Un colector solar es un dispositivo encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía calorífica.
Un cuerpo expuesto al sol recibe un flujo energético E, con el que se calienta. A su vez, se producen pérdidas térmicas por radiación, convección y conducción, las cuales crecen al hacerlo la temperatura del cuerpo.
Habrá un instante en que las pérdidas térmicas Ep sean iguales a las ganancias debidas al flujo que incide, llegando a la llamada temperatura de equilibrio tªc.
Por lo que tendremos: E = Ep
La temperatura de equilibrio para los colectores no suele ser demasiado alta, siendo generalmente inferior a los 100 °C para valores del orden de 1.000 W/m2.
Pero sise saca una parte del calor producido en el cuerpo por el flujo radiante incidente de forma continua para aprovecharlo como energía utilizable, cambiaremos las condiciones de equilibrio anteriores y tendremos la siguiente ecuación: E = Ep + Eu
Por si lo que se quiere es aumentar Eu se debe:
Reducir Ep: Se debe mejorar el diseño para reducir al máximo las pérdidas que van a tener lugar.
Aumentar E: Se debería concentrar el flujo solar sobre la superficie con la ayuda de concentradores parabólicos; de esta forma la intensidad aumenta, siendo este sistema el utilizado en los colectores de concentración.
E es constante en una determinada situación, mientras que Ep y Eu están en función de la temperatura de trabajo del colector o temperatura de utilización, además de otros factores, como puedan ser las condiciones ambientales.
En un colector solar, la energía Eu sale del colector a través del fluido caloportador, que atraviesa al colector, recogiendo parte del calor producido y llevándolo a otro lugar donde será acumulado.
| En el funcionamiento de un colector solar son fundamentales dos temperaturas: | la de utilización |
| y la temperatura ambiente entorno al propio colector. |
Se buscará que en el diseño de los colectores planos la diferencia entre la temperatura ambiente y la de utilización sean mínimas, ya que así conseguiremos mayores rendimientos al existir menores perdidas de calor, consiguiendo así que nuestro fluido caloportador por el interior del colector extraiga mas energía útil de la radiación incidente en esos momentos.
El rendimiento de un colector es el cociente entre la energía aprovechada u obtenida y la energía solar que realmente incide sobre este. η = Eu/E
Durante la operación del colector solar, este alcanzará una temperatura máxima de funcionamiento, tras lo cual se producirá energía útil de forma constante, por medio de la transferencia de calor al fluido caloportador; esto continuará así hasta que varíen las condiciones de radiación solar.
A esta temperatura máxima se la llama temperatura de equilibrio de operación del colector y en ningún caso se podrá conseguir con ella calentar al fluido caloportador por encima de ella ni tan siquiera se podrá igualar, debido a pérdidas de calor y a que es imposible una transferencia de calor sin pérdidas de rendimiento.
De lo expuesto anteriormente, diremos que desde el punto de vista energético interesa hacer trabajar a los colectores a la temperatura más baja posible, siempre y cuando dicha temperatura sea la suficiente como para ser utilizada bajo las condiciones necesarias y específicas de cada caso.
Siempre es aconsejable hacer trabajar a los colectores a una temperatura baja para que la diferencia entre ésta y la ambiente sean mínimas, se minimizan las pérdidas y por lo tanto se aumenta el rendimiento. En el gráfico se puede ver que cuanto menor sea la diferencia entre las temperaturas mayor será el rendimiento del colector. Ej: a una diferencia de 20ºC el rendimiento será de un 88%.
La mejora del aislamiento permite reducir las perdidas Ep y aumentar la energía utilizable Eu.
η = Eu/E < 1 (1)
| η | Rendimiento. |
| Eu | Energía útil obtenida. |
| E | Energía solar incidente. |
En cuanto a la orientación, cuanto mayor sea el ángulo entre los rayos y la normal a la superficie del colector, menor será la radiación aprovechada E, lo que va a producir una disminución de Eu.
En las máquinas térmicas se define el rendimiento como el cociente entre la energía útil y la aportada. Teniendo en cuenta que hay energía perdida siempre, ese rendimiento será menor de uno. (1)
