Un colector solar térmico recoge el calor absorbiendo la luz solar . El término "colector solar" comúnmente se refiere a un dispositivo para calentar agua con energía solar , pero puede referirse a grandes instalaciones de generación de energía, como colectores solares parabólicos y torres solares , o dispositivos que no calientan agua , como cocinas solares o calentadores de aire solares . [1]
Los colectores solares térmicos son concentradores o no concentradores. En los colectores no concentradores, el área de apertura (es decir, el área que recibe la radiación solar ) es aproximadamente la misma que el área de absorción (es decir, el área que absorbe la radiación). Un ejemplo común de un sistema de este tipo es una placa de metal pintada de un color oscuro para maximizar la absorción de la luz solar. Luego, la energía se recolecta enfriando la placa con un fluido de trabajo , a menudo agua o glicol que corre por tuberías conectadas a la placa.
Los colectores concentradores tienen una apertura mucho mayor que el área del absorbente. La abertura suele tener la forma de un espejo que se enfoca en el absorbente, que en la mayoría de los casos son las tuberías que transportan el fluido de trabajo. [2] Debido al movimiento del sol durante el día, los colectores de concentración a menudo requieren algún tipo de sistema de seguimiento solar y, a veces, se los denomina colectores "activos" por este motivo.
Los colectores no concentradores se utilizan normalmente en edificios residenciales, industriales y comerciales para calefacción de espacios , mientras que los colectores concentradores en plantas de energía solar concentrada generan electricidad calentando un fluido de transferencia de calor para impulsar una turbina conectada a un generador eléctrico . [3]
Los colectores solares de placa plana y de tubo de vacío se utilizan principalmente para recolectar calor para calefacción de espacios, agua caliente sanitaria o refrigeración con un enfriador de absorción . A diferencia de los paneles solares de agua caliente, utilizan un fluido circulante para desplazar el calor a un depósito separado. El primer colector solar térmico diseñado para tejados de edificios fue patentado por William H. Goettl y se denominó " colector de calor solar y radiador para tejados de edificios ". [4]
Los colectores solares de placa plana evacuados son una innovación más reciente y se pueden utilizar para calor solar para refrigeración industrial (SHIC) y aire acondicionado solar (SAC), donde se requieren temperaturas superiores a 100 °C (212 °F). [5] [6] Estos colectores no concentrados captan luz directa y difusa y pueden utilizar vapor en lugar de agua como fluido.
Los colectores planos son la tecnología solar térmica más común en Europa . [7] Consisten en un (1) recinto que contiene (2) una placa absorbente de color oscuro con conductos de circulación de fluidos y (3) una cubierta transparente para permitir la transmisión de energía solar al interior del recinto. Los lados y la parte posterior del gabinete generalmente están aislados para reducir la pérdida de calor al ambiente. Un fluido de transferencia de calor circula a través de los conductos de fluido del absorbente para eliminar el calor del colector solar. El fluido circulante en los climas tropicales y subtropicales suele ser agua. En climas donde es probable la congelación, se puede usar un fluido de transferencia de calor similar a una solución anticongelante para automóviles en lugar de agua o en una mezcla con agua. Si se utiliza un fluido de transferencia de calor, normalmente se emplea un intercambiador de calor para transferir calor desde el fluido del colector solar a un tanque de almacenamiento de agua caliente. El diseño de absorbente más común consiste en un tubo de cobre unido a una lámina metálica de alta conductividad (cobre o aluminio). Se aplica una capa oscura al lado del conjunto absorbente que mira hacia el sol para aumentar la absorción de energía solar. Un recubrimiento absorbente común es la pintura de esmalte negro.
En diseños de colectores solares de mayor rendimiento, la cubierta transparente es de vidrio sodocálcico templado que tiene un contenido reducido de óxido de hierro , igual que para los paneles solares fotovoltaicos . El vidrio también puede tener un patrón punteado y uno o dos revestimientos antirreflectantes para mejorar aún más la transparencia . El revestimiento absorbente suele ser un revestimiento selectivo, donde selectivo significa tener la propiedad óptica especial de combinar una alta absorción en la parte visible del espectro electromagnético junto con una baja emitancia en la parte infrarroja . Esto crea una superficie selectiva , que reduce la emisión de energía del cuerpo negro del absorbente y mejora el rendimiento. Las tuberías pueden soldarse con láser o ultrasonido a la lámina absorbente para reducir el daño al recubrimiento selectivo, que generalmente se aplica antes de unir bobinas grandes en un proceso de rollo a rollo .
Las configuraciones de tuberías de absorción incluyen:
También se ha comercializado un colector de placa plana que utiliza una estructura de panal para reducir la pérdida de calor también en el lado del vidrio. La mayoría de los colectores de placa plana tienen una vida útil de más de 25 años. [ cita necesaria ] .
Los colectores de tubos de vacío son la tecnología solar térmica más común en el mundo. [7] Hacen uso de un tubo de vidrio para rodear el absorbente con alto vacío y resistir eficazmente la presión atmosférica . El vacío que rodea al absorbente reduce en gran medida la pérdida de calor por convección y conducción , consiguiendo así una mayor eficiencia de conversión de energía . El absorbente puede ser metálico como en el caso de los colectores de placa plana o 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. Para estos últimos, los caloductos transfieren calor al fluido en un intercambiador de calor llamado "colector" colocado transversalmente con respecto a los tubos. [ cita necesaria ] El colector está envuelto en aislamiento ( lana de vidrio ) y cubierto por una caja protectora de metal o plástico que también se utiliza para fijar a soportes.
Los tubos de vacío de vidrio-metal se fabrican con láminas absorbentes metálicas planas o curvas, iguales a las de las placas planas. Estas láminas se unen a tuberías o heatpipes para formar "aletas" y se colocan dentro de un único tubo de vidrio de borosilicato . Se puede depositar un revestimiento antirreflectante sobre las superficies interior y exterior de dichos tubos para mejorar la transparencia. Tanto el revestimiento selectivo como el antirreflectante (superficie del tubo interior) no se degradarán hasta que se pierda el vacío. [8] Sin embargo, se requiere un sello de vidrio-metal de alto vacío en uno o ambos lados de cada tubo de vacío. Este sello oscila entre la temperatura ambiente y la del fluido cada día de funcionamiento del colector y podría provocar fallas con el tiempo.
Los tubos de vacío de vidrio-vidrio están hechos con dos tubos de vidrio de borosilicato fusionados en uno o ambos extremos (similar a una botella de vacío o un matraz Dewar). La aleta absorbente 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 absorbente. Para evitar esto, el recubrimiento selectivo se puede depositar sobre el tubo interior de borosilicato (lado de alto vacío), pero en este caso el calor tiene que fluir a través del espesor de vidrio mal conductor del tubo interior. Además, la humedad puede entrar en la zona no evacuada del interior del tubo interior y provocar corrosión en el amortiguador , especialmente si está fabricado con materiales diferentes ( corrosión galvánica ).
Una bomba captadora de flash de bario comúnmente se evapora dentro del espacio de alto vacío entre los tubos para mantener la presión interna estable a lo largo del tiempo.
Las altas temperaturas que pueden ocurrir dentro de los tubos de vacío pueden requerir un diseño especial para evitar el sobrecalentamiento . Algunos colectores de tubo de vacío funcionan como válvula térmica unidireccional gracias a sus tubos de calor. Esto les da una temperatura de funcionamiento máxima inherente que actúa como característica de seguridad. [9] Los colectores de tubos de vacío también pueden estar provistos de reflectores de baja concentración en la parte posterior de los tubos, formando un colector CPC. [10]
Existe una discusión de larga data entre los defensores de estas dos tecnologías. Algo de esto puede estar relacionado con la estructura de los colectores de tubos de vacío que tienen un área de absorbancia discontinua. Una serie de colectores de tubos de vacío en un techo tiene espacio entre los tubos individuales y un espacio de vacío entre cada tubo y su absorbente en el interior, cubriendo solo una fracción del área de instalación en un techo. Si se comparan los tubos de vacío con los colectores de placa plana basándose en el área del techo ocupada (área bruta), se podría llegar a una conclusión diferente que si se compararan las áreas de absorción o de apertura. 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 y esto podría favorecer 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 porque no tienen aislamiento en el lado del vidrio. Los colectores de tubos de vacío tienen intrínsecamente una relación más baja entre absorbente y área bruta (normalmente entre un 60% y un 80% menos) que las placas planas porque los tubos deben estar espaciados. Aunque varias empresas europeas fabrican colectores de tubos de vacío (principalmente del tipo vidrio-metal), el mercado de tubos de vacío está dominado por fabricantes de China, y algunas empresas tienen una trayectoria de entre 15 y 30 años o más. No hay evidencia inequívoca de que los dos diseños difieran en confiabilidad a largo plazo. Sin embargo, la tecnología de tubos de vacío (especialmente para las variantes más nuevas con sellos de vidrio y metal y tubos de calor) aún necesita demostrar una vida útil competitiva. La modularidad de los tubos de vacío puede resultar ventajosa en términos de extensibilidad y mantenimiento; por ejemplo, si se pierde el vacío en un tubo de caloducto, se puede reemplazar fácilmente con un esfuerzo mínimo.
En la mayoría de los climas, los colectores de placa plana generalmente serán más rentables que los tubos de vacío. [14] Sin embargo, los colectores de tubos de vacío se adaptan bien a temperaturas ambiente frías y funcionan bien en situaciones de baja irradiancia solar, proporcionando calor de manera más constante durante todo el año. Los colectores planos no vidriados son los dispositivos preferidos para calentar el agua de las piscinas. Los colectores sin vidriar pueden ser adecuados en ambientes tropicales o subtropicales si es necesario calentar el agua caliente sanitaria a menos de 20 °C (36 °F) por encima de la temperatura ambiente. Los colectores de tubos de vacío tienen menos resistencia aerodinámica, lo que puede permitir una instalación más sencilla en techos en lugares con mucho viento. 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 irradiado por los tubos también puede impedir la eliminación efectiva 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 de vacío ofrecen todas las ventajas de los colectores de placa plana y de tubo de vacío combinados. Rodean un absorbente de chapa 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 utiliza aislamiento de alto vacío se desarrolló en el CERN , [16] mientras que TVP SOLAR SA de Suiza fue la primera empresa en comercializar colectores certificados 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 absorbente debe estar segmentado o provisto de orificios adecuados para acomodar dicha estructura. La unión de todas las piezas debe ser estanca al vacío y solo se pueden utilizar materiales con baja presión de vapor para evitar la desgasificación . La tecnología de sellado vidrio-metal puede basarse en vidrio metalizado [18] o metal vitrificado [19] y define el tipo de colector. A diferencia de los colectores de tubo de vacío, utilizan bombas getter no evaporables (NEG) para mantener la presión interna estable a lo largo del tiempo. Esta tecnología de bomba getter tiene la ventaja de proporcionar cierta regeneración in situ mediante la exposición a la luz solar. Los colectores solares de placa plana evacuados se han estudiado para el aire acondicionado solar y se han comparado con concentradores solares compactos. [20]
Estos coleccionistas son una alternativa a los coleccionistas de metal. Estos pueden ser enteramente de polímero o pueden incluir placas de metal delante de canales de agua resistentes a las heladas hechos de caucho de silicona . Los polímeros son flexibles y, por lo tanto, tolerantes a las heladas y pueden emplear agua corriente en lugar de anticongelante, de modo que puedan conectarse directamente a los tanques de agua existentes en lugar de necesitar intercambiadores de calor que reducen la eficiencia. Al prescindir de un intercambiador de calor, las temperaturas no necesitan ser tan altas para que se encienda el sistema de circulación, por lo que dichos paneles de circulación directa, ya sean de polímero o de otro tipo, pueden ser más eficientes, particularmente con niveles bajos de irradiancia solar . Algunos de los primeros colectores de polímeros recubiertos selectivamente sufrieron sobrecalentamiento cuando estaban aislados, ya que las temperaturas de estancamiento pueden exceder el punto de fusión del polímero. [21] [22] Por ejemplo, el punto de fusión del polipropileno es 160 °C (320 °F), mientras que la temperatura de estancamiento de los colectores térmicos aislados puede exceder los 180 °C (356 °F) si no se utilizan estrategias de control. Por esta razón, el polipropileno no se utiliza frecuentemente en colectores solares vidriados con recubrimiento selectivo. Se utilizan cada vez más polímeros como las siliconas de alta temperatura (que se funden a más de 250 °C (482 °F)). Algunos colectores solares vidriados que no son a base de polímeros de polipropileno tienen un revestimiento negro mate en lugar de un revestimiento selectivo para reducir la temperatura de estancamiento a 150 °C (302 °F) o menos.
En áreas donde la congelación es posible, la tolerancia a la congelación (la capacidad de congelarse repetidamente sin agrietarse) se puede lograr mediante el uso de polímeros flexibles. Se han utilizado tuberías de caucho de silicona para este propósito en el Reino Unido desde 1999. Los colectores metálicos convencionales son vulnerables a sufrir daños por congelación, por lo que si se llenan con agua, se deben conectar con cuidado para que se drene completamente usando la gravedad antes de que se espere la congelación, para que no grieta. Muchos colectores metálicos se instalan como parte de un sistema de intercambiador de calor sellado. En lugar de que el agua potable fluya directamente a través de los colectores, se utiliza una mezcla de agua y anticongelante como propilenglicol. Un fluido intercambiador de calor protege contra daños por congelación hasta una temperatura de riesgo determinada localmente y que depende de la proporción de propilenglicol en la mezcla. El uso de glicol reduce marginalmente la capacidad de transporte de calor del agua, mientras que la adición de un intercambiador de calor adicional puede reducir el rendimiento del sistema en niveles bajos de luz. [ cita necesaria ]
Una piscina o un colector sin vidriar es una forma simple de colector de placa plana sin cubierta transparente. Normalmente se utiliza como absorbente polipropileno o caucho EPDM o caucho de silicona. Utilizado para calentar piscinas, puede funcionar bastante bien cuando la temperatura de salida deseada está cerca de la temperatura ambiente (es decir, cuando hace calor afuera). A medida que la temperatura ambiente se vuelve más fría, estos colectores se vuelven menos efectivos. [ cita necesaria ]
Un cuenco solar es un tipo de colector solar térmico que funciona de manera similar a un plato parabólico, pero en lugar de utilizar un espejo parabólico de seguimiento con un receptor fijo, tiene un espejo esférico fijo con un receptor de seguimiento. Esto reduce la eficiencia pero hace que su construcción y operación sean más baratas. Los diseñadores lo llaman sistema de energía solar de enfoque distribuido con espejo fijo . La razón principal de su desarrollo fue eliminar el costo de mover un espejo grande para seguir el sol como ocurre con los sistemas parabólicos. [23]
Un espejo parabólico fijo crea una imagen del sol de diversas formas a medida que se mueve por el cielo. Sólo cuando el espejo apunta directamente al sol la luz se enfoca en un punto. Por eso los sistemas parabólicos siguen al sol. Un espejo esférico fijo enfoca la luz en el mismo lugar independientemente de la posición del sol. La luz, sin embargo, no se dirige a un punto, sino que se distribuye en una línea que va desde la superficie del espejo hasta medio radio (a lo largo de una línea que pasa por el centro de la esfera y el sol). [ cita necesaria ]
A medida que el sol se mueve por el cielo, la apertura de cualquier colector fijo cambia. Esto provoca cambios en la cantidad de luz solar captada, produciendo lo que se denomina efecto sinusal de producción de energía. Los defensores del diseño del cuenco solar afirman que la reducción en la producción total de energía en comparación con los espejos parabólicos de seguimiento se compensa con menores costos del sistema. [23]
La luz solar concentrada en la línea focal de un reflector esférico se recoge mediante un receptor de seguimiento. Este receptor gira alrededor de la línea focal y suele estar contrapesado. El receptor puede estar compuesto por tuberías que transportan fluido para la transferencia térmica o por 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 central eléctrica 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° habría maximizado el rendimiento). El borde del hemisferio fue "recortado" a 60°, creando una apertura máxima de 3318 pies cuadrados (308,3 m 2 ). Este cuenco piloto producía electricidad a una velocidad máxima de 10 kW. [ cita necesaria ]
Un cuenco solar de Auroville de 15 metros (49 pies) de diámetro fue desarrollado a partir de una prueba anterior de un cuenco de 3,5 metros (11 pies) en 1979-1982 por el Instituto de Investigación de Energía Tata . Esa prueba demostró el uso del recipiente solar en la producción de vapor para cocinar. El proyecto a gran escala para construir una cocina y un cuenco solar comenzó en 1996 y estaba en pleno funcionamiento en 2001. [ cita necesaria ]
En lugares con energía solar disponible promedio, 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 es en edificios residenciales donde la demanda de agua caliente tiene un gran impacto en las facturas energéticas. Esto generalmente significa una situación con una familia numerosa o una situación en la que la demanda de agua caliente es excesiva debido al lavado frecuente de ropa. Las aplicaciones comerciales incluyen lavanderías, lavados de autos, instalaciones de lavandería militares y establecimientos de comidas. La tecnología también se puede utilizar para calentar espacios si el edificio está ubicado fuera de la red o si el suministro eléctrico está sujeto a cortes frecuentes. Es más probable que los sistemas solares de calentamiento de agua sean rentables para instalaciones con sistemas de calentamiento de agua que son costosos de operar, o con operaciones como lavanderías o cocinas que requieren grandes cantidades de agua caliente. Los colectores de líquido sin vidriar se utilizan habitualmente 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, más baja que la temperatura de las piscinas, donde los colectores sin vidriar están bien establecidos en el mercado como la opción correcta. Como 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 la temperatura del aire cae por debajo de 44 °F (7 °C) en noches despejadas. [24]Un porcentaje menor, pero creciente, de colectores sin vidriar son flexibles, lo que significa que pueden soportar la congelación del agua dentro de su absorbente. El problema de congelación solo debe ser la tubería llena de agua y los colectores colectores en condiciones de congelación intensa. Se deben instalar sistemas solares de agua caliente sin vidriar para "drenar" a un tanque de almacenamiento siempre que la radiación solar sea insuficiente. No existen problemas de choque térmico con los sistemas sin vidriar. Comúnmente utilizados en el calentamiento de piscinas desde los inicios de la energía solar, los colectores solares sin vidriar 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 las posibilidades de contaminación y, en el caso de los colectores no vidriados, a la diferencia de presión entre el fluido de trabajo solar (agua) y la carga (agua urbana fría a presión). Los calentadores de agua solares sin vidriar a gran escala, como el del Centro Acuático Minoru en Richmond, Columbia Británica, funcionan a temperaturas más bajas que los sistemas de tubos de vacío o colectores en caja y vidriados. Aunque requieren intercambiadores de calor más grandes y costosos, todos los demás componentes, incluidos los tanques de almacenamiento ventilados y las tuberías de plástico PVC sin aislamiento, reducen drásticamente los costos de esta alternativa en comparación con los tipos de colectores de mayor temperatura. Cuando calentamos agua caliente, en realidad estamos calentando agua fría para calentarla y agua tibia para calentarla. Podemos calentar el frío con la misma eficacia con los colectores no vidriados, del mismo modo que podemos calentar el calor con los colectores de alta temperatura. [ cita necesaria ]
Un colector solar de aire simple consta de un material absorbente, que a veces tiene una superficie selectiva, para capturar la radiación del sol y transferir esta energía térmica al aire mediante transferencia de calor por conducción. Este aire calentado luego se conduce al espacio del edificio o al área de proceso donde el aire calentado se utiliza para calefacción de espacios o necesidades de calefacción de procesos. Los sistemas solares-térmicos de aire, que funcionan de manera similar a un horno de aire forzado convencional, proporcionan calor haciendo circular aire sobre una superficie colectora de energía, absorbiendo la energía térmica del sol y canalizando el aire que entra en contacto con ella. Se pueden fabricar colectores simples y efectivos para una variedad de aplicaciones de procesos y aire acondicionado. [ cita necesaria ]
Muchas aplicaciones pueden utilizar tecnologías de calor del aire solar para reducir la huella de carbono procedente del uso de fuentes de calor convencionales, como los combustibles fósiles, para crear un medio sostenible de producir energía térmica. Aplicaciones como calefacción de espacios, extensión de la temporada de invernaderos , precalentamiento del aire de reposición de ventilación o calor de proceso pueden abordarse mediante dispositivos solares de calor de aire. En el campo de la ' cogeneración solar ', las tecnologías solares térmicas se combinan con la fotovoltaica (PV) para aumentar la eficiencia del sistema al quitar el calor de los colectores fotovoltaicos, enfriar los paneles fotovoltaicos para mejorar su rendimiento eléctrico y al mismo tiempo calentar el aire. para calefacción de espacios. [ cita necesaria ]
La calefacción de espacios para aplicaciones residenciales y comerciales se puede realizar mediante el uso de paneles solares de calentamiento de aire. Esta configuración opera extrayendo aire de la envolvente del edificio o del ambiente exterior y haciéndolo pasar a través del colector donde el aire se calienta por conducción desde el absorbente y luego se suministra al espacio habitable o de trabajo ya sea por medios pasivos o con la ayuda de un admirador. Una figura pionera en este tipo de sistema fue George Löf, quien construyó un sistema de aire calentado por energía solar en 1945 para una casa en Boulder, Colorado. Más tarde incluyó un lecho de grava para almacenar calor. [ cita necesaria ]
En la mayoría de los edificios comerciales, industriales e institucionales se requiere ventilación, aire fresco o aire de reposición para cumplir con los requisitos del código. Al aspirar aire a través de un colector de aire transpirado sin vidriar diseñado adecuadamente o un calentador de aire, el aire fresco calentado por energía solar puede reducir la carga de calefacción durante el funcionamiento diurno. Actualmente se están instalando muchas aplicaciones en las que el colector transpirado precalienta el aire fresco que ingresa a un ventilador de recuperación de calor para reducir el tiempo de descongelación de los HRV. Cuanto mayor sea la ventilación y la temperatura, mejor será el tiempo de recuperación. [ cita necesaria ]
El calor del aire solar también se utiliza en aplicaciones de procesos como el secado de ropa, cultivos ( es decir , té, maíz, café) y otras aplicaciones de secado. El aire calentado a través de un colector solar y luego pasado sobre un medio para secarlo puede proporcionar un medio eficaz para reducir el contenido de humedad del material. [ cita necesaria ]
Un horno solar puede producir calor de proceso a alta temperatura .
Los colectores se clasifican comúnmente según sus métodos de conducción de aire en uno de tres tipos:
Los colectores también se pueden clasificar por su superficie exterior:
Al ofrecer la mayor eficiencia de cualquier tecnología solar, la configuración de paso directo, el aire conducido a un lado del absorbente pasa a través de un material perforado y se calienta a partir de las propiedades conductoras del material y las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbentes de paso tienen la mayor superficie, lo que permite tasas de transferencia de calor conductivo relativamente altas, pero una caída de presión significativa puede requerir una mayor potencia del ventilador, y el deterioro de ciertos materiales absorbentes después de muchos años de exposición a la radiación solar puede crear además problemas con la calidad y el rendimiento del aire. .
En las configuraciones de tipo de paso posterior, paso frontal y combinación, el aire se dirige hacia la parte posterior, frontal o a ambos lados del absorbente para calentarse desde el retorno a los cabezales de los conductos de suministro. Aunque pasar el aire por ambos lados del absorbente proporcionará una mayor superficie para la transferencia de calor conductivo, pueden surgir problemas con el polvo (incrustaciones) al pasar aire por el lado frontal del absorbente, lo que reduce la eficiencia del mismo al limitar la cantidad de luz solar recibida. . En climas fríos, el aire que pasa junto al acristalamiento provocará además una mayor pérdida de calor, lo que se traducirá en un menor rendimiento general del captador.
Los sistemas acristalados suelen tener una lámina superior transparente y paneles laterales y traseros aislados para minimizar la pérdida de calor al aire ambiente. Las placas absorbentes de los paneles modernos pueden tener una absortividad superior al 93%. Colectores solares vidriados (tipos de recirculación que generalmente se utilizan para calefacción de espacios). Por lo general, el aire pasa a lo largo de la parte delantera o trasera de la placa absorbente mientras elimina el calor directamente de ella. Luego, el aire caliente se puede distribuir directamente para aplicaciones como calefacción y secado de espacios o se puede almacenar para su uso posterior. La recuperación de la inversión de los paneles solares vidriados para calentar el aire puede ser de menos de 9 a 15 años, dependiendo del combustible que se reemplace.
Los sistemas sin vidriar o sistemas de aire transpirado se han utilizado para calentar el aire de reposición o ventilación en aplicaciones comerciales, industriales, agrícolas y de procesos. Consisten en una placa absorbente por la que pasa el aire mientras elimina el calor del absorbente. Los materiales de vidriado no transparentes son menos costosos y reducen los períodos de recuperación esperados. Los colectores transpirados se consideran "sin vidriar" porque las superficies de sus colectores están expuestas a los elementos, a menudo no son transparentes ni están selladas herméticamente.
El término "colector de aire sin vidriar" se refiere a un sistema de calentamiento de aire solar que consiste en un absorbente de metal sin vidrio ni vidriado en la parte superior. El tipo de colector no vidriado más común en el mercado es el colector solar transpirado. La tecnología ha sido monitoreada exhaustivamente por estas agencias gubernamentales, y Natural Resources Canada desarrolló la herramienta de viabilidad RETScreen™ para modelar el ahorro de energía de los colectores solares transpirados. Desde entonces, se han instalado varios miles de sistemas de colectores solares transpirados en una variedad de aplicaciones comerciales, industriales, institucionales, agrícolas y de procesos en países de todo el mundo. Esta tecnología se utilizó originalmente principalmente en aplicaciones industriales, como plantas de fabricación y ensamblaje, donde había altos requisitos de ventilación, calor estratificado en el techo y, a menudo, presión negativa en el edificio. Con el creciente impulso para instalar sistemas de energía renovable en los edificios, los colectores solares de transpiración se utilizan ahora en todo el parque de edificios debido a la alta producción de energía (hasta 750 vatios térmicos máximos/metro cuadrado), la alta conversión solar (hasta el 90 %) y Costos de capital más bajos en comparación con la energía solar fotovoltaica y el calentamiento solar de agua.
El calentamiento solar del aire es una tecnología de calefacción de energía renovable que se utiliza para calentar o acondicionar el aire para edificios o aplicaciones de calor de proceso. Generalmente es la más rentable de todas las tecnologías solares, especialmente en aplicaciones a gran escala, y aborda el mayor uso de energía de edificios en climas cálidos, que es la calefacción de espacios y la calefacción de procesos industriales. Están vidriados o sin vidriar.
Los colectores de aire sin vidriar calientan el aire ambiente (exterior) en lugar del aire recirculado del edificio. Los colectores solares transpirados generalmente se montan en la pared para capturar el ángulo más bajo del sol en los meses de calefacción del invierno, así como el reflejo del sol en la nieve y lograr su rendimiento óptimo y retorno de la inversión cuando funcionan a caudales de entre 4 y 8 CFM por pie cuadrado. (72 a 144 m3/h.m2) de área de colectores.
La superficie exterior de un colector solar transpirado consta de miles de pequeñas microperforaciones que permiten capturar la capa límite de calor y atraerla uniformemente hacia una cavidad de aire detrás de los paneles exteriores. Este aire de ventilación calentado se aspira bajo presión negativa al sistema de ventilación del edificio, donde luego se distribuye por medios convencionales o mediante un sistema de conductos solares.
Aire caliente que puede ingresar a un sistema HVAC conectado a un colector transpirado que tiene salidas de aire ubicadas a lo largo de la parte superior del colector, particularmente si el colector está orientado al oeste. Para contrarrestar este problema, Matrix Energy ha patentado un colector transpirado con una posición de salida de aire más baja y un marco de cavidad perforada para perpetrar una mayor turbulencia de aire detrás del absorbente perforado para un mayor rendimiento.
Esta vista en corte muestra los componentes del colector solar transpirado y el flujo de aire de MatrixAir. La entrada de aire inferior mitiga la entrada de aire caliente al sistema HVAC durante el funcionamiento en verano.
El extenso monitoreo realizado por Natural Resources Canada y NREL ha demostrado que los sistemas de colectores solares transpirados reducen entre un 10% y un 50% de la carga de calefacción convencional y que RETScreen es un predictor preciso del rendimiento del sistema. Los colectores solares transpirados actúan como una pantalla contra la lluvia y también capturan la pérdida de calor que se escapa de la envolvente del edificio, que se recoge en la cavidad de aire del colector y se devuelve al sistema de ventilación. No se requiere mantenimiento con los sistemas solares de calefacción de aire y la vida útil esperada es de más de 30 años.
Los colectores de transpiración no vidriados también se pueden montar en el tejado para aplicaciones en las que no hay una pared adecuada orientada al sur o por otras consideraciones arquitectónicas. Matrix Energy Inc. ha patentado un producto montado en el techo llamado "Delta", un sistema modular de calefacción de aire solar montado en el techo donde las fachadas orientadas al sur, este u oeste simplemente no están disponibles.
Cada módulo de diez pies (3,05 m) entregará 250 CFM (425 m3/h) de aire fresco precalentado, lo que generalmente proporciona un ahorro de energía anual de 1100 kWh (4 GJ) al año. Este exclusivo colector de transpiración modular de dos etapas, montado en el techo, opera con una eficiencia de casi el 90% y cada módulo entrega más de 118 L/s de aire precalentado por colector de dos metros cuadrados. Se pueden conectar hasta siete colectores en serie en una fila, sin límite en el número de filas conectadas en paralelo a lo largo de un conducto central, lo que generalmente produce 4 CFM de aire precalentado por pie cuadrado de área de techo disponible.
Los colectores transpirados se pueden configurar para calentar el aire dos veces para aumentar la temperatura del aire suministrado, lo que los hace adecuados para aplicaciones de calefacción de espacios, así como para calefacción de aire de ventilación. En un sistema de 2 etapas, la primera etapa es el típico colector de transpiración sin vidriar y la segunda etapa tiene un acristalamiento que cubre el colector de transpiración. El acristalamiento permite que todo el aire calentado de la primera etapa se dirija a través de un segundo conjunto de colectores transpirados para una segunda etapa de calentamiento solar.
Los cilindroparabólicos , los platos y las torres descritos en esta sección se utilizan casi exclusivamente en centrales de generación de energía solar o con fines de investigación. Se han utilizado cilindros parabólicos para algunos sistemas comerciales de aire acondicionado solar . Aunque sencillos, estos concentradores solares se alejan bastante de la concentración máxima teórica. [25] [26] Por ejemplo, la concentración cilindroparabólica es aproximadamente 1/3 del máximo teórico para el mismo ángulo de aceptación , es decir, para las mismas tolerancias generales del sistema. Se puede alcanzar el máximo teórico utilizando concentradores más elaborados basados en ópticas sin imágenes . [25] Los colectores solares térmicos también pueden utilizarse junto con colectores fotovoltaicos para obtener calor y energía combinados. [27] [28]
Este tipo de colector se utiliza generalmente en plantas de energía solar . Se utiliza un reflector parabólico en forma de artesa para concentrar la luz solar en un tubo aislado ( tubo Dewar ) o tubo de calor , colocado en el punto focal , que contiene refrigerante que transfiere calor desde los colectores a las calderas de la central eléctrica.
Con 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 plantas de energía solar.
La forma de una parábola significa que los rayos de luz entrantes que son paralelos al eje del plato se reflejarán hacia el foco, sin importar en qué parte del plato lleguen. La luz del sol llega a la superficie de la Tierra casi completamente paralela y el plato está alineado con su eje apuntando al sol, lo que permite que casi toda la radiación entrante se refleje hacia el punto focal del plato. La mayoría de las pérdidas en dichos colectores se deben a imperfecciones en la forma parabólica y a una reflexión imperfecta.
Las pérdidas debidas a la dispersión atmosférica son generalmente 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 Stirling de plato , se coloca un motor Stirling acoplado a una dinamo en el centro del plato. Este absorbe la energía concentrada en él y la convierte en electricidad.
Una torre de energía es una gran torre rodeada de espejos de seguimiento llamados helióstatos . Estos espejos se alinean y enfocan la luz solar en el receptor en la parte superior de la torre, el calor recogido se transfiere a una central eléctrica situada debajo. Este diseño alcanza temperaturas muy altas. Las altas temperaturas son adecuadas para la generación de electricidad mediante métodos convencionales como turbinas de vapor o una reacción química directa a alta temperatura, como la sal líquida. [29] Al concentrar la luz solar, los sistemas actuales pueden obtener una mayor eficiencia que las simples células solares. Se puede cubrir un área mayor utilizando espejos relativamente económicos en lugar de utilizar costosas células solares . 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 en condiciones nubladas y nocturnas se puede lograr, a menudo mediante el almacenamiento en tanques subterráneos de fluidos calentados. Las sales fundidas se han utilizado con buenos resultados. También se han propuesto otros fluidos de trabajo, como los metales líquidos, debido a sus propiedades térmicas superiores. [30]
Sin embargo, los sistemas de concentración requieren seguimiento del sol para mantener el foco de la luz solar en el colector. No pueden proporcionar una potencia significativa en condiciones de luz difusa . Las células solares pueden proporcionar cierta producción incluso si el cielo se nubla, pero la producción de energía de los sistemas de concentración cae drásticamente en condiciones nubosas, ya que la luz difusa no se puede concentrar bien.
Un colector solar térmico funciona como un intercambiador de calor que convierte la radiación solar en energía térmica. [31] Se diferencia de un intercambiador de calor convencional en varios aspectos. El flujo de energía solar (irradiancia) que incide sobre la superficie terrestre tiene una densidad superficial variable y relativamente baja, que normalmente no supera los 1100 W/m² sin sistemas de concentración. Además, la longitud de onda de la radiación solar incidente cae entre 0,3 y 3 µm, que es significativamente más corta que la longitud de onda de la radiación emitida por la mayoría de las superficies radiativas. [31]
El colector absorbe la radiación solar entrante y la convierte en energía térmica. Esta energía térmica luego se transfiere a un fluido caloportador que circula dentro del colector. [32] El fluido caloportador puede ser aire, agua, aceite o una mezcla que incluya glicol (un fluido anticongelante), especialmente en sistemas de circulación forzada. [32] Los sistemas de concentración pueden utilizar materiales de cambio de fase, como sales fundidas. [33] La energía térmica del fluido caloportador puede utilizarse directamente o almacenarse para su uso posterior. [34] La transferencia de energía térmica se produce mediante convección, que puede ser natural o forzada según el sistema específico. [35] [36]
