencia significativa en condiciones de luz difusa . Las células solares pueden generar cierta producción incluso con el cielo nublado, pero la potencia de los sistemas de concentración disminuye drásticamente en condiciones nubosas, ya que la luz difusa no se puede concentrar adecuadamente.