Colector Solar de Placa Plana

La temperatura del absorbedor de un colector solar sin circulación de fluido en su interior,  irá creciendo continuamente al igual que las pérdidas por convección, conducción y radiación, siendo esta última (radiación) la más despreciable frente a las dos primeras (convección y conducción).

Transcurrido un cierto tiempo en estas condiciones de pérdidas y aumento de temperatura del absorbedor, se llegará a un estado de equilibrio térmico.

En este equilibrio las pérdidas, debidas a la transmisión de calor, son idénticas a las ganancias energéticas obtenidas por el absorbedor, siendo la temperatura medida en este momento una temperatura de equilibrio estática.

Este equilibrio se romperá para generar agua caliente sanitaria (ACS) introduciendo un fluido caloportador en el circuito, estableciéndose después un equilibrio similar (equilibrio termodinámico).

Pero vayamos al equilibrio inicial sin fluido caloportador en el colector, ¿de qué dependerá la temperatura de equilibrio estática en el absorbedor?

Depende de la temperatura ambiente exterior,(t°a), si esta es baja también será baja la temperatura de equilibrio estática.

La diferencia entre la temperatura ambiente entorno al absorbedor y la temperatura de equilibrio estática es lo realmente importante para el aprovechamiento de la energía solar para generar agua caliente sanitaria (ACS). Se buscará que la diferencia sea mínima.

La velocidad del viento es otro factor que hay que tener en cuenta, ya que cuanto mayor sea, mayores serán las pérdidas de calor por convección y, por lo tanto, tendremos una disminución en la temperatura del absorbedor.

Si dejamos circular un fluido caloportador por el interior del colector, entrando por un orificio y saliendo por otro, dicho fluido, al pasar en contacto con la parte interior del absorbedor, toma calor del mismo y aumentará su temperatura.

En estas condiciones estables de operación del colector, se llegará a un nuevo equilibrio térmico, llamándose para este caso a la temperatura alcanzada temperatura de equilibrio dinámica, (t°c) que no variará mientras que no se modifiquen las condiciones de radiación, viento, temperatura ambiente, etc.

En la práctica la temperatura de equilibrio dinámica siempre será menor que la de equilibrio estático, esto es así debido a las pérdidas de calor. Recuerda que en el rendimiento térmico siempre hay pérdidas en la transmisión de calor.

La temperatura (t°) que puede alcanzar el fluido va a ser menor que la del absorbedor,
debido a las características físicas propias del fenómeno de transferencia de calor por convección, que es la forma en que este se transmite entre el absorbedor y el fluido.

A pesar de que la temperatura t° no es la misma en todos los puntos del fluido que circula bajo el absorbedor, siempre vamos a utilizar una temperatura media, la cual se comprueba experimentalmente, que puede identificarse como la media de las temperaturas del fluido caloportador a la entrada, t°e, y a la salida, t°s, del colector:

tºm = tºe + tºs / 2

Por tanto, la diferencia Δt° entre la temperatura media del fluido y la del ambiente será:

Δt° = ½ (tºe + tºs) – tºa

Cuando el colector está en funcionamiento se ha de cumplir que t°s sea mayor que t°e, ya que el fluido se va a calentar al pasar por el absorbedor. Esta afirmación es válida siempre que la radiación solar sea suficiente como para producir en el absorbedor una temperatura superior a la del fluido entrante (aunque no lo sería si se hiciese circular el fluido por la noche o en momentos de nubosidad), pues podría pasar que el absorbedor perdiera calor hacia el exterior, robándoselo al fluido que circula a través de él.
La máxima temperatura que un colector es capaz de alcanzar será igual a la temperatura de equilibrio estática, temperatura que hemos de conocer por las siguientes cuestiones:

  • Cuando la instalación solar esté parada, por la causa que sea, puede llegar a alcanzar la temperatura de equilibrio estática. Esta temperatura suele alcanzarse en verano y tendremos que tomar las medidas pertinentes ya que puede ser peligrosa para el equipo.
  • La instalación se diseña con una temperatura máxima de uso, que es siempre menor a la temperatura de equilibrio estática para evitar riesgos estructurales en la misma.

Efecto Invernadero

Otro dato a tener en cuenta es el llamado efecto invernadero y para explicarlo, diremos que la radiación electromagnética, al llegar a un cuerpo puede ser absorbida de una forma total o parcial. Una parte se refleja y otra puede traspasar el cuerpo sobre el que incide esta radiación. La proporción en que se producen los casos antes explicados depende de la naturaleza del cuerpo, del estado de la superficie, del espesor atravesado, de la longitud de onda de la radiación y del ángulo de incidencia del rayo con respecto a la superficie del cuerpo.

De la radiación incidente sobre un material, parte puede ser absorbida, parte transmitida y parte reflejada.

La energía que es absorbida hace que el cuerpo se caliente y emita radiación, la cual tendrá una longitud de onda que va a depender de la temperatura del mismo. Y según este concepto, llamaremos cuerpo transparente al que deje pasar la radiación electromagnética incidente.

Algunos cuerpos son transparentes solo para ciertas zonas del espectro, resultando opacos para otras. Por ejemplo, el cristal es transparente entre 0,3 y 3 μm, siendo opaco para longitudes de onda mayores. La mayor parte del espectro solar está comprendido entre 0,3 y 2,4 μm, por lo que la luz solar lo atraviesa sin problemas (absorbiendo y reflejando una pequeña parte).

En un cpp (Colector de Placa Plana) de cubierta de vidrio, el absorbedor, que es la parte del colector (de material metálico), donde se efectúa la conversión de la energía solar en térmica, se sitúa bajo la cubierta a pocos centímetros de la misma.

Una vez atravesado el cristal, la radiación llega a la superficie del absorbedor, calentándose dicho elemento y emitiendo radiación con una longitud de onda que se sitúa en torno a 4,5 y 7,2 μm (parámetros en los que el cristal es opaco).

μm = El micrómetro o micra es una unidad de longitud equivalente a una millonésima parte de un metro. 1 μm = 10 a la menos 6 m

El vidrio o cubierta de un colector solar de placa plana es transparente para las radiaciones con longitudes de onda entre 0.3 y 3 μm mientras que es opaco para las radiaciones con longitud de onda entre 4.5 y 7.2 μm emitidas por el absorbedor.

La radiación que emite el absorbedor incide sobre el cristal donde una parte es reflejada por la superficie interior de este y el resto es absorbida y por lo tanto no llega al exterior, calentándose el cristal y emitiendo radiación al mismo tiempo.
De la radiación emitida, más o menos el 50% regresa al interior para volver a calentar aún más la superficie del absorbedor provocando el efecto invernadero, tal y como muestra la siguiente figura.

Efecto invernadero explicado en el corte transversal de un colector
Efecto invernadero en el corte transversal de un colector

Donde:

1 Cubierta transparente.
2 Placa absorbedora.
3 Aislamiento.
4 Radiación reflejada en el interior del colector.
5 Radiación emitida por la cubierta del colector.

Hay muchos plásticos que tienen unas propiedades similares a las del cristal y pueden ser utilizados como cubiertas de los colectores.
La cubierta transparente no solo produce el efecto invernadero, sino que además reduce las transferencias térmicas por convección entre el colector y el exterior.

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