Un colector solar térmico recoge calor absorbiendo la luz solar . El término "colector solar" se refiere comúnmente a un dispositivo para calentar agua con energía solar , pero también puede referirse a grandes instalaciones generadoras de energía, como colectores parabólicos solares y torres solares , o dispositivos que no calientan agua , como cocinas solares o calentadores de aire solares . [1]
Los colectores solares térmicos pueden ser de concentración o no concentración. En los colectores de concentración, 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 que se pinta de un color oscuro para maximizar la absorción de la luz solar. Luego, la energía se recoge enfriando la placa con un fluido de trabajo , a menudo agua o glicol que circula por tuberías conectadas a la placa.
Los colectores concentradores tienen una apertura mucho mayor que el área del absorbedor. La apertura suele tener la forma de un espejo que se enfoca en el absorbedor, 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 concentradores a menudo requieren algún tipo de sistema de seguimiento solar y, por este motivo, a veces se los denomina colectores "activos".
Los colectores no concentradores se utilizan normalmente en edificios residenciales, industriales y comerciales para la 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 techos de edificios fue patentado por William H. Goettl y se llamó " Colector de calor solar y radiador para techos 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 concentradores recolectan luz difusa y directa y pueden utilizar vapor en lugar de agua como fluido.
Los colectores de placa plana son la tecnología solar térmica más común en Europa . [7] Consisten en (1) un recinto que contiene (2) una placa absorbente de color oscuro con conductos de circulación de fluido, y (3) una cubierta transparente para permitir la transmisión de energía solar al recinto. Los lados y la parte posterior del recinto suelen estar aislados para reducir la pérdida de calor al ambiente. Se hace circular un fluido de transferencia de calor a través de los conductos de fluido del absorbedor para eliminar el calor del colector solar. El fluido de circulación en climas tropicales y subtropicales suele ser agua. En climas donde es probable que se congele, se puede utilizar 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 del fluido del colector solar a un tanque de almacenamiento de agua caliente. El diseño de absorbedor más común consiste en un tubo de cobre unido a una lámina de metal de alta conductividad (cobre o aluminio). Se aplica un revestimiento oscuro al lado del conjunto absorbente que mira al sol para aumentar su absorción de energía solar. Un revestimiento absorbente común es la pintura de esmalte negro.
En los 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 de punteado y uno o dos revestimientos antirreflectantes para mejorar aún más la transparencia . El revestimiento absorbente es típicamente 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 el infrarrojo . Esto crea una superficie selectiva , que reduce la emisión de energía del cuerpo negro del absorbedor y mejora el rendimiento. Las tuberías se pueden soldar con láser o ultrasonidos a la lámina absorbente para reducir el daño al revestimiento selectivo, que generalmente se aplica antes de unir a 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 de vidrio. La mayoría de los colectores de placa plana tienen una expectativa de vida de más de 25 años. [ cita requerida ] .
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 al absorbedor con alto vacío y resistir eficazmente la presión atmosférica . El vacío que rodea al absorbedor reduce en gran medida la pérdida de calor por convección y conducción , consiguiendo 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 fluir dentro y fuera de cada tubo o estar en contacto con un tubo de calor que llega al interior del tubo. Para esto último, los tubos de calor transfieren calor al fluido en un intercambiador de calor llamado "colector" colocado transversalmente con respecto a los tubos. [ cita requerida ] El colector está envuelto en aislamiento ( lana de vidrio ) y cubierto por una caja protectora de metal o plástico también utilizada para la fijación a los soportes.
Los tubos de vacío de vidrio y metal están hechos con láminas absorbentes de metal planas o curvas, iguales a las de las placas planas. Estas láminas se unen a tuberías o tubos de calor para formar "aletas" y se colocan dentro de un solo tubo de vidrio de borosilicato . Se puede depositar un revestimiento antirreflectante en las superficies internas y externas 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 y metal hermético al vacío en uno o ambos lados de cada tubo de vacío. Este sello se cicla entre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido todos los días de funcionamiento del colector y puede provocar fallas con el tiempo.
Los tubos de vacío de vidrio-vidrio están hechos con dos tubos de vidrio de borosilicato fusionados entre sí en uno o ambos extremos (similar a una botella de vacío o un frasco de Dewar). La aleta absorbente se coloca dentro del tubo interior a presión atmosférica. Los tubos de vidrio-vidrio tienen un sellado muy confiable, pero las dos capas de vidrio reducen la cantidad de luz solar que llega al absorbedor. El recubrimiento selectivo se puede depositar en el tubo de borosilicato interior (lado de alto vacío) para evitar esto, pero el calor debe fluir a través del espesor de vidrio poco conductor del tubo interior en este caso. Además, la humedad puede ingresar al área no evacuada dentro del tubo interior y causar corrosión del absorbedor, en particular cuando está hecho de materiales diferentes ( corrosión galvánica ).
Una bomba de captación de bario comúnmente se evapora dentro del espacio de alto vacío entre los tubos para mantener la presión interna estable a través del tiempo.
Las altas temperaturas que pueden darse en el interior de los tubos de vacío pueden requerir un diseño especial para evitar choques térmicos y sobrecalentamientos . Algunos colectores de tubos de vacío funcionan como una válvula térmica unidireccional gracias a sus tubos de calor. Esto les proporciona una temperatura máxima de funcionamiento inherente que actúa como una 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, lo que da lugar a un colector CPC. [10]
Existe una discusión de larga data entre los defensores de estas dos tecnologías. Parte de esto puede estar relacionado con la estructura de los colectores de tubos de vacío que tienen un área de absorción discontinua. Una matriz 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 absorbedor en el interior, que cubre solo una fracción del área de instalación en un techo. Si se comparan los tubos de vacío con los colectores de placa plana sobre la base del área del techo 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 y esto 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 medio ambiente que los de tubo de vacío porque no tienen aislamiento en el lado de vidrio. Los colectores de tubo de vacío tienen intrínsecamente una relación de área total absorbida menor (normalmente un 60-80% menor) que los de placa plana porque los tubos tienen que estar espaciados. Aunque varias empresas europeas fabrican colectores de tubo de vacío (principalmente de tipo vidrio-metal), el mercado de tubos de vacío está dominado por fabricantes en China, y algunas empresas tienen una trayectoria de 15-30 años o más. No hay evidencia inequívoca de que los dos diseños difieran en cuanto a confiabilidad a largo plazo. Sin embargo, la tecnología de tubos de vacío (especialmente para las variantes más nuevas 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 tubo de calor, se puede reemplazar fácilmente con un mínimo esfuerzo.
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 son adecuados para temperaturas ambientales frías y funcionan bien en situaciones de baja irradiación solar, proporcionando calor de manera más constante durante todo el año. Los colectores de placa plana sin esmaltar son los dispositivos preferidos para calentar el agua de la piscina. Los colectores sin esmaltar pueden ser adecuados en entornos tropicales o subtropicales si el agua caliente sanitaria necesita calentarse 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 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 irradiado de los tubos también puede impedir el desprendimiento efectivo 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 evacuada ofrecen todas las ventajas de los colectores de placa plana y de tubo de vacío combinados. Rodean un absorbedor de chapa metálica de gran superficie con alto vacío dentro de una envoltura plana hecha de vidrio y metal. Ofrecen la mayor eficiencia de conversión de energía de cualquier colector solar térmico no concentrador, [15] pero requieren una tecnología sofisticada para su fabricación. No deben confundirse con los colectores de placa plana que presentan un 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 evacuada 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 tiene que estar segmentado o provisto de orificios adecuados para acomodar dicha estructura. La unión de todas las piezas tiene que ser 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 tubo de vacío, utilizan bombas de captación no evaporables (NEG) para mantener la presión interna estable a lo largo del tiempo. Esta tecnología de bomba de captación tiene la ventaja de proporcionar cierta regeneración in situ mediante la exposición a la luz solar. Los colectores solares de placa plana evacuada se han estudiado para el aire acondicionado solar y se han comparado con concentradores solares compactos. [20]
Estos colectores son una alternativa a los colectores metálicos. Pueden ser totalmente de polímero o pueden incluir placas metálicas delante de canales de agua tolerantes a la congelación hechos de caucho de silicona . Los polímeros son flexibles y, por lo tanto, tolerantes a la congelación y pueden utilizar agua corriente en lugar de anticongelante, de modo que se pueden conectar 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 active el sistema de circulación, por lo que estos paneles de circulación directa, ya sean de polímero o de otro tipo, pueden ser más eficientes, particularmente a niveles bajos de irradiancia solar . Algunos de los primeros colectores de polímero con revestimiento selectivo sufrieron sobrecalentamiento cuando estaban aislados, ya que las temperaturas de estancamiento pueden superar el punto de fusión del polímero. [21] [22] Por ejemplo, el punto de fusión del polipropileno es de 160 °C (320 °F), mientras que la temperatura de estancamiento de los colectores térmicos aislados puede superar los 180 °C (356 °F) si no se utilizan estrategias de control. Por este motivo, el polipropileno no se utiliza a menudo en colectores solares vidriados con revestimiento selectivo. Cada vez se utilizan más polímeros como las siliconas de alta temperatura (que se funden a más de 250 °C [482 °F]). Algunos colectores solares vidriados a base de polímeros que no son de polipropileno están recubiertos de negro mate en lugar de recubiertos selectivamente para reducir la temperatura de estancamiento a 150 °C [302 °F] o menos.
En las zonas donde existe la posibilidad de congelación, se puede lograr tolerancia a la congelación (la capacidad de congelarse repetidamente sin agrietarse) mediante el uso de polímeros flexibles. En el Reino Unido, desde 1999 se utilizan tuberías de caucho de silicona para este fin. Los colectores de metal convencionales son vulnerables a los daños por congelación, por lo que si están llenos de agua, deben ser cuidadosamente conectados para que se vacíen completamente utilizando la gravedad antes de que se espere que se congelen, de modo que no se agrieten. Muchos colectores de metal 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 de intercambio de calor protege contra el daño por congelación hasta una temperatura de riesgo determinada localmente 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 con niveles bajos de luz. [ cita requerida ]
Un colector de piscina o sin revestimiento es una forma sencilla de colector de placa plana sin cubierta transparente. Normalmente, se utiliza polipropileno, caucho EPDM o caucho de silicona como absorbente. Se utiliza para calentar piscinas y puede funcionar bastante bien cuando la temperatura de salida deseada está cerca de la temperatura ambiente (es decir, cuando hace calor en el exterior). A medida que la temperatura ambiente se enfría, estos colectores se vuelven menos eficaces. [ cita requerida ]
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 sea más económico de construir y operar. Los diseñadores lo llaman un sistema de energía solar de enfoque distribuido de espejo fijo . La razón principal para su desarrollo fue eliminar el costo de mover un espejo grande para seguir al sol como con los sistemas de plato parabólico. [23]
Un espejo parabólico fijo crea una imagen del sol con distintas formas a medida que se mueve por el cielo. Solo cuando el espejo apunta directamente al sol, la luz se concentra en un punto. Por eso los sistemas de antenas parabólicas siguen al sol. Un espejo esférico fijo concentra 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 en una línea que va desde la superficie del espejo hasta la mitad del radio (a lo largo de una línea que pasa por el centro de la esfera y el sol). [ cita requerida ]
A medida que el sol se desplaza por el cielo, la apertura de cualquier colector fijo cambia. Esto provoca cambios en la cantidad de luz solar captada, lo que produce lo que se denomina el efecto seno de la potencia de salida. Los defensores del diseño de cuenco solar afirman que la reducción de 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 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 formado por tubos que transportan un fluido para la transferencia térmica o por células fotovoltaicas para la conversión directa de la luz en electricidad.
El diseño del cuenco solar fue el resultado 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° habría maximizado el rendimiento). El borde del hemisferio fue "recortado" a 60°, creando una apertura máxima de 3,318 pies cuadrados (308.3 m 2 ). Este cuenco piloto produjo electricidad a una tasa de 10 kW pico. [ cita requerida ]
El cuenco solar Auroville de 15 metros de diámetro se desarrolló a partir de una prueba anterior de un cuenco de 3,5 metros realizada entre 1979 y 1982 por el Instituto de Investigación de Energía Tata . Esa prueba demostró el uso del cuenco solar en la producción de vapor para cocinar. El proyecto a gran escala para construir un cuenco solar y una cocina se llevó a cabo a partir de 1996 y estuvo en pleno funcionamiento en 2001. [ cita requerida ]
En lugares con energía solar promedio disponible, los colectores de placa plana tienen un tamaño aproximado de entre 1,2 y 2,4 decímetros cuadrados por litro de uso diario de agua caliente.
El uso principal de esta tecnología es en edificios residenciales donde la demanda de agua caliente tiene un gran impacto en las facturas de energía. 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, lavaderos de autos, instalaciones de lavandería militares y establecimientos de comida. 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. Los sistemas de calentamiento solar de agua tienen más probabilidades de ser 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 esmaltar 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 del colector disponible, la mayor parte del calentamiento del agua se puede realizar a baja temperatura, más baja que las temperaturas de la piscina, donde los colectores sin esmaltar están bien establecidos en el mercado como la opción correcta. Debido a que estos colectores no necesitan soportar altas temperaturas, pueden utilizar materiales menos costosos como plástico o caucho. Muchos colectores sin esmaltar están hechos de polipropileno y deben drenarse completamente para evitar daños por congelación cuando las temperaturas del aire caen por debajo de los 44 °F (7 °C) en noches despejadas. [24]Un porcentaje menor, pero cada vez mayor, de colectores no vidriados son flexibles, lo que significa que pueden soportar la congelación del agua en el interior de su absorbedor. El único problema de congelación que debe solucionarse es la tubería llena de agua y los colectores colectores en condiciones de congelación extrema. Los sistemas de agua caliente solar sin vidriar deben instalarse para que se "drene" hacia un tanque de almacenamiento cuando la radiación solar sea insuficiente. No existen problemas de choque térmico con los sistemas sin vidriar. Los colectores solares sin vidriar, que se utilizan comúnmente en la calefacción de piscinas desde los inicios de la energía solar, calientan el agua de la piscina directamente sin necesidad de anticongelante o 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 sin vidriar, a la diferencia de presión entre el fluido de trabajo solar (agua) y la carga (agua fría presurizada de la ciudad). Los calentadores de agua solar sin vidriar a gran escala, como el del Centro Acuático Minoru en Richmond, BC, funcionan a temperaturas más bajas que los sistemas de colectores de tubos de vacío o 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 PVC de plástico sin aislamiento, reducen drásticamente los costos de esta alternativa en comparación con los tipos de colectores de temperatura más alta. Cuando calentamos agua caliente, en realidad estamos calentando frío a cálido y cálido a caliente. Podemos calentar frío a cálido con la misma eficiencia con colectores sin vidriar, al igual que podemos calentar cálido a caliente con colectores de alta temperatura. [ cita requerida ]
Un colector solar de aire simple consta de un material absorbente, a veces con una superficie selectiva, para capturar la radiación del sol y transferir esta energía térmica al aire a través de transferencia de calor por conducción. Luego, este aire calentado se conduce al espacio del edificio o al área de proceso donde se utiliza para calentar el espacio o para calentar el proceso. Los sistemas solares de aire térmico funcionan de manera similar a un horno de aire forzado convencional y proporcionan calor haciendo circular el 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 aire acondicionado y procesos. [ cita requerida ]
Muchas aplicaciones pueden utilizar tecnologías de calentamiento solar del aire para reducir la huella de carbono derivada del uso de fuentes de calor convencionales, como los combustibles fósiles, y así crear un medio sostenible para producir energía térmica. Aplicaciones como la calefacción de espacios, la extensión de la temporada de invernaderos , el precalentamiento del aire de reposición de la ventilación o el calor de procesos pueden abordarse mediante dispositivos de calentamiento solar del aire. En el campo de la " cogeneración solar ", las tecnologías solares térmicas se combinan con la energía fotovoltaica (PV) para aumentar la eficiencia del sistema al extraer calor de los colectores fotovoltaicos, enfriar los paneles fotovoltaicos para mejorar su rendimiento eléctrico y, al mismo tiempo, calentar el aire para calentar el espacio. [ cita requerida ]
La calefacción de espacios para aplicaciones residenciales y comerciales se puede realizar mediante el uso de paneles de calefacción solar de aire. Esta configuración funciona tomando 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 absorbedor y luego se suministra al espacio habitable o de trabajo por medios pasivos o con la ayuda de un ventilador. Una figura pionera de 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 el calor. [ cita requerida ]
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 extraer 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 de la inversión. [ cita requerida ]
El calor del aire solar también se utiliza en aplicaciones de proceso como el secado de ropa, cultivos ( p. ej ., té, maíz, café) y otras aplicaciones de secado. El aire calentado a través de un colector solar y luego pasado sobre un medio para ser secado puede proporcionar un medio eficiente para reducir el contenido de humedad del material. [ cita requerida ]
Un horno solar puede producir calor de proceso a alta temperatura .
Los colectores se clasifican comúnmente por sus métodos de conducción de aire en uno de tres tipos:
Los colectores también pueden clasificarse por su superficie exterior:
La configuración de paso pasante ofrece la mayor eficiencia de cualquier tecnología solar: el aire conducido a un lado del absorbedor pasa a través de un material perforado y se calienta gracias a las propiedades conductoras del material y las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbedores de paso pasante tienen la mayor área de superficie, lo que permite tasas de transferencia de calor conductiva 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 del aire y el rendimiento.
En las configuraciones de paso trasero, paso delantero y combinación, el aire se dirige hacia la parte trasera, delantera o ambos lados del absorbedor para calentarse desde el retorno hasta los cabezales de los conductos de suministro. Si bien el paso del aire por ambos lados del absorbedor proporcionará una mayor superficie para la transferencia de calor conductiva, pueden surgir problemas con el polvo (incrustaciones) al pasar el aire por el lado delantero del absorbedor, lo que reduce la eficiencia del absorbedor 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 dará como resultado un menor rendimiento general del colector.
Los sistemas vidriados 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 capacidad de absorción de más del 93 %. Colectores solares vidriados (tipos de recirculación que se utilizan habitualmente para la calefacción de espacios). El aire suele pasar por la parte delantera o trasera de la placa absorbente mientras elimina el calor directamente de ella. El aire calentado se puede distribuir directamente para aplicaciones como la calefacción y el secado de espacios o se puede almacenar para su uso posterior. La recuperación de la inversión de los paneles de calefacción solar vidriados puede ser inferior a 9-15 años, dependiendo del combustible que se sustituya.
Los sistemas sin vidriar, o sistemas de aire transpirado, se han utilizado para calentar el aire de reposición o de ventilación en aplicaciones comerciales, industriales, agrícolas y de proceso. Consisten en una placa absorbente por la que pasa el aire mientras elimina el calor del absorbedor. Los materiales de vidriado no transparentes son menos costosos y reducen los períodos de recuperación esperados. Los colectores transpirados se consideran "sin vidriar" porque sus superficies están expuestas a los elementos, a menudo no son transparentes y no están selladas herméticamente.
El término "colector de aire sin vidrio" se refiere a un sistema de calefacción solar de aire que consiste en un absorbedor de metal sin vidrio ni acristalamiento en la parte superior. El tipo más común de colector sin vidrio en el mercado es el colector solar transpirado. La tecnología ha sido ampliamente monitoreada por estas agencias gubernamentales, y Recursos Naturales de Canadá desarrolló la herramienta de viabilidad RETScreen™ para modelar los ahorros 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 proceso 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, calefacción estratificada 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 transpirados ahora se utilizan en todo el parque de edificios debido a la alta producción de energía (hasta 750 vatios térmicos pico/metro cuadrado), alta conversión solar (hasta 90%) y menores costos de capital en comparación con la energía solar fotovoltaica y el calentamiento solar de agua.
La calefacción solar de aire es una tecnología de calefacción basada en energía renovable que se utiliza para calentar o acondicionar el aire de los edificios o para aplicaciones de calor de procesos. Por lo general, es la tecnología solar más rentable de todas, especialmente en aplicaciones a gran escala, y aborda el mayor uso de energía de los edificios en climas de calefacción, que es la calefacción de espacios y la calefacción de procesos industriales. Pueden ser acristaladas o no.
Los colectores de aire sin acristalamiento calientan el aire ambiente (exterior) en lugar del aire recirculado del edificio. Los colectores solares transpirados suelen montarse en la pared para captar el ángulo inferior del sol en los meses de calefacción de invierno, así como el reflejo del sol en la nieve, y logran un rendimiento óptimo y una rentabilidad de la inversión cuando funcionan a caudales de entre 4 y 8 CFM por pie cuadrado (72 a 144 m3/h.m2) de superficie del colector.
La superficie exterior de un colector solar transpirado consta de miles de pequeñas microperforaciones que permiten capturar la capa límite de calor y conducirla uniformemente hacia una cavidad de aire situada detrás de los paneles exteriores. Este aire de ventilación calentado se introduce bajo presión negativa en el sistema de ventilación del edificio, donde luego se distribuye por medios convencionales o mediante un sistema de conductos solares.
Aire caliente que puede entrar en un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado conectado a un colector de aire caliente que tiene salidas de aire ubicadas a lo largo de la parte superior del colector, en particular si el colector está orientado al oeste. Para contrarrestar este problema, Matrix Energy ha patentado un colector de aire caliente con una posición de salida de aire más baja y un marco de cavidad perforada para generar una mayor turbulencia de aire detrás del absorbedor perforado para un mayor rendimiento.
Esta vista en corte muestra los componentes del colector solar transpirado MatrixAir y el flujo de aire. La entrada de aire inferior mitiga la entrada de aire caliente al sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado durante el funcionamiento en verano.
El exhaustivo seguimiento realizado por Recursos Naturales de Canadá y el NREL ha demostrado que los sistemas de colectores solares transpirados reducen entre un 10 y un 50 % 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 envoltura del edificio, que se recoge en la cavidad de aire del colector y se devuelve al sistema de ventilación. Los sistemas de calefacción solar de aire no requieren mantenimiento y su vida útil prevista es de más de 30 años.
Los colectores transpirados sin vidriar también se pueden montar en el techo para aplicaciones en las que no hay una pared orientada al sur adecuada o por otras consideraciones arquitectónicas. Matrix Energy Inc. ha patentado un producto para montaje en el techo llamado "Delta", un sistema de calefacción solar de aire modular para montaje en el techo donde las fachadas orientadas al sur, este u oeste simplemente no están disponibles.
Cada módulo de 3,05 m (diez pies) entregará 425 m3/h (250 CFM) de aire fresco precalentado, lo que generalmente proporciona un ahorro anual de energía de 1100 kWh (4 GJ) al año. Este exclusivo colector transpirado 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 cada colector de dos metros cuadrados. Se pueden conectar hasta siete colectores en serie en una fila, sin límite en la cantidad 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 y 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 colector transpirado típico sin vidriar y la segunda etapa tiene un vidriado que cubre el colector transpirado. El vidriado permite que todo ese 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 colectores parabólicos , platos y torres descritos en esta sección se utilizan casi exclusivamente en centrales de generación de energía solar o con fines de investigación. Los colectores parabólicos se han utilizado para algunos sistemas comerciales de aire acondicionado solar . Aunque simples, estos concentradores solares están bastante lejos de la concentración máxima teórica. [25] [26] Por ejemplo, la concentración del colector parabólico es aproximadamente 1/3 del máximo teórico para el mismo ángulo de aceptación , es decir, para las mismas tolerancias generales para el sistema. Se puede lograr una aproximación al máximo teórico utilizando concentradores más elaborados basados en ópticas sin formación de imágenes . [25] Los colectores solares térmicos también se pueden utilizar 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 canal para concentrar la luz solar sobre un tubo aislado ( tubo Dewar ) o tubo de calor , colocado en el punto focal , que contiene un refrigerante que transfiere el calor desde los colectores a las calderas de la central eléctrica.
En un colector parabólico, uno o más platos parabólicos concentran la energía solar en un único punto focal, de forma similar a la forma en que 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 de la antena se reflejarán hacia el foco, sin importar en qué parte de la antena lleguen. La luz del sol llega a la superficie de la Tierra casi completamente paralela, y la antena está alineada con su eje apuntando al sol, lo que permite que casi toda la radiación entrante se refleje hacia el punto focal de la antena. La mayoría de las pérdidas en estos 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 un disco parabólico. En los diseños de plantas de energía con disco Stirling , se coloca un motor Stirling acoplado a una dinamo en el foco del disco. 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 enfocan la luz solar en el receptor en la parte superior de la torre, el calor recolectado se transfiere a una central eléctrica que se encuentra debajo. Este diseño alcanza temperaturas muy altas. Las altas temperaturas son adecuadas para la generación de electricidad utilizando 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 mejor eficiencia que las células solares simples. Se puede cubrir un área más grande utilizando espejos relativamente económicos en lugar de usar células solares costosas . La luz concentrada se puede redirigir a una ubicación adecuada a través de un cable de fibra óptica para usos como la iluminación de edificios. El almacenamiento de calor para la producción de energía durante 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 metales líquidos, debido a sus propiedades térmicas superiores. [30]
Sin embargo, los sistemas de concentración requieren el seguimiento del sol para mantener la luz solar concentrada en el colector. No pueden proporcionar una potencia significativa en condiciones de luz difusa . Las células solares pueden proporcionar cierta potencia incluso si el cielo se nubla, pero la potencia de salida de los sistemas de concentración cae drásticamente en condiciones nubladas, 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) incidente sobre la superficie de la Tierra 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 se encuentra 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 radiactivas. [31]
El colector absorbe la radiación solar entrante, convirtiéndola en energía térmica. Esta energía térmica se transfiere luego a un fluido de transferencia de calor que circula dentro del colector. [32] El fluido de transferencia de calor 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 de transferencia de calor se puede utilizar directamente o almacenar para su uso posterior. [34] La transferencia de energía térmica se produce a través de convección, que puede ser natural o forzada según el sistema específico. [35] [36]
