El colector solar de placa plana (C.P.P.)
El colector de placa plana se suele integrar en los llamados
sistemas de energía solar de baja temperatura, los
cuales se caracterizan por emplearlo como elemento receptor
de energía. Su uso principal es el calentamiento de
agua para uso sanitario, siendo el sistema activo más
simple.
Elementos de un colector solar de placa plana
Para hacer una buena elección del tipo de colector,
hay que conocer las características de los elementos
que lo constituyen. Dicha información es útil
para poder evaluar la calidad de los colectores y saber elegir
el más adecuado para la instalación a realizar,
lo que dependerá de las condiciones climatológicas
a las que va a estar sometido, la finalidad de la instalación
y el presupuesto del que se dispone.
El colector de placa plana está compuesto por cuatro
elementos principalmente: la cubierta transparente, la placa
captadora, el aislante y la carcasa.
a) Cubierta Transparente
Es la encargada de producir el efecto invernadero, reducir
las perdidas por convección y asegurar la estanqueidad
del colector al agua y al aire, en unión con la carcasa
y las juntas. El efecto invernadero logrado por la cubierta
consiste en que una parte de la radiación que ha atravesado
la cubierta y llega a la placa captadora es reflejada hacia
la cubierta transparente, con una longitud de onda para la
cual ésta es opaca, con lo que se consigue retener
la radiación en el interior. Este efecto nos define
las características de la cubierta:
- Alto coeficiente de transmisión de la radiación
solar, en la banda de 0.3 a 3 ?m, el cual debe conservarse
a lo largo de los años.
- Bajo coeficiente de transmisión para las ondas largas,
superiores a 3?m.
- Bajo coeficiente de conductividad térmica, que dificulte
el paso de calor desde la superficie interior hacia la exterior,
minimizando así las pérdidas.
- Alto coeficiente de reflexión para la longitud de
onda larga de la radiación emitida por la placa captadora,
a fin de que ésta retorne a la placa.
Debido a esto, la cara interior de la cubierta estará
más caliente que la exterior, y por tanto se dilatará
más, existiendo riesgo de rotura o deformación,
por lo que la cubierta transparente ha de tener un coeficiente
de dilatación pequeño.
Se puede usar una doble cubierta o aumentar el espesor de
la cubierta transparente para tratar de minimizar las perdidas
por convección, pero estas soluciones aumentan las
perdidas por absorción del flujo solar incidente, además
de encarecer el panel. En general se puede decir que la doble
cubierta es tanto más interesante cuanto más
baja sea la temperatura exterior y más fuerte sea el
viento.
Los principales materiales utilizados son:
- Vidrio: Son transparentes a la radiación de onda
inferior a 3?m y opacos a las radiaciones superiores. Existen
numerosas variedades de vidrio que se distinguen por su composición
química, sus características mecánicas
y ópticas, etc. Se debe elegir los vidrios recocidos
o templados, ya que se mejoran sus propiedades mecánicas
sin alterar a las ópticas.
- Materiales plásticos: Se presentan bajo la forma
de películas flexibles de algunas décimas de
milímetros de espesor, o bajo forma de placa rígida
de algunos milímetros. Sus características principales
son: baja densidad, mala conductividad térmica, coeficiente
de dilatación lineal importante y mala resistencia
a temperaturas elevadas. Además, sufren deterioro físico
e inestabilidad química bajo la acción de los
elementos exteriores.
Tratamientos especiales de la cubierta:
- Tratamiento antirreflectante sobre la superficie exterior
para disminuir las pérdidas por reflexión de
los rayos solares incidentes.
- Tratamiento sobre la superficie interior para que refleje
las radiaciones de gran longitud de onda y no impida el paso
de la radiación de corta longitud.
El problema de estos tratamientos es el encarecimiento de
los colectores solares.
b) Placa Captadora
Tiene por misión absorber de la forma más eficiente
posible la radiación solar y transformarla en energía
térmica utilizable mediante su transferencia al fluido
caloportador.
Existen diferentes modelos, de los cuales los más
usuales son:
i) Dos placas metálicas de cobre separadas por unos
milímetros, entre las cuales circula el fluido caloportador.
ii) Placa metálica de cobre sobre la cual están
soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido
caloportador. En lugar de una placa metálica se puede
dotar de unas aletas de cobre a los tubos de cobre.
iii) Dos láminas de metal de cobre unidas a gran presión
excepto en los lugares que forman el circuito del fluido caloportador,
los cuales han sido abombados mediante insuflación
de aire.
iv) Placas de plástico, usadas exclusivamente en climatización
de piscinas.
La cara de la placa captadora que se expone al sol ha de
estar protegida de los rayos solares por medio de:
- Pintura de color negro u oscuro que absorbe la radiación
solar. Presenta el inconveniente de tener un coeficiente de
emisión sensiblemente igual al de absorción,
por lo que no es recomendable para altas temperaturas.
- Superficies selectivas. Posee un coeficiente de absorción
de radiación solar alto y un bajo coeficiente de emisión.
No existen materiales simples que tengan esta propiedad, por
lo que ésta se consigue por medio de superposición
de capas o tratamientos especiales de la superficie.
Características de la placa captadora:
- Tratamientos de la superficie: Las pinturas son más
económicas que los tratamientos selectivos pero se
estropean antes.
- Perdidas de carga: Si la instalación va a funcionar
por medio de termosifón, éstas no deben ser
superiores a 3 mm. de columna de agua por 1 m2 de colector
para que la circulación sea la adecuada y no se produzcan
grandes saltos térmicos.
- Corrosión interna: No se debe mezclar el cobre y
el acero, para evitar la corrosión de este último.
- Inercia térmica de la placa captadora: Cantidad
de calor necesaria para elevar la temperatura de la placa
y del fluido caloportador en un tiempo determinado. La inercia
térmica depende por lo tanto del volumen de fluido
que pueda contener, por lo que interesa reducirlo al mínimo
para mejorar el funcionamiento del panel.
- Homogeneidad de la circulación: Con el fin de que
el fluido caloportador que circula por la placa tenga un reparto
de temperaturas equilibrado. Esto es vital para los paneles
con doble placa en los que el diseño del circuito del
fluido es de suma importancia para el rendimiento del panel.
- Transmisión de calor: En los paneles con doble placa,
la transmisión de calor es directa, no ocurriendo lo
mismo para los que poseen los tubos soldados o embutidos.
En este último caso la transferencia de calor va a
depender de: la conductividad de la placa; la separación,
diámetro y espesor de los tubos; el rendimiento y régimen
del líquido; y de la buena ejecución de las
soldaduras o de los acoplamientos a presión.
- Entradas y salidas del fluido en la placa: Procurar que
las pérdidas de cargas en estos lugares sean bajas
y que las soldaduras no estén forzadas para impedir
posibles fugas.
- Puentes térmicos: Calorifugar bien las entradas
y salidas para evitar pérdidas importantes debido a
la creación de puentes térmicos entre la placa
y los elementos no aislados.
- Resistencia a la presión: Debe ser capaz de soportar
la presión de la red. En caso de que los paneles se
instalen con un circuito primario aislado de la red, se debe
prever la subida de presión debido a la conexión
de la placa a la red, la pérdida de carga y el necesario
llenado del circuito primario desde la red
- La obstrucción del circuito primario: Debido a incrustaciones
o por tapones de hielo, por lo que hay que dotar a la instalación
de los elementos necesarios que eviten la producción
de sobrepresiones.
c) Aislamiento térmico
La placa captadora está protegida en su parte posterior
y lateral por medio de un aislamiento térmico para
evitar las pérdidas de calor térmico hacia el
exterior. Las características de estos aislantes han
de ser:
- Resistir altas temperaturas sin deteriorarse, lo que muchas
veces se consigue colocando entre la placa y el aislante una
capa reflectante, que impida que el aislante reciba directamente
la radiación.
- Desprender pocos vapores al descomponerse por el calor
y en caso de ocurrir que no se adhieran a la cubierta.
- No degradarse por el envejecimiento u otro fenómeno
a la temperatura habitual de trabajo.
- Soportar la humedad que se pueda producir en el interior
de los paneles sin perder sus cualidades.
Los materiales más usados son la fibra de vidrio,
la espuma rígida de poliuretano y el poliestireno expandido.
Cualquiera que sea el material escogido debe tener un coeficiente
de dilatación compatible con el de los demás
componentes del panel solar.
d) Carcasa
Es la encargada de proteger y soportar los elementos que
constituyen el colector solar, además de servir de
enlace con el edificio, por medio de los soportes. Debe cumplir
los siguientes requisitos:
- Rigidez y resistencia estructural que asegure la estabilidad.
Es de suma importancia ya que debe resistir la presión
del viento.
- Resistencia de los elementos de fijación: mecánica
para los esfuerzos a transmitir; y química para soportar
la corrosión.
- Resistencia a la intemperie. A los efectos corrosivos de
la atmósfera y a la inestabilidad química debido
a las inclemencias del tiempo.
- Aireación del interior del colector para evitar
la condensación del agua. Se realiza por medio de dos
técnicas:
- Vacío en el interior del colector cuando éste
está frío, para que la carcasa no esté
sometida a una presión muy alta cuando el aire en su
interior se caliente.
- Practicar unos orificios en la carcasa para permitir la
aireación del colector, así como la evacuación
de la condensación. Los orificios se localizan en la
parte posterior para evitar la entrada del agua de lluvia
y la pérdida de aire caliente del interior del colector.
- Evitar toda geometría que permita la acumulación
de agua hielo o nieve en el exterior del colector.
- Facilitar el desmontaje de la cubierta para poder tener
fácil acceso a la placa captadora.
Funcionamiento:
Si se expone un colector al sol sin circulación de
fluido en su interior, la temperatura de la placa captadora
o absorbedora irá aumentando progresivamente. Dicha
placa irá almacenando el calor al mismo tiempo que
tendrá unas pérdidas, debido a los fenómenos
de conducción, convección y radiación,
las cuales aumentan con la temperatura.
Llega un momento en que las pérdidas se equiparan
a la energía que recibe la placa del sol y la temperatura
se estabiliza, alcanzándose la denominada temperatura
de equilibrio estática, que depende de las condiciones
exteriores a las que esté sometida la placa (cuanto
más frío sea el ambiente y más viento
haya, más baja será ésta).
Si en ese momento se hace circular un fluido por el colector,
éste recibirá el calor de la placa captadora
e irá aumentando la temperatura. Por el contrario,
la temperatura de la placa disminuirá.
Manteniendo la circulación del fluido estacionaria
o constante, llegará un momento en que se alcance una
nueva temperatura de equilibrio llamada temperatura de equilibrio
dinámica, la cual es siempre inferior a la estática.
La máxima temperatura que un colector instalado puede
alcanzar es la temperatura de equilibrio estática,
que es necesario conocer por dos razones:
a) Será la temperatura que la instalación solar
alcanzará cuando esté parada.
b) La temperatura máxima teórica de utilización
de la instalación será siempre inferior a la
temperatura de equilibrio estático.
