7. COLECTORES DE VACIO


La tecnología de tubos de vacío es actualmente la más eficaz de las empleadas en los colectores solares térmicos. Durante un tiempo fue un sistema muy caro y de difícil acceso. Sin embargo este sistema comienza a hacerse cada vez más accesible para algunas aplicaciones, como lo demuestra la proliferación de sistemas compactos de agua caliente por termosifón con tubos de vacio que en los últimos años han invadido mercados en varios países.

Para poder decir que los colectores de vacio son mas eficientes que los de placa plana, es importante dar una pequeña explicación sobre los procesos físicos (radiación, convección y conducción) por los cuales la energía calorífica pasa de un cuerpo a otro y que intervienen en los procesos que determinan la mayor o menor eficacia de un colector con respecto a otro. Existen 3 formas en los que el calor se transmite de un cuerpo a otro y son:


Por Conducción- Se trata de la transmisión de calor que se produce entre dos cuerpos a distinta temperatura que están en contacto físico directo o entre dos áreas de un mismo cuerpo a distintas temperaturas. El flujo de transmisión del calor dependerá de lo amplia que sea la superficie de contacto entre las dos áreas de distinta temperatura y del desequilibrio térmico que exista entre ellas. Este tipo de transmisión la comprobamos empíricamente al tocar un cuerpo caliente (nos transmite el calor) o al sostener un elemento metálico sometido al fuego (notaremos que el calor se distribuye progresivamente por todo el objeto)


Por Convección- Tipo de transmisión de calor que sólo se da entre los fluidos, no entre los sólidos. Se produce porque al elevarse la temperatura de un fluido este pierde densidad y asciende sobre el medio más frio y denso transfiriendo a este último su calor. Este tipo de transmisión se puede comprobar empíricamente colocando una mano sobre un radiador o una estufa. Se notará una suave corriente de aire cálido ascendente.


Por Radiación. Es este caso no se requiere que los cuerpos estén en contacto para transmitirse calor pudiendo existir incluso en vacio entre ellos. Todo cuerpo por el simple hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto (-273oC) emite radiación electromagnética. Cuanta mayor sea su temperatura mayor será la radiación que emita en los colectores de energía solar podemos establecer las siguientes relaciones de transmisión del calor. El sol incide sobre el colector y este sube de temperatura. Con ese calor lo que se busca es calentar un fluido deseado, normalmente el agua (Agua y anticongelante).


Sin embargo no todo el calor generado se aprovecha para calentar el fluido deseado ya que una parte se perderá irremediablemente en calentar el aire externo que esta en contacto con el colector (conducción y convección) y otra se perderá por radiación ya que el subir de temperatura el colector emitirá más energía que el ambiente en el que se encuentra provocándose pérdidas en ese sentido.

No todos los colectores son iguales y serán más eficaces aquellos que mantengan una mejor relación entre lo que ganan de la energía del Sol y lo que pierden según hemos comentado.

Existen dos maneras de mejorar los colectores, mejorando la ganancia de energía que obtiene del sol y/o reduciendo sus pérdidas.


La mejora que aportan los colectores de tubo de vacio consiste en evitar las pérdidas por conducción y convección. Como se ha visto la transmisión de calor por conducción y convección necesita de la materia para poder llevarse a cabo. Por ello con la colocación del absorbedor en el interior de un tubo en el que se ha hecho el vacío evita las pérdidas por estos métodos sólo perdiéndose el calor por radiación (que se puede transmitir en el vacio).


Si se pierde menos calor, habrá más calor disponible para calentar el fluido que necesitamos obteniéndose así más rendimiento para la misma cantidad de energía del Sol.

También conviene mencionar que debido a la forma cilíndrica de los tubos del colector se producen más reflejos de la luz del Sol que en los colectores de placa plana con lo que la ganancia de la energía del Sol es menor. No obstante la adopción de esta forma compensa ya que se deja de perder más energía por el vacio de la que se deja de ganar por los reflejos.


7.1 Componentes del calentador solar (Tubo de vacio)


La imagen muestra los principales componentes de un calentador solar de tubos de vacio.


Figura 13: Partes del colector solar de tubos de vacio


7.2 Tipos de colectores de tubo de vacio

Los aspectos más relevantes relacionados con este tipo de colectores con respecto a sus prestaciones son la gran eficiencia energética, así como una perfecta transmisión térmica debida precisamente al vacío realizado en el interior de los tubos.

Como resultado se obtiene:

- Una mayor captación de la irradiación solar (incluso en días nubosos y con lluvia, aumentando las horas solares efectivas).

- Una mayor temperatura en el colector en época hibernal y una mínima pérdida de calor.

- Un aumento del 35 % aproximadamente del rendimiento del colector con respecto a colectores convencionales planos. Las características y prestaciones de los colectores de tubo de vacío lo hacen idóneo para aplicaciones, no sólo de ACS, sino también de calefacción, sobre todo si existe una instalación de suelo o muro radiante.

Además, debido a su capacidad de trabajar a altas temperaturas se convierte en una infraestructura válida para una futura y muy probable aplicación en climatización al poder utilizarse como generador de frío solar, aplicación ampliamente experimentada en el entorno industrial.

Los distintos sistemas de colectores de tubo de vacio se basan en los tubos evacuados. Estos están conformados por dos tubos concéntricos entre los cuales se ha aspirado el aire produciéndose un vacio. En uno de los extremos ambos tubos se unen sellándose el vacio. Dentro de ambos tubos se sitúan los distintos tipos de absorbedores que determinan los distintos sistemas.


Figura 14. Esquema de Tubos de vacío (Fuente: Sitiosolar.Portal de ene

rgías renovables).

Algunos colectores emplean un sistema denominado CPC (Colector Parabólico Concéntrico) para aprovechar la radiación solar que incide entre dos tubos. Este sistema consiste en una serie de reflectores que dirigen la luz que cae entre tubo y tubo hacia la parte trasera de los mismos donde es también aprovechada. Con ello los colectores reciben luz tanto de la parte delantera como de la trasera.

Con el sistema CPC se amplia la superficie efectiva de captación por metro cuadrado para la tecnología de tubo de vacío factor que sin embargo siempre estará por debajo de los colectores de placa plana (por metro cuadrado se capta menos pero se hace un uso más eficiente de lo captado).

Figura 15. Esquema de captación de un sistema de CPC (Fuente: Sitiosolar. Portal de energías renovables).


7.2.1 Tubos de vacio simples

Este sistema es únicamente utilizado en calentadores solares termosifónicos. Son tubos evacuados ensamblados directamente con el depósito acumulador y que por lo tanto contienen agua.

En la pared interior del tubo evacuado se sitúa una capa de color oscuro de material absorbente. Cuando la radiación solar incide sobre el material absorbente se transforma en calor y eleva la temperatura del agua que esta en contacto con él.

El agua calentada se eleva por convección y comienza a ascender siendo reemplazada por agua fría que a su vez se calienta y reinicia el proceso.


Ventaja:

Este tipo de tubo de vacio ofrece la ventaja de tener las ya comentadas escasas pérdidas de calor.

Desventajas:

Tiene la desventaja de ser muy sensible a la presión y de no ofrecer ninguna protección contra las bajas temperaturas no siendo posible su utilización en zonas con inviernos fríos sin la inclusión de un calentador eléctrico que caliente el agua del depósito cuando esta alcanza temperaturas muy bajas.

En caso de baja temperatura la dilatación del agua al congelarse puede reventar los tubos y arruinar el equipo.

Importante:

Aunque el tubo de vacio simple es de mayor rendimiento los colectores de placa plana mostrados anteriormente, tiene el inconveniente de congelarse ya que no se pueden utilizar anticongelantes, pues es el agua que consumes.

Figura 16. Tubo de vacío simple (Fuente: Sitiosolar.Portal de energías renovables).


7.2.2 Tubo de vacío de flujo directo

Esta tecnología se emplea tanto para colectores exentos como para calentadores solares compactos con depósito integrado. Los colectores de tubo de vacío de flujo directo colocan en el interior del tubo evacuado una plancha de material absorbente adecuado que hace las veces de absorbedor transformando la radiación solar en calor. El absorbedor es recorrido en su superficie por un tubo con flujo directo en el que circula un fluido que eleva su temperatura en contacto con él.

. Algunos colectores con esta tecnología aplican el sistema CPC alterando la forma del absorbedor que adopta una forma semicilíndrica para poder captar la energía solar de la forma más eficiente posible por la parte trasera.

Ventajas:

Los colectores de tubo de vacio de flujo directo tienen la ventaja de poder adoptar una posición tanto horizontal como vertical sin disminuir su rendimiento ya que el tubo puede rotar sobre su eje inclinándose el absorbedor de la manera más adecuada.

Tiene la ventaja además de ser utilizable en áreas frías ya que permite usar las estrategias contra la congelación de uso general en la energía solar térmica.

Figura 17. Tubo de vacío de flujo directo (Fuente: Sitiosolar. Energías Renovables).


7.2.3 Tubo de vacio de Heat Pipe.


Esta tecnología de colectores solares emplea un mecanismo denominado Heatpipe. ( tubo de calor). Este mecanismo consiste en un tubo cerrado en el cual se introduce un fluido de propiedades específicas. Cuando el Sol incide sobre el absorbedor adosado al tubo, el fluido se evapora y absorbe calor (calor latente). Como gas asciende sobre el líquido hasta lo alto del tubo donde se sitúa el foco frio. Allí se licua (condensa) y cede su calor latente al fluido que nos interesa calentar volviendo a caer al fondo del tubo por gravedad. Este proceso se repite mientras dure la radiación del Sol o hasta que el colector ha alcanzado una temperatura muy alta (de en torno los 130 grados o más). El Heat pipe o tubo de calor es considerado como un superconductor térmico por lo eficaz de su funcionamiento.


Figura 18: 1) La radiación solar incide en el absorbedor que se calienta y transmite ese calor al tubo. 2) el calor recibido provoca que el fluido en el interior del tubo se evapore y ascienda 3) El fluido evaporado cede su calor latente al fluido más frio que circula por el exterior de la cabeza del tubo y al hacerlo se licua 4) El fluido de nuevo en estado liquido cae por gravedad al fondo del tubo para reiniciar el proceso.


Ventajas:

Los colectores de tubo de vacio con tecnología Heat Pipe tienen la ventaja de no sufrir pérdidas por la noche ya que el proceso de transferencia de calor no es reversible (es decir el fluido caliente o el calor no puede pasar del acumulador al tubo y por lo tanto perderse). Además cada tubo es independiente pudiéndose cambiar en pleno funcionamiento del sistema. Es altamente resistente a las heladas.

Dado que también pueden girar sobre su eje los tubos, existe la posibilidad de que adopten posiciones verticales y horizontales al igual que ocurre en los sistemas de flujo directo aunque en este caso habrá que respetar una inclinación mínima del largo del tubo para permitir que el fluido una vez licuado pueda descender por gravedad.

En esta tecnología también se aplica el sistema CPC

Figura 19: Tubo de vacio Heat Pipe


7.3 Equipos compactos


7.3.1. Equipo compacto no presurizado (termosifón)

Trabajan a baja presión, menor que 1 bar, el agua de consumo se encuentra dentro del tanque y los tubos. Utiliza el sistema de termosifón con tubos de vacio simples.

El agua circula por efecto termosifón y convección entre tubos al vacío y el tanque térmico en un circuito cerrado. Este diagrama (Figura 20) muestra el principio de convección: cuando el agua fría entra al tanque de almacenamiento, el agua fría fluye hacia la parte inferior de los tubos al vacío, y conforme el agua de los colectores se calienta con el Sol, es menos densa, pesa menos y sube de los tubos al tanque térmico de almacenamiento. El agua continúa circulando mientras exista radiación, aumentando la temperatura del agua caliente en el tanque de almacenamiento.


Figura 20: Esquema del sistema termosifón en los tanques sin presión


7.3.2 Equipo compacto presurizado

Permite trabajar con presión, hasta 6 bar, el agua de consumo se encuentra dentro del tanque y no en los tubos. Utiliza el sistema Heat Pipe. Neutraliza el riesgo por heladas, sin perdidas hidráulicas ante posibles roturas de tubos.

El sistema presurizado puede trabajar con serpentina dentro del tanque soportando alta presión de agua y temperaturas hasta 18º bajo cero, o sin serpentina, con tubo al vacio Heat Pipe, especial para temperaturas menores a 18º bajo cero hasta 50º bajo cero.

· Sistemas "Solar Compacto Presurizado con serpentina"

Se componen de un Calentador Termo Solar que provee presión principal precalentada vía un intercambiador de calor de alta eficiencia ubicado dentro del tanque del colector solar.

La forma en que el colector solar principal de presión calienta el agua es la misma que sistemas sin presión, más allá de usar el agua directamente calentada, este usa entre 45 a 60 metros de cañería de cobre en serpentín, que le permite mantener la presión del agua sin necesidad de caída y o de una bomba externa.

El intercambiador de calor dentro provee una superficie útil de 1,2 m2 para transferir calor. Cuando el agua fluye a través de la cañería, esta absorbe el calor del agua precalentada dentro del tanque del colector solar.
El componente clave del "sistema solar Termo solar" son los tubos de vidrio al vacío de alta tecnología que absorben no solamente los rayos solares directos, sino también el calor del medio ambiente (radiación solar difusa), pueden ser los tubos Heat pipe.

A

B


Figura 21: Calentador solar compacto presurizado A. con serpentina y B. sin serpentina

Ventajas del sistema compacto con serpentina,

Calor en cualquier momento: Adopta la idea avanzada del diseño e integra la técnica del precalentamiento de reconocida eficiencia, así que puede calentar el agua fría rápidamente cuando atraviesa el serpentín. Puede superar los problemas de posible cortocircuito del termosifón abierto tradicional, tal como calentamiento lento y tiempos de espera largo.


7.2.4 Equipo solar compacto split


Split significa que los colectores están separados de los tanques de agua caliente. Utiliza una bomba de circulación y un controlador solar para circular el fluido entre el colector y el tanque presurizado, por lo que el colector puede ser instalado en el techo (en el exterior), mientras que el tanque puede instalarse dentro de la edificación. Los colectores armonizan con la fachada de la vivienda, manteniendo así su belleza.

El traspaso de calor del fluido del circuito primario se puede realizar en forma directa al tanque acumulador, o mediante un intercambiador de calor en forma de serpentín dentro del tanque (con una o dos serpentinas)

El tanque sin serpentina permite calentar el agua directamente de forma más eficiente, el uso de dos serpentinas de cobre dentro del tanque es usado para climas donde hay riesgo de congelamiento, siendo así mismo menos costoso y fácil de instalar.

Figura 22: Sistema Split con y sin serpentina de cobre

Esquema básico de funcionamiento y ahorro.

Figura 23: Esquema de circulación de agua caliente dentro de una casa con un sistema split


7.2.5 Sistema heat pipe en U

Estos colectores tienen una alta eficiencia, trabajan en posición horizontal, resisten todo tipo de climas incluso inviernos largos, funciona exitosamente en posición vertical para sistemas de circulación forzada. Es un sistema ideal para uso familiar.

Puede funcionar con presiones hasta 6 bar.

Tiene un coeficiente óptico de 0.70

Rango de temperaturas que van de 10 hasta 130oC con una temperatura mínima de -50oC.



Figura 24: Tubo de vacio Heatpipe en U