5. TECNOLOGÍAS DE CAPTACIÓN SOLAR PARA APLICACIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR.

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1 5. TECNOLOGÍAS DE CAPTACIÓN SOLAR PARA APLICACIONES DE REFRIGERACIÓN SOLAR Captadores solares térmicos. Una amplia variedad de captadores solares está disponible y muchos de ellos pueden funcionar en refrigeración solar y aire acondicionado solar. Sin embargo, el tipo apropiado del captador depende de la tecnología de refrigeración seleccionada y de las condiciones del lugar, por ejemplo, de la disponibilidad de radiación. Los tipos generales de captadores se muestran en la siguiente Figura: Figura 81. Ejemplos de equipos captadores, aplicables para la refrigeración solar. - Captador solar de aire: Por su sencillez de construcción y utilización y su reducido coste, dichos dispositivos son considerados esenciales para cualquier sistema de calentamiento solar. Un captador solar consta básicamente de una superficie absorbedora (usualmente pintada de negro) que absorbe la radiación solar incidente y la transmite en forma de calor al fluido de trabajo, aire. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 139

2 En general, se pueden clasificar en calentadores de concentración o calentadores de placa plana. En los colectores de concentración se consiguen temperaturas de trabajo mayores que en los de placa plana. Los colectores solares de placa plana se clasifican a su vez en dos grupos: con superficie absorbedora descubierta y con superficie absorbedora cubierta. Las diferentes configuraciones existentes pretenden obtener una mayor eficiencia y durabilidad, así como una disminución del coste de construcción y mantenimiento. Los colectores solares de placa plana sin cubierta representan los sistemas de calentamiento de aire más simples y de menor coste de construcción. Aunque tienen pérdidas ópticas mínimas por no disponer de cubierta transparente, presentan elevadas pérdidas térmicas por convección al estar la superficie absorbedora expuesta al aire directamente, siendo éstas mayores conforme aumenta la temperatura de trabajo. No obstante, pueden resultar bastante apropiados para aplicaciones en las que se requieren elevaciones de temperatura muy bajas respecto a la temperatura ambiente (< 10 ºC). De esta forma, su simplicidad y bajo coste pueden compensar su utilización, aún teniendo menor rendimiento que otros dispositivos. Para mejorar la eficiencia de los anteriores, se han diseñado diferentes colectores que incorporan una o dos cubiertas sobre y paralelamente a la superficie absorbedora, consiguiendo así reducir las pérdidas por convección y las pérdidas por emisión de radiación de onda larga de la placa absorbedora y proporcionar una protección a los elementos ubicados por debajo de la cubierta. En general, se puede decir que los colectores solares planos con superficie absorbedora cubierta presentan un mayor rendimiento que los sistemas sin cubierta en procesos con moderadas elevaciones de temperatura, sin embargo, habitualmente, tienen costes de construcción y mantenimiento mayores. Los incrementos de temperaturas sobre el ambiente alcanzados están entre 10 y 35 ºC. Figura 82. Tipología básica de colectores solares de aire de placa plana: a) de placa absorbedora descubierta; b) de placa absorbedora cubierta. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 140

3 - Captador solar plano: consistente en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel. También se denomina colector solar plano o panel solar térmico. Puede ser a su vez: Captador plano protegido: con un vidrio que limita las pérdidas de calor. Captador plano no protegido: sistema más económico y de bajo rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas. - Concentrador parabólico compuesto (CPC): Este tipo de colectores concentradores también es conocido como colector de Winston. El fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parabólicos. Los colectores CPC son de curvatura simple o compuesta y están caracterizados por la más alta concentración permitida para un ángulo de aceptancia dado. Figura 83. Concentrador parabólico compuesto (CPC). Cada lado del CPC es una parábola, donde en la parábola del lado derecho hay el foco y su eje. Cada parábola se extiende hasta que su superficie sea paralela con el eje del CPC. El ángulo entre el eje del CPC y la línea que conecta el foco de una de las parábolas con la orilla opuesta de la apertura es el ángulo medio de aceptación. Si el reflector es perfecto, cualquier radiación que entre en la apertura, será reflejado hacia el receptor ubicado en la base del concentrador por reflexiones entre las dos secciones parabólicas. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 141

4 En este tipo de colectores concentradores, la razón de concentración queda en función del ángulo de aceptación. Cuanto más pequeño sea el ángulo de aceptación, mayor será la concentración y viceversa. Por razones de diseño propias de este tipo de colectores fijos, los ángulos de aceptación en la práctica deben ser amplios. A medida que el ángulo de aceptación se va haciendo pequeño, se hace necesario darle orientación al CPC, además de que la altura que debería tener es demasiado grande y por lo tanto impráctica. Por otro lado, el que el ángulo de aceptación sea grande, ofrece tres ventajas muy importantes: Permite la operación del concentrador por períodos de tiempo extensos sin necesidad de ajustar su orientación. Permite el empleo de superficies reflejantes no muy precisas. Permite la captación y concentración de una porción de la radiación difusa. Se reduce el uso de materiales y, por tanto, el costo del CPC. Este tipo de colectores concentradores pueden ser lineales o circulares, aunque son potencialmente más útiles los lineales: Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer la línea situada en el foco de la parábola. Sistemas puntuales (disposición esférica): con forma de plato, utilizado para concentrar más los rayos y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas. - Captador de tubos de vacío: Este tipo de captador está formado por hileras paralelas de tubos de vidrio transparente. Cada tubo contiene un tubo de absorción (en lugar de la placa de absorción convencional), recubierto con pintura selectiva, por donde circula el líquido caloportador. Cuando se fabrican los tubos de vacío, se extrae el aire que queda dentro del espacio que separa los dos tubos y se hace el vacío, con la cual cosa se minimizan las pérdidas de calor por conducción y convección. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 142

5 Figura 84. Captador de tubos de vacío. En un captador de vacío, la radiación solar atraviesa el tubo exterior de vidrio, incide en el tubo de absorción y se transforma en calor. El calor se transfiere al líquido que fluye dentro del tubo a través de sus paredes. Los tubos de vacío suponen un concepto distinto: se reduce la superficie captadora a cambio de unas pérdidas caloríficas menores. La lámina captadora se coloca dentro de tubos al vacío, por tanto con unas pérdidas caloríficas despreciables. Estos tubos presentan el mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en una estructura de peine. Las ventajas de este sistema son su mayor aislamiento (lo que lo hace especialmente indicado para climas muy fríos o de montaña), y su mayor flexibilidad de colocación, ya que usualmente permite una variación de unos 20º sobre su inclinación ideal sin pérdida de rendimiento. La desventaja es un coste significativamente mayor. Estos, captadores permiten calentar agua hasta temperaturas de 110 ºC, hecho que posibilita la utilización de sistemas de distribución de calor convencionales en aplicaciones de calefacción con agua. En general, el rendimiento del captador de vacío es superior al del captador plano convencional, y se mantiene más constante ante variaciones en la temperatura ambiente o en la radiación solar incidente. Existen dos posibles sistemas de captadores con tubos de vacío: Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos. Flujo indirecto o Heat pipe: el calor evapora un fluido en el tubo, y éste trasmite su energía al condensarse en el extremo. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 143

6 - Captador solar tipo Fresnel: Es un sistema de concentración lineal que consiste en concentrar toda la radiación solar en un receptor lineal que esta situado por encima del espejo. Este sistema alcanza menores temperaturas al tener un menor grado de libertad de seguimiento solar. Una serie de reflectores lineales de Fresnel (LFR) es un sistema de foco en línea similar a los concentradores cilíndrico-parabólicos (CCP) en los que la radiación solar se concentra en un captador lineal invertido elevado mediante una serie de reflectores casi planos. Ventajas: bajos costes estructurales de apoyo, juntas de fluido fijas, receptor separado del sistema reflector, y largas longitudes de foco que permiten el uso de cristal convencional, los colectores LFR han atraído una creciente atención Aplicaciones de los captadores solares térmicos. El uso de captadores solares eficientes en construcciones planas está limitado a los sistemas de refrigeración desecante, puesto que esta tecnología necesita las temperaturas generadoras más bajas (empezando por unos 50 ºC) y permite, en condiciones especiales de funcionamiento, prescindir de almacenaje térmico. Para que las enfriadoras de absorción funcionen con el calor solar, deben usarse captadores planos de muy alta calidad (capa selectiva, aislamiento mejorado, alta seguridad de estancamiento). Los captadores concentrados y seguidores pueden ser utilizados para suministrar calor a temperatura media por encima de 100 ºC y debajo de 200 ºC para, por ejemplo, hacer funcionar enfriadoras de doble efecto o de amoniaco-agua para un alto incremento de temperatura. En los sistemas de aire acondicionado solares, la diferencia de funcionamiento con respecto a los sistemas de colectores térmicos solares para producir agua caliente sanitaria consiste en la alta temperatura a la que los colectores han de suministrar el calor útil. En máquinas térmicas de refrigeración, la temperatura de accionamiento es básicamente de más de 80 ºC, siendo los valores más bajos del orden de 60 ºC. En los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante, la temperatura de accionamiento es de más de 55 ºC, pudiendo llegar hasta los 90 ºC. Debido a los grandes caudales del circuito de suministro de calor, es difícil lograr una estratificación ideal en el almacenamiento de agua caliente, siendo también relativamente elevada la temperatura de retorno al colector solar. Esto provoca ciertas restricciones a la hora de seleccionar el tipo de colector. Así pues, en los sistemas de refrigeración evaporativa con desecante Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 144

7 se pueden instalar colectores de placa plana estándar y colectores solares de aire. En configuraciones que utilizan máquinas de refrigeración por adsorción o por absorción de efecto simple, el empleo de colectores de placa plana selectiva se limita a áreas con elevada irradiación. Para otras áreas y para máquinas frigoríficas que requieren temperaturas de accionamiento mayores habrá que instalar colectores más eficaces, por ejemplo, del tipo de tubo de vacío. En los sistemas de colectores montados fijos se pueden alcanzar temperaturas más elevadas con colectores de tubo de vacío que utilicen concentración óptica. Se trata de una opción interesante para los sistemas de aire acondicionado solares con máquinas frigoríficas de absorción muy eficaces (doble efecto). Tabla 24. Captadores solares para instalaciones de refrigeración solar. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 145

8 Curvas de rendimiento de los captadores. El rendimiento del captador (η) es la relación entre la potencia térmica generada por unidad de área y la irradiancia solar incidente. Es un valor que carece de dimensiones y se suele expresar en forma porcentual. η 0 = rendimiento del captador cuanto T m T a = 0 (el captador se halla a temperatura ambiente) El factor η 0 también se denomina rendimiento óptico del captador o también eficacia óptica. Las pérdidas térmicas del captador se describen por medio de los dos coeficientes de pérdidas térmicas, k 1 y k 2 : k 1 define una variación lineal y k 2 denota una variación cuadrática de las pérdidas térmicas. Eg = Irradiancia (W / m 2 ) Figura 85. Curvas características del rendimiento solar. El rendimiento solar anual (η solar anual ) se calcula a partir de la acumulación de los valores instantáneos del calor útil solar (una vez Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 146

9 descontadas las pérdidas térmicas en distribución solar y en acumulación) y de la radiación solar disponible. La cobertura solar, fsolar, exigida por el CTE es la proporción a ahorrar con energía solar de la demanda energética anual requerida para preparar el ACS a la temperatura de referencia, incluyendo la energía necesaria para compensar las pérdidas térmicas en la distribución y acumulación de ACS Captadores solares térmicos en instalaciones con absorción. Las posibles alternativas que ofrece el mercado de captadores solares para estas aplicaciones son: - Captadores planos de alta eficiencia: son captadores planos convencionales a a los que se han introducido algunas mejoras para incrementar su eficiencia (vidrio con mejores prestaciones ópticas, mejor aislamiento, etc). - Captadores de vacío: con el fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, en los captadores de vacío se elimina el aire. Existen diseños muy diferentes de este tipo de captadores en función de los fabricantes y aplicaciones de destino. - Captadores cilindro parabólicos (CCP): están compuestos básicamente por un espejo cilindro-parabólico acoplado a un sistema de seguimiento, que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor. - Captadores Fresnel: el principio de funcionamiento es similar al de los CCPs aunque, en este caso, el receptor parabólico se descompone en varios espejos, cada uno de los cuales realiza el seguimiento de forma independiente, reflejando la radiación sobre un único receptor que permanece estático en la parte superior. En la siguiente Tabla se puede ver una comparación entre las diferentes tecnologías y las aplicaciones de cada una de ellas. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 147

10 Tabla 25. Placas solares para instalaciones de refrigeración con absorción Selección de la instalación solar para el sistema de refrigeración. El estudio de las características de la máquina de refrigeración elegida determinará el tipo de instalación solar adecuada para cada instalación, ya que de la máquina dependerá la temperatura y caudal de agua caliente a aportar por la instalación solar. Hay numerosos estudios de evaluación de las distintas posibilidades de sistemas solares para las tecnologías de refrigeración elegidas en cada momento. Uno de los más importantes y recientes es el proyecto ALTENER Promoting Solar Air Conditioning, el cual se muestra sus conclusiones en el siguiente gráfico: Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 148

11 Figura 86. Diagrama de elección de la tecnología solar según la tecnología de refrigeración. (Fuente: Proyecto Promotion Air Conditioning.) El gráfico enfrenta el rendimiento esperado del colector elegido en cada caso y el cociente entre la diferencia de temperatura del colector con la temperatura ambiente y la radiación recibida por el colector, marcando cuatro áreas bien diferenciadas en el mismo, que corresponden con los sistemas de evaporación desecante; los sistemas de adsorción; los de absorción de efecto simple y los de absorción de doble efecto. Sobre ese diagrama aparecen las curvas de comportamiento de distintos tipos de colectores, de forma que puede comprobarse qué colector solar permitirá la instalación de uno u otro sistema de refrigeración. Los tipos de colectores analizados son los siguientes: SAC: Colector solar de aire. FPC: Colector solar plano. CPC: Colector cilindro parabólico. EHP: Colector de tubo de vacío EDF: Colector de tubo de vacío de flujo directo SYC: Colector de tubo de vacío de concentración. Estos estudios tienen que servir de aproximación a la elección de la tecnología solar, aunque para cada caso se deberá elegir según las características de la tecnología y fabricante elegido en cada caso. Proyecto Fin de Máster María Herrador Moreno 149