Colectores de placa plana

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Los FPC (Flat-Plate Collectors) son el corazón de cualquier sistema de captación de energía solar diseñado para operar en el rango de baja temperatura (menos de 60°C) o en el rango de temperatura media (menos de 100°C).

Visión de conjunto

Se utiliza para absorber energía solar, convertirla en calor y luego transferir ese calor a una corriente de líquido o gases. Utilizan radiaciones solares tanto directas como difusas, no requieren seguimiento del sol y requieren poco mantenimiento. Son mecánicamente más simples que los colectores de concentración. Las principales aplicaciones de estas unidades son el calentamiento solar de agua, la calefacción de edificios, el aire acondicionado y el calor de procesos industriales. Un FPC generalmente consta de los siguientes componentes:

Componentes

Diagrama esquemático del colector de placa plana
Diagrama esquemático del colector de placa plana
  • El acristalamiento consta de una o más láminas de vidrio u otro material transmisor de radiación.
  • Tubos, aletas o pasajes para conducir o dirigir el HTF desde la entrada hasta la salida.
  • Las placas absorbentes son placas planas, corrugadas o ranuradas, a las que se unen los tubos, las aletas o los conductos. La placa puede ser integral con los tubos.
  • Cabeceras o manifolds para admitir y descargar el HTF.
  • Aislamiento para minimizar la pérdida de calor por la parte posterior y los lados del colector.
  • Recipiente o carcasa para envolver el resto de componentes y protegerlos del polvo o la humedad. Los FPC se han construido en una amplia variedad de diseños de muchos materiales diferentes (Fig. a continuación). Su objetivo principal es recolectar la mayor cantidad posible de energía solar al costo total más bajo posible.

El colector también debe tener una larga vida útil, a pesar de: los efectos adversos de la radiación ultravioleta del sol; corrosión u obstrucción debido a la acidez, alcalinidad o dureza del HTF; congelación o retención de aire en el caso del agua, o deposición de polvo o humedad en el caso del aire.

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Características de la radiación solar

Tipos

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Diversos tipos de colectores solares: (A) de placa plana, (B) cilindroparabólico, (C) de tubos de vacío, (D) colector de EPDM sin vidriar y (E) de placa perforada.

El vidrio se ha utilizado ampliamente para esmaltar FPC porque puede transmitir hasta el 90% de la radiación solar de onda corta entrante mientras transmite muy poca radiación de onda larga emitida hacia el exterior desde la placa absorbente. El vidrio con bajo contenido de hierro tiene una transmitancia relativamente alta para la radiación solar (0,85–0,90 con incidencia normal).

Las películas y láminas de plástico también tienen una alta transmisión de onda corta, pero debido a que la mayoría de las variedades utilizables también tienen bandas de transmisión en el medio del espectro de radiación térmica, su transmisión de onda larga puede llegar a 0,40.

El vidrio generalmente utilizado en los colectores solares puede ser de resistencia simple (2,2 a 2,5 mm) o de resistencia doble (2,92 a 3,38 mm). Para la radiación directa, la transmitancia varía notablemente con el ángulo de incidencia θ, como se muestra en la Tabla a continuación.

Ángulo de incidencia de transmitancia y absorción

Variación con ángulo incidente de transmitancia y absorbancia

Ángulo de incidencia θ (°)Transmitancia τAbsorción α (para pintura negra plana)
Acristalamiento simpleDoble Acristalamiento
0.870.770.96
100.870.770.96
200.870.770.96
300.870.760.95
400.860.750.94
500.840.730.92
600.790.670.88
700.680.530.82
800.420.250.67
900.000.000.00

El revestimiento antirreflectante y la textura de la superficie pueden mejorar significativamente la transmisión. La placa absorbente absorbe la mayor cantidad de radiación posible a través del acristalamiento, mientras pierde la menor cantidad de calor posible hacia la atmósfera y hacia abajo a través de la parte posterior de la carcasa.

La placa absorbente transfiere el calor retenido al fluido de transporte. La absorbancia de la superficie del colector para la radiación solar de onda corta depende de la naturaleza y el color del recubrimiento y del ángulo de incidencia, como se muestra en la Tabla para una pintura típica de color negro mate.

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Oportunidades de carrera en Hvac

Mediante tratamientos electrolíticos o químicos adecuados, se pueden producir superficies selectivas con valores altos de absorbancia de radiación solar α y valores bajos de emitancia de onda larga ε. Las superficies selectivas son particularmente importantes cuando la temperatura de la superficie del colector es mucho más alta que la temperatura del aire ambiente.

Los materiales que se utilizan con mayor frecuencia para las placas absorbentes son el cobre, el aluminio y el acero inoxidable. Las extrusiones de plástico resistentes a los rayos UV se utilizan para aplicaciones de baja temperatura. Los posibles problemas de corrosión deben ser considerados para cualquier metal.

Los materiales más utilizados para el aislamiento son lana mineral, lana de vidrio y espuma de vidrio. La espuma de poliuretano se usa para aplicaciones a baja temperatura y el styropor se usa muy raramente. Las principales propiedades de los materiales aislantes se resumen en la siguiente tabla.

Materiales de aislamiento

Principales Propiedades de los Materiales Aislantes

No.
Materiales
Temperatura aceptada (° C)
Densidad (kg / m3)
Conductividad térmica (W / (m K))
1
Lana mineral
> 200
60-200
0.040
2
Lana de vidrio
> 200
30-100
0.040
3
Vidrio de espuma
> 200
130-150
0.048
4
Espuma de poliuretano
<130
30–80
0.030
5
Styropor
<80
30–50
0.034

FPC generalmente se fija permanentemente en su posición y no requiere seguimiento del sol. Los colectores deben orientarse directamente hacia el ecuador, mirando al sur en el hemisferio norte y al norte en el sur. El ángulo de inclinación óptimo del colector es igual a la latitud de la ubicación con variaciones de ángulo de 10 a 15 °C, más o menos según la aplicación.

Colector de aire solar

Los colectores solares de aire tienen principios de funcionamiento similares a los FPC (Fig. a continuación).

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Esquema del colector solar de aire.

La diferencia es que en lugar de fluido líquido, un ventilador eléctrico bombea aire a través del colector. Los componentes principales son: placa absorbente (1), cubierta de vidrio (2), aislamiento (3), carcasa (4) y extractor de aire (5).

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Temas de transferencia de calor solar

Este tipo de colector no es muy común en Europa (cubre solo el 1-2% del mercado de colectores solares líquidos). Las razones de esto pueden ser que, por un lado, la falta de experiencia y el desconocimiento de los usuarios finales y, por otro lado, este tipo de colector no se puede utilizar directamente para la producción de ACS, que domina el mercado actual.

Balance de energía

En la Fig. a continuación se ilustra el balance de energía de un FPC estándar. De la radiación solar total IT que incide sobre la cubierta de vidrio, una parte (τ · IT) determinada de transmitancia τ llega a la placa absorbente donde se transforma en calor.

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La cubierta de vidrio refleja en el espacio la radiación (ρ · IT) y absorbe la radiación (α · IT), donde ρ y α son la reflectancia y la absorbancia de la cubierta de vidrio, respectivamente. Una parte de la radiación (τ · IT) incidente sobre la placa absorbente se refleja y la mayor parte de esta radiación se transforma en calor. La suma de los coeficientes τ, ρ y α es

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