Colector solar

Un colector solar es un dispositivo encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía calorífica. Hay muchos tipos de colectores solares, dependiendo de los fines a los que se vayan a dedicar, de las características en cada una de sus principales partes, del material del que está formado dicho colector…, pero el que nosotros vamos a ver, el modelo más usual es colector de placa plana (c.c.p), al mostrar un aspecto de rectángulo plano al mirarlo a una cierta distancia.

Vamos a centrarnos en los equipos y sistemas que aprovechen la radiación solar para calentar el agua. Lo más adecuado para conseguir dicho objetivo es utilizar el colector de placa plana, el cual va a ser descrito en los siguientes apartados.

¿Qué es un colector solar?

Un colector solar es el encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía calorífica.

Un cuerpo expuesto al sol recibe flujo energético E, con el que se calienta. A su vez, se producen pérdidas térmicas por radiación, convección y conducción, las cuales crecen al hacerlo la temperatura del cuerpo.

Habrá un instante en que las pérdidas térmicas Ep sean iguales a las ganancias debidas al flujo que incide, llegando a la llamada temperatura de equilibrio tªc.

E = Ep

La temperatura de equilibrio para los colectores no suele ser demasiado alta, siendo generalmente inferior a los 100 ºC para los valores de I del orden de 1000 W/m2.

Pero si logramos sacar una parte del calor producido en el cuerpo por el flujo radiante incidente de forma continua para aprovecharlo como energía utilizable, cambiaremos las condiciones de equilibrio anteriores, y tendremos la siguiente ecuación:

E = Ep + EU

Siendo EU la energía neta extraída del cuerpo.

Ahora, Ep es menor, ya que no toda la energía incidente se pierde, sino que una parte es aprovechada: entonces diremos que el cuerpo se ha convertido en un colector solar. La temperatura de equilibrio del caso anterior, puesto que dicha temperatura se decrementa con Ep.

Si queremos aumentar EU, tendremos dos opciones:

  1. Reducir Ep
  1. Aumentar E

Si elegimos la primera opción, tendremos que mejorar el diseño para reducir al máximo las pérdidas que van a tener lugar.

Con la segunda opción, y para aumentar E, concentraremos el flujo solar sobre una superficie más pequeña para que, al ser menor el área, la intensidad aumente, siendo este sistema utilizado en los colectores de concentración. En ambos casos se cumple la primera ecuación, donde E es constante en una determinada situación, y Ep y EU están en función de la temperatura de trabajo del colector o temperatura de utilización, además de otros factores, como puedan ser las condiciones ambientales.

En un colector solar, la energía EU sale del colector a través del fluido caloportador, que atraviesa al colector, recogiendo parte del calor producido y llevándolo a otro lugar donde será acumulado.

Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura de utilización y la temperatura ambiente, tendremos mayores pérdidas térmicas y, por tanto, menos energía útil que el fluido caloportador será capaz de extraer.

Como el rendimiento del colector se define como el cociente entre la energía útil obtenida y la energía solar incidente, éste disminuye a medida que la temperatura de utilización aumenta.

La temperatura que alcanza el fluido caloportador nunca podrá ser, para un colecto determinado, igual o superior a su temperatura de equilibrio, ya que un cuerpo que cede calor a un fluido que está en contacto con él nunca puede ser capaz de elevar la temperatura de dicho fluido más que su propia temperatura.

De lo expuesto anteriormente, diremos que desde el punto de vista energético interesa hacer trabajar a los colectores a la temperatura más baja posible, siempre y cuando dicha temperatura sea la suficiente como para ser utilizada bajo condiciones necesarias y específicas de cada caso.

Gráfico de la influencia de la temperatura sobre el rendimiento

La mejora del aislamiento permite reducir las pérdidas Ep y aumentar la energía utilizable Eu.

Formula rendimiento

ƞ = RendimientoEu = Energía útil obtenida
E = Energía solar incidente

En cuanto a la orientación, cuanto mayor sea el ángulo entre los rayos y la normal a la superficie del colector, menor será la radiación aprovechada E, lo que disminuirá Eu.

NOTA: En las máquinas térmicas se define el rendimiento como el cociente entre la energía útil y la aportada. Teniendo en cuenta que hay energía perdida siempre, ese rendimiento será menor de uno.