Materiales Idóneos para Cubiertas CPP

CUBIERTAS TRANSPARENTES DE VIDRIO

El vidrio industrial es una mezcla fundida a altas temperaturas de Sílice (SiO2) con boratos (BO3-3) o fosfatos (PO4-2) que da lugar a una mezcla amorfa.

Hay muchas calidades de vidrio, diferenciándose en su composición química, características mecánicas, características ópticas, etc. por lo que no podemos elegir cualquier vidrio y montarlo en el primer colector que encontremos.

Propiedades ópticas del vidrio

Tenemos que elegir cristales recocidos o templados porque sus propiedades ópticas no empeoran en estos procesos y además, sus propiedades mecánicas mejoran notablemente.

El templado del vidrio consiste en el calentamiento superficial del vidrio llegando casi al punto de reblandecimiento, tras el cual se enfría rápidamente con una corriente de aire frío o por inmersión en un líquido frío. Este proceso hace más resistente al vidrio resultante, que se endurece inmediatamente debido a las tensiones del vidrio interno que se enfría más lentamente.

Se define un coeficiente, llamado transmitancia o coeficiente de transmisión (capacidad de dejar la radiación), como sigue:

t =   Energía que atraviesa el vidrio
      Energía incidente sobre el vidrio

Este coeficiente será menor que uno siempre.
En las tablas siguientes vemos cómo afecta el ángulo de incidencia, el espesor del vidrio y el tipo de superficie en el coeficiente de transmisión.
La tabla 1 recoge un ejemplo del coeficiente de transmisión (%) de cierto tipo de vidrio.

 Coeficiente de transmisión energética en %
Tabla 1. Coeficiente de transmisión energética en % en función del ángulo del haz de rayos
con la normal a la superficie de vidrio y del espesor de dicha superficie

Si queremos ver la dependencia de la transmisión energética (%) en función del tipo de superficie, tenemos la tabla 2:

Tabla 2
Tabla 2

Los coeficientes de transmisión energética solar cambian poco para cualquier cristal, sea cual sea el tratamiento de su superficie, que puede ser pulida, esmerilada, etc. no obstante, muchos de estos procesos retienen la suciedad, la cual es muy difícil de eliminar, lo que provoca pérdidas importantes que desaconsejan su uso.
La composición química del vidrio también influye sobre el coeficiente de transmisión.
Tenemos que utilizar materiales con un bajo porcentaje en sales de hierro.
La presencia de dichas sales se ve por el color verdoso cuando se observa el vidrio de canto. Por lo tanto, el vidrio blanco será el mejor para tener una buena transmisividad.

Si tocamos con la palma de la mano dos cubiertas transparentes que pertenecen a dos modelos de colectores distintos y observamos que una de ellas está más caliente que la otra. Suponiendo que las condiciones son las mismas para ambos colectores, significa:
Que la cubierta que más se calienta es peor, ya que esto indica que la absorción de energía es mayor y por tanto, tiene una menor transmisión.

Propiedades mecánicas de los vidrios

La resistencia a la tracción del vidrio oscila entre los 3.000 y 5.500 N/cm2 (medida de presión= Newton/cm2), pudiéndose incrementar esta hasta los 25.000 N/cm2 si el vidrio recibe un templado y alcanzando los 70.000 N/cm2 por medio de un recocido o mediante intercambio iónico.
El templado es suficiente para resistir los esfuerzos de tracción y tensión en la vida operativa de la cubierta de vidrio en un colector, ya que la protegerá de la fuerza generada por el viento, el peso de la nieve, choques de objetos extraños…
En cambio algo que tendremos que intentar evitar en la cubierta será tener dos puntos de esta a diferentes temperaturas, ya que puede provocar contracciones internas produciendo la rotura de la misma.

Siempre nos ha pasado a todos que un recipiente de vidrio frío se raja o rompe al introducir un liquido demasiado caliente en el, esto es debido a la gran diferencia de temperaturas que provoca tensiones internas que producen la rotura.

Esta rotura espontánea del vidrio se produce cuando la cubierta está algo tapada, la parte oculta está fría mientras que la descubierta se calienta.
Suele darse este caso cuando nieva, la nieve cubre parcialmente la cubierta donde hay una temperatura cercana a 0ºC, mientras que en la parte limpia puede
llegar fácilmente a los 50 ºC.
Si se produce un enfriamiento súbito, como puede ser el debido a una tormenta, la parte de la cubierta que está dentro de las juntas no se enfría tan rápidamente y se producen tensiones que pueden ocasionar la rotura. Otra causa de rotura puede ser la dilatación de la parte de la cubierta que está expuesta al sol y que provoca tensiones con los bordes más fríos que no pueden dilatarse tanto ni tan libremente, provocando un efecto de contracción-tracción.

La resistencia de un volumen de vidrio sometido a todas esas contracciones térmicas depende del estado de sus bordes. Estos deberán ser lo más perfectos posibles y no tener graves defectos que puedan provocar el principio de la rotura.
Diremos que una diferencia térmica de 25°C entre dos puntos de un volumen de
vidrio ya supone riesgo de rotura.
Para evitar este riesgo existen dos soluciones:

  • Mejorar la resistencia de los bordes.
  • Aumentar la resistencia del volumen mediante un tratamiento apropiado.

Si se quiere mejorar la resistencia de los bordes, basta con realizar un corte lo más perfecto posible.
Para aumentar la resistencia del volumen, lo sometemos a la operación de templado térmico, cuando ya hemos hecho los bordes. La técnica de templado consiste en calentar el cristal hasta la temperatura de reblandecimiento y una vez alcanzada esta, enfriarlo bruscamente mediante soplado de aire. Este tratamiento va a formar dentro del cristal unas contracciones que refuercen la resistencia del producto final.

Las ventajas del templado son las siguientes:

  1. Mayor resistencia a la rotura. Un vidrio templado de 6 mm resiste los choques de una bola de acero de 500 gramos cayendo desde una altura de 2 metros, mientras que el mismo vidrio no templado se rompe cuando la bola cae desde una altura de 30 a 40 cm.
  2. Mayor resistencia a la flexión. Los vidrios templados son cuatro o cinco veces más resistentes a la flexión que los no templados.
  3. Una gran resistencia a las contracciones de origen térmico, con lo que la diferencia de temperatura entre los distintos puntos del cristal puede ser mayor que en el cristal normal sin peligro de rotura.
  4. Fragmentación de seguridad. En caso de rotura accidental, el vidrio templado se rompe en pequeños trozos, lo cual no produce cortes profundos.

Otra causa de rotura puede ser la falta de holgura que se suele dejar entre el vidrio y el chasis que lo soporta.
El granizo no suele provocar la rotura de los vidrios, por muy poco inclinado que esté el colector solar. Para evitar actos de vandalismo hemos de instalar los colectores lejos del alcance de las piedras.

Con cubiertas de vidrio templado es necesario que los bordes estén bien cortados, paralelos y sin fisuras.

CUBIERTAS TRANSPARENTES DE PLÁSTICO

 

Muchos plásticos tienen propiedades ópticas similares a las del vidrio, ya que son trasparentes a las radiaciones de onda inferiores a 3 μm aproximadamente y opacos a las radiaciones de onda larga superiores, por lo que sirven para construir las cubiertas transparentes de los colectores.

Transmitancia de materiales plásticos
Transmitancia de materiales plásticos (A, metacrilato de 3 mm; B, policarbonato de 3 mm)
comparada con la del vidrio (C, vidrio de 3mm)

Los plásticos utilizados en cubiertas de colectores están formados de películas flexibles de algunas décimas de milímetro de espesor o bajo forma de placas rígidas de algunos milímetros.

Cada año aparecen nuevos materiales y evolucionan las propiedades de los plásticos que están en el mercado. Esto hace que las cualidades específicas de los plásticos se queden obsoletas en poco tiempo.
Algunas características generales pueden ser las siguientes:

  • Poco peso, lo cual facilita el mantenimiento en caso de sustitución.
  • Poca fragilidad, disminuyendo los riesgos durante el transporte, colocación, mantenimiento, etc.
  • Mala conductividad térmica, lo que permite una temperatura de la cara externa menor, reduciendo las pérdidas por radiación y convección.
  • Coeficiente de dilatación lineal importante. Lo que produce el abombamiento, pues las caras exteriores estarán más calientes que las interiores.
  • Poca resistencia a elevadas temperaturas. Esto da problemas en los sobrecalentamientos ocasionales, como por ejemplo, cuando se para la instalación.
  • Dureza baja, lo que produce que se raye fácilmente, con lo que el coeficiente de transmisión energética solar puede verse reducido.
  • Muchos plásticos tienen una gran inestabilidad química y deterioros físicos al entrar en acción los agentes ambientales, radiación solar ultravioleta, variaciones de temperatura en las cubiertas de los colectores debidas a la radiación emitida por el absorbedor, etc. Estos deterioros pueden traducirse en una reducción importante del coeficiente de transmisión energética solar y hasta en una destrucción del material.

Han sido muchos los avances realizados hasta la fecha: varias capas en la cubierta, instalación de películas ultravioleta para detener a los mismos, etc.
En los ensayos de envejecimiento acelerados parece que pueden ser utilizadas durante un tiempo de 12 años sin ningún tipo de problemas, pero en cada caso tendremos que pedir la garantía necesaria.

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