Tipos de colectores solares

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.

Vamos a hacer dos grandes grupos:

  1. Colectores sin concentración
  2. Colectores con concentración

Del primer caso, que es el que vamos a ver, el modelo más usual es el colector de placa plana (c.p.p). Lo cierto es que realmente es un paralelepípedo rectangular, en donde tendremos una dimensión muy inferior a las otras dos. Normalmente una de sus caras está formada por una cubierta transparente de vidrio o plástico, aunque no existe en todos los modelos que hay en el mercado.

El colector solar de placa plana

 

Funcionamiento teórico: efecto invernadero


Tenemos un colector al sol sin circulación de fluido en su interior. La temperatura del absorbedor irá creciendo continuamente y también las pérdidas por conducción, convección y radiación, ya que se incrementan con la temperatura.

Llega un momento en que dichas pérdidas son iguales a la energía que el absorbedor recibe del sol y su temperatura se estabiliza, alcanzando la temperatura de equilibrio estática.

La temperatura de equilibrio estática será más baja cuanto más frío haya en el ambiente. Por eso, lo que en la práctica importa no es la temperatura de equilibrio de absorbedor, sino la diferencia entra ésta y la temperatura exterior tºa, en los alrededores del colector.

La velocidad del viento es otro factor que hay que tener en cuenta, ya que cuanto mayor sea, mayores serán las pérdidas de calor por convección, y, por lo tanto, tendremos una disminución en la temperatura del absorbedor.

Si dejamos circular el fluido caloportador por el interior del colector, entrando por un orificio y saliendo por otro, dicho fluido, al pasar en contacto con la parte interior del absorbedor, toma calor del mismo y aumentará su temperatura.

Si mantenemos la circulación del fluido bajo condiciones estacionarias o constantes, habrá un momento en que se volverá a alcanzar una nueva temperatura de equilibrio dinámica, tºc (más baja que la temperatura de equilibrio estática) que se mantendrá mientras no varíen las condiciones de radiación y demás factores influyentes (velocidad de circulación del fluido, viento, temperatura ambiental, etc…).

La temperatura tº que puede alcanzar un fluido va a ser menor que la del absorbedor, gracias a las características físicas propias del fenómeno de la conducción del calor, que es la forma es que éste se transmite entre el absorbedor y el fluido.

A pesar de que la temperatura tº no es la misma en todos los puntos del fluido que circula bajo el absorbedor, siempre vamos a utilizar una temperatura media, la cual se comprueba experimentalmente, que puede identificarse con la media de las temperaturas del fluido caloportador a la entrada, tºe, y la salida, tºs, del colector:

Temperatura media

Por tanto, la diferencia Δtº entre la temperatura media del  fluido ambiente será:

Diferencia temperatura media del fluido y la ambiente

Cuando el colector está en funcionamiento se debe cumplir que tºs sea mayor que tºe, ya que el fluido se va a calentar al pasar por el absorbedor. Esta afirmación es válida siempre que la radiación solar sea suficiente como para producir en el absorbedor una temperatura superior a la del fluido entrante (aunque no lo sería si se hiciese circular el fluido por la noche o en momentos de nubosidad), pues podría pasar que el absorbedor perdiera calor hacia el exterior, robándoselo al fluido que circula a través de él.

La máxima temperatura que un colector puede alcanzar será igual a la temperatura de equilibrio estática, temperatura que hemos de conocer por las siguientes cuestiones.

  • Cuando la instalación solar está parada, por la causa que sea, alcanzará la temperatura de equilibrio estática. Este caso suele darse en verano y tendremos que tomar las medidas pertinentes.
  • La temperatura máxima teórica de utilización de la instalación será inferior a la temperatura de equilibrio estática.

Pero otro dato a tener en cuenta es el llamado efecto invernadero, y para explicarlo, diremos que la radiación electromagnética, al llegar a un cuerpo puede ser absorbida de una forma total o parcial. Una parte se refleja y otra puede traspasar el cuerpo sobre el que incide esta radiación. La proporción en que se producen los casos antes explicados depende de la naturaleza del cuerpo, del estado de la superficie, del espesor atravesado, de la longitud de onda de la radiación y del ángulo de incidencia del rayo con respecto a la superficie del cuerpo.


La energía que es absorbida hace que el cuerpo se caliente y emita radiación, la cual tendrá una longitud de onda que va a depender de la temperatura del mismo. Y según este concepto, llamaremos cuerpo transparente al que deje traspasar la radiación electromagnética.

Algunos cuerpos son transparentes sólo para ciertas zonas del espectro, resultando opacos para otras. Por ejemplo, el cristal es transparente entre 0,3 y 3 µm, siendo opaco para longitudes de onda mayores. La mayor parte del espectro solar está comprendido entre 0,3 y 2,4 µm, por lo que la luz solar lo atraviesa sin problemas (absorbiendo y reflejando una pequeña parte).

En un c.p.p de cubierta de vidrio, el absorbedor, que es la parte del colector (de material metálico), donde se efectúa la conversión de la energía solar térmica, se sitúa bajo la cubierta a pocos centímetros de la misma.
Una vez atravesado el cristal, la radiación llega a la superficie del absorbedor, calentándose dicho elemento y emitiendo radiación con una longitud de onda que se sitúa entorno a 4,5 y 7,2 µm (parámetros en los que el cristal es opaco).

La radiación que emite el absorbedor va al cristal donde una parte es reflejada por la superficie interior de este, y el resto es absorbida, y, por lo tanto, no llega al exterior, calentándose el cristal y emitiendo radiación al mismo tiempo. De la radiación emitida, más o menos el 50% regresa al interior para volver a calentar aún más la superficie del absorbedor provocando el efecto invernadero:

DONDE:

1Cubierta transparente
2Placa absorbedora
3Aislamiento
4Radiación reflejada en el interior del colector
5Radiación emitida por la cubierta del colector

Hay muchos plásticos que tienen unas propiedades similares a las del cristal y pueden ser usados como cubiertas de los colectores.

Pero la cubierta transparente no sólo produce el efecto invernadero, sino que además reduce las transferencias térmicas por convección entre el colector y el exterior.

Partes principales de un colector


Si quiero elegir correctamente un colector, tengo que conocer las características de cada uno de los elementos que lo componen. Esto me va a resultar muy útil para saber la calidad de cada colector a elegir y ver cuál es el más adecuado a las condiciones ambientales locales, a las de la instalación destinada y al presupuesto que tenemos.

El c.p.p está formado por cuatro elementos:

  • El absorbedor
  • La carcasa
  • El aislamiento
  • La cubierta transparente

1Cubierta transparente
2Absorbedor
3Aislante
4Carcasa