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Tipos de captadores

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Tipos de captadores

En el pasado, para fabricar captadores, a veces se solían pintar de negro radiadores comunes de placa plana, los cuales se protegían con una cubierta transparente y se instalaban en el tejado de una forma más o menos profesional.  Además de estos captadores de fabricación casera, surgió un número de tipos diferentes, a veces marcadamente experi­mentales.  Algunos de los diseños resultaron ser inapropiados, desapa­reciendo rápidamente del mercado, pero no sin antes dejar en la opinión pública una desfavorable impresión. 

Captadores planos estándar

En los captadores planos, el absorbedor está protegido contra las pérdi­das térmicas por medio de un material de aislamiento, generalmente lana mineral y una cubierta transparente de vidrio.  Actualmente, en los captadores de alta calidad se emplea para la cubierta transparente el llamado "vidrio solar", de bajo contenido en hierro, endurecido, de alta transmitancia y de reflectancia baja.  Para el marco se suele usar aluminio, y para la parte posterior se usan materiales de aislamiento térmico laminados con aluminio, telas asfálticas o láminas de aluminio, de acero inoxidable o de acero galvanizado.  También se pueden em­plear chapas embutidas de aluminio o acero inoxidable para fabricar la carcasa.

Entre las ventajas de los captadores planos cabe mencionar las siguientes:

  • Estructura robusta y sencilla.
  • Suficientemente contrastado desde un punto de vista técnico.
  • Relación favorable entre el precio y el rendimiento.
  • Atractivo desde un punto de vista estético, debido a las superficies planas.

Los captadores se diferencian entre sí por muchas de sus características: la forma, el recubrimiento de los absorbedores, el diseño hidráulico in­terno, el valor de la pérdida de carga, forma de las conexiones, espesor y calidad del aislamiento, la carcasa, cubierta transparente, juntas, así como por su proceso de fabricación, o inclusive por los sistemas de montaje, estética y vida útil. 

Captadores de tubos de vacío

Con el fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convec­ción entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, en los tubos de vacío se elimina el aire de modo semejante a como se hace entre las paredes de los termos.  El grado de vacío desempeña un papel fundamental para la disminución de las pérdidas térmicas.Ya que los captadores de tubos de vacío son capaces de alcanzar tempe­raturas considerablemente superiores a las de los captadores planos, la carga térmica sobre el aislamiento de las tuberías, el sensor de con­trol y el fluido de trabajo puede resultar alta.  El aislamiento de las tuberías cercanas a los captadores de tubos de vacío debe ser resistente de forma estable a temperaturas por encima de los 150 ºC.  En las ins­talaciones provistas de tubos de vacío de flujo directo, solo se permite el empleo de un fluido de trabajo que haya sido aprobado explícita­mente para su uso con este tipo de captadores, por lo que siempre hay que cerciorarse que el producto cumple dicho requisito.

Las técnicas de conexión para las tuberías del circuito primario deben ser aptas para resistir temperaturas de hasta 160º C.  Por ello, no es acon­sejable que para las tuberías de cobre se utilice la soldadura blanda.  Además, hay que tener en cuenta de que se puede producir la vaporización del fluido de trabajo en cualquier parte de las tuberías del circuito primario, en particular a presiones bajas y temperaturas elevadas.

Ventajas de los tubos de vacío

  • Pueden alcanzar temperaturas de trabajo superiores a las de los captadores planos. De este modo pueden suministrar calor para procesos industriales y para climatización solar con mayores rendimientos.
  • Pérdidas térmicas reducidas en comparación con los captadores planos, debido a un mejor aislamiento térmico.

Inconvenientes de los tubos de vacío

  • Temperaturas de estancamiento elevadas y altas cargas térmicas de todos los materiales cercanos al campo de captadores, así como del fluido de trabajo. En caso de estancamiento, la vaporización es mayor que con captadores planos.
  • Costes superiores de la energía solar útil obtenida a un nivel de tem­peraturas de trabajo medio, debido a que el mayor rendimiento se presenta únicamente a temperaturas de trabajo superiores.

Tubos de vacío de flujo directo

En este tipo de diseño el fluido de trabajo fluye directamente a través del absorbedor dentro de los tubos de vacío. Debido a la transferencia directa de calor es posible lograr un rendimiento elevado.  En la mayoría de las variantes de diseño, los absorbedores se pueden girar para poder conseguir una mejor alineación con respecto al Sol en caso necesario, por ejemplo, en el montaje en una fachada.

Los tubos de vacío de flujo directo añaden una ventaja más a las gene­rales comunes a todos los tubos de vacío, dado que su montaje puede realizarse directamente sobre cubiertas planas (aunque sólo en regio­nes con escasas nevadas), lo que significa que se podrán minimizar los costes relativos a la estructura soporte.  Por consiguiente, permiten una mejor integración arquitectónica al ser menos llamativos.  Esta misma ventaja también la tienen a los captadores del tipo CPC.

Tubos de vacío del tipo tubo de calor ("heat-pipe")

En los tubos de vacío de este tipo, el absorbedor metálico está conec­tado a un tubo de calor, el cual contiene una cantidad muy pequeña de agua, u otro un fluido diferente según el rango de temperaturas deseado.  Este fluido se evapora en un vacío parcial, sube en forma de vapor, se condensa en el condensador y regresa en forma líquida al inte­rior del tubo.  En el condensador el calor se transfiere al fluido de trabajo del circuito primario.

En contraposición a los tubos de flujo directo, este sistema requiere una inclinación mínima del captador, que los fabricantes indican de 20º a 30º.

Si la temperatura del condensador es superior a la temperatura de evaporación del fluido en el tubo de calor, se origina una evaporiza­ción total.  Esto puede suceder en caso de estancamiento, por ejemplo cuando no hay demanda de calor.  En ese caso, no hay transporte de calor hacia el condensador por parte del fluido en el tubo de calor.  Esta "auto limitación de temperatura" puede repercutir positivamente en los sistemas que se exponen a frecuentes, pero cortas, fases de estan­camiento.  Si el absorbedor está en estado de estancamiento durante un período de tiempo considerable, entonces se alcanzará una tempe­ratura muy elevada en el condensador, debido a la conducción térmica, y por consiguiente también en el fluido de trabajo del circuito prima­rio.  Las temperaturas de trabajo de estos captadores son, en principio, algo inferiores a las de los tubos de flujo directo, a causa de la transfe­rencia de calor adicional entre el condensador y el fluido de trabajo.

Tubos de vacío tipo "Sydney" y captadores tipo CPC

El tubo de vacío tipo "Sydney" fue concebido como un tubo de vidrio de doble pared, cuyo fin es evitar posibles pérdidas de vacío a través de la conexión entre el metal y el vidrio que se produce en otros diseños de tubos de vacío.  En contraste con otros tipos de tubos de vacío, en los "Sydney" la superficie absorbedora se halla directamente sobre el tubo interior de vidrio.  Debido al absorbedor cilíndrico que incorporan, es necesario un reflector para aprovechar el área de aquél no alcanzada por el sol.  Estos reflectores se utilizan al mismo tiempo como concen­tradores, y la unidad completa del captador se comercializa bajo el nombre CPC (captador de concentración cilindro-parabólico compuesto).  La eficacia de los reflectores situados fuera del tubo de vidrio puede disminuir con el tiempo debido a la influencia de la intemperie. Por tal razón, deberían verificarse y limpiarse los re­flectores durante el mantenimiento, el cual debe realizarse de todos modos.

Gracias a su bajo precio, este tipo de tubo ha logrado establecerse en una buena posición en el mercado de las pequeñas instalaciones, a pe­sar del rendimiento inferior comparado con otros tipos de tubos de vacío.

Hay que tener en cuenta que al hacer comparaciones entre los dife­rentes tipos de captadores se debe considerar las diferentes definicio­nes de las áreas. Los captadores tipo CPC ofrecen, por lo general, un área de apertura mayor debido al reflector, pero un área del absorbedor relativamente pequeña.

Un nuevo desarrollo logrado por la compañía Schott-Rohrgias combina el principio del tubo "Sydney" con un reflector en el interior del mismo.  En este tubo, el reflector se halla protegido de los efectos de la intemperie.

Absorbedores

La energía en la radiación solar se convierte en calor en el absorbedor.  El fluido de trabajo circula a través de finos tubos, que forman parte del absorbedor y transporta el calor obtenido hacia el acumulador o el consumo.

El factor de eficiencia del captador, F`, describe la relación entre la ener­gía útil suministrada por un captador y la energía que podría suminis­trar si el absorbedor estuviese a la temperatura media del fluido en el captador.

Los tubos del absorbedor no deberían estar demasiado separados, a fin de que la transferencia de calor desde la lámina metálica del absor­bedor hacia el fluido de trabajo se lleve a cabo de forma óptima y uni­forme sobre toda el área.  En la práctica, se suele poner una distancia entre los tubos de 100 mm a 120 mm, lo que representa un compro­miso entre una transferencia de calor óptima, una baja capacidad tér­mica, un gasto reducido de material y bajos costes de fabricación.

Además, el absorbedor debe estar hecho de un material con buena conductividad térmica, que no conviene que sea demasiado fino.  Se suelen utilizar láminas de cobre o aluminio de un espesor de unos 0,2 mm (en un rango de 0,15 mm a 0,3 mm).  La conductividad térmica del cobre es mayor que la del aluminio, que a su vez es considerable­mente mayor que la del acero o el acero inoxidable.

Otro aspecto importante es la buena transferencia de calor entre las láminas metálicas del absorbedor y los tubos por los cuales circula el fluido de trabajo, así como entre la pared de los tubos y el fluido de trabajo.  La transferencia de calor entre el tubo y el fluido depende, por un lado, de las propiedades del fluido de trabajo (por ejemplo, las mez­clas de glicol con agua poseen un calor específico inferior al agua pura) y por otro lado, de las características del flujo.  Cuando la circulación a través del tubo pasa de un régimen turbulento a uno laminar se pro­duce una caída drástica de la transferencia de calor.  Si el caudal es in­suficiente, se puede producir una pérdida considerable de eficiencia de un absorbedor diseñado para un caudal elevado.

Además, debe garantizarse una circulación uniforme a través de todo el absorbedor.  Si no hay circulación a través de algunas partes del ab­sorbedor, o si ésta es muy reducida, entonces la eficiencia del captador disminuye de manera proporcional al tamaño del área carente de circulación.

La distribución de la circulación en el absorbedor depende de la rela­ción entre la pérdida de carga en los tubos distribuidores y la pérdida de carga en los tubos finos del absorbedor.

La pérdida de carga en los tubos distribuidores debe ser como máximo del 20 % al 30 % de la pérdida de carga en los tubos finos del absorbe­dor.  Si se cumple esta regla, se podrá garantizar un flujo prácticamente uniforme.