Colectores solares: tipos, principio de funcionamiento, diseño del sistema.

Bombas de calor extraer energía del suelo, agua o aire calentado por el sol. Las calderas utilizan el calor liberado durante la combustión del combustible, que en última instancia también es el producto de la conversión de la energía solar durante la larga evolución de la Tierra. Los colectores solares son, en cierto sentido, únicos: reciben energía directamente del sol.

Para tener la oportunidad de calentar el agua para el agua caliente sanitaria absolutamente gratis mañana o para calentar su casa, hoy todavía tiene que gastar dinero en la compra de colectores solares. Dado el considerable costo de dicho equipo, es muy importante no equivocarse al elegir. Por lo tanto, debe obtener al menos ideas generales sobre los detalles de los colectores solares y los matices de su trabajo.

Los detalles del uso de colectores solares

La característica principal de los colectores solares que los distingue de otros tipos de generadores de calor es la naturaleza cíclica de su trabajo. Sin sol, sin energía térmica. Como resultado, tales instalaciones son pasivas por la noche.

La producción diaria promedio de calor depende directamente de la duración de las horas del día. Esto último está determinado, en primer lugar, por la latitud geográfica del área, y en segundo lugar, por la época del año. En el verano, durante el cual el pico de insolación cae en el hemisferio norte, el recolector trabajará con la máxima eficiencia. En invierno, su productividad cae, alcanzando un mínimo en diciembre-enero.

En invierno, la eficiencia de los colectores solares disminuye no solo debido a una disminución de las horas diurnas, sino también debido a un cambio en el ángulo de incidencia de la luz solar. Las fluctuaciones en el rendimiento del colector solar durante el año deben tenerse en cuenta al calcular su contribución al sistema de suministro de calor.

Otro factor que puede afectar la productividad del colector solar son las características climáticas de la región. En nuestro país hay muchos lugares donde durante 200 días o más al año el sol está oculto detrás de una gruesa capa de nubes o detrás de un velo de niebla. En tiempo nublado, el rendimiento del colector solar no cae a cero, ya que puede capturar la luz solar dispersa, pero se reduce significativamente.

El principio de funcionamiento y los tipos de colectores solares.

Es hora de decir algunas palabras sobre el dispositivo y el principio de funcionamiento del colector solar. El elemento principal de su diseño es un adsorbente, que es una placa de cobre con una tubería soldada. Al absorber el calor de la luz solar que cae sobre él, la placa (y con ella la tubería) se calienta rápidamente. Este calor se transfiere al líquido refrigerante que circula a través de la tubería, y que a su vez lo transporta más a través del sistema.

La capacidad del cuerpo físico para absorber o reflejar los rayos del sol depende, en primer lugar, de la naturaleza de su superficie. Por ejemplo, una superficie de espejo refleja perfectamente la luz y el calor, pero el negro, por el contrario, absorbe. Es por eso que se aplica un recubrimiento negro a la placa de cobre del adsorbente (la opción más simple es la pintura negra).

El principio de funcionamiento del colector solar.

Es posible aumentar la cantidad de calor recibido del sol mediante la selección adecuada de vidrio que cubre el adsorbente. El vidrio normal no es lo suficientemente transparente.Además, brilla, reflejando parte de la luz solar que cae sobre él. En los colectores solares, por regla general, intentan usar vidrio especial con un bajo contenido de hierro, lo que aumenta su transparencia. Para reducir la fracción de luz reflejada por la superficie, se aplica un recubrimiento antirreflectante al vidrio. Y para que el polvo y la humedad, que también reducen el rendimiento del vidrio, no ingresen al colector, la carcasa se sella y, a veces, incluso se llena con un gas inerte.

A pesar de todos estos trucos, la eficiencia de los colectores solares todavía está lejos del 100%, debido a la imperfección de su diseño. La placa adsorbente calentada irradia parte del calor recibido al ambiente, calentando el aire en contacto con ella. Para minimizar la pérdida de calor, el adsorbente debe estar aislado. La búsqueda de un método eficaz de aislamiento térmico del adsorbente llevó a los ingenieros a crear varias variedades de colectores solares, los más comunes son los de vacío plano y tubular.

Colectores solares planos

Colectores solares planos.

El diseño de un colector solar plano es extremadamente simple: es una caja de metal cubierta con vidrio desde arriba. Para el aislamiento térmico del fondo y las paredes del cuerpo, como regla general, se utiliza lana mineral. Esta opción está lejos de ser ideal, ya que no se excluye la transferencia de calor del adsorbente al vidrio a través del aire dentro del conducto. Con una gran diferencia de temperatura dentro del colector y afuera, la pérdida de calor es bastante significativa. Como resultado, un colector solar plano, que funciona perfectamente en primavera y verano, se vuelve extremadamente ineficiente en invierno.

Dispositivo colector solar plano

Colectores solares de vacío tubular

Colectores solares al vacío tubulares.

El colector solar al vacío es un panel que consta de una gran cantidad de tubos de vidrio relativamente delgados. Dentro de cada uno de ellos hay un adsorbente. Para excluir la transferencia de calor por gas (aire), los tubos se evacuan. Debido a la falta de gas cerca de los adsorbedores, los colectores de vacío se caracterizan por una baja pérdida de calor incluso en climas helados.

Dispositivo colector de vacío

Aplicaciones para colectores solares.

El objetivo principal de los colectores solares, así como de cualquier otro generador de calor, es calentar edificios y preparar agua para un sistema de suministro de agua caliente. Queda por descubrir qué tipo de colectores solares son los más adecuados para realizar una función particular.

Los colectores solares planos, como hemos encontrado, se distinguen por el buen rendimiento en primavera y verano, pero no son efectivos en invierno. De esto se deduce que no es práctico usarlos para calentar, cuya necesidad surge precisamente con el inicio del clima frío. Esto, sin embargo, no significa que no haya ningún negocio para este equipo.

Los colectores planos tienen una ventaja indiscutible: son significativamente más baratos que los modelos de vacío, por lo tanto, en los casos en que se planea utilizar energía solar exclusivamente en verano, tiene sentido comprarlos. Los colectores solares planos hacen frente perfectamente a la tarea de preparar agua para el agua caliente en el verano. Aún más a menudo se utilizan para calentar a una temperatura del agua confortable en piscinas al aire libre.

Los colectores de vacío tubulares son más versátiles. Con la llegada de los resfriados de invierno, su rendimiento disminuye de manera no tan significativa como en el caso de los modelos planos, lo que significa que pueden usarse durante todo el año.Esto hace posible usar tales colectores solares no solo para el suministro de agua caliente, sino también en el sistema de calefacción.

Comparación de colectores solares planos y de vacío.

Ubicación de colectores solares.

La eficiencia del colector solar depende directamente de la cantidad de luz solar que ingresa al adsorbente. Se deduce que el colector debe estar ubicado en un espacio abierto, donde nunca (o al menos el mayor tiempo posible) la sombra de los edificios vecinos, los árboles ubicados cerca de las montañas, etc.

De gran importancia no es solo la ubicación del colector, sino también su orientación. El lado más "soleado" en nuestro hemisferio norte es el lado sur, lo que significa que, idealmente, los "espejos" del colector deben girarse exactamente hacia el sur. Si es técnicamente imposible hacer esto, entonces debe elegir la dirección lo más cerca posible al sur - suroeste o sureste.

No se debe ignorar un parámetro como el ángulo de inclinación del colector solar. La magnitud del ángulo depende de la desviación de la posición del Sol con respecto al cenit, que a su vez está determinada por la latitud geográfica del área en la que se operará el equipo. Si el ángulo de inclinación no se ajusta correctamente, la pérdida de energía óptica aumentará significativamente, ya que una parte significativa de la luz solar se reflejará desde el vidrio del colector y, por lo tanto, no llegará al absorbedor.

Cómo elegir el colector solar adecuado

Si desea que el sistema de calefacción de su casa haga frente a la tarea de mantener una temperatura confortable en las instalaciones, y que el agua caliente fluya de los grifos, y al mismo tiempo planee usar un colector solar como generador de calor, debe calcular de antemano la potencia necesaria del equipo. En este caso, se tendrá que tener en cuenta un número bastante grande de parámetros, incluido el propósito del colector (suministro de agua caliente, calefacción o una combinación de ambos), la demanda de calor del objeto (área total de habitaciones con calefacción o consumo promedio diario de agua caliente), características climáticas de la región y características de la instalación del colector.

En principio, hacer tales cálculos no es tan difícil. Se conoce el rendimiento de cada modelo, lo que significa que puede estimar fácilmente la cantidad de recolectores necesarios para proporcionar calor a la casa. Las empresas que producen colectores solares tienen información (y pueden proporcionarla al consumidor) sobre el cambio en la potencia del equipo dependiendo de la latitud geográfica del área, el ángulo de inclinación de los "espejos", la desviación de su orientación desde el sur, etc., que le permite realizar las modificaciones necesarias al calcular el rendimiento del colector.

Al seleccionar la potencia del colector requerida, es muy importante lograr un equilibrio entre la escasez y el exceso de calor generado. Los expertos recomiendan centrarse en la máxima potencia posible del colector, es decir, usar el indicador para la temporada de verano más productiva en los cálculos. Esto contradice el deseo del usuario promedio de llevar equipos con un margen (es decir, calcular la potencia del mes más frío) para que el calor del colector sea suficiente en los días menos soleados de otoño e invierno.

Sin embargo, si sigue el camino de elegir un colector solar con mayor potencia, en el mejor momento de su rendimiento, es decir, en un clima cálido y soleado, se encontrará con un problema grave: se generará más calor del que se consume, y esto amenaza el sobrecalentamiento del circuito y otras consecuencias desagradables . Hay dos opciones para resolver este problema: instalar un colector solar de baja potencia y conectar en paralelo fuentes de calor redundantes en paralelo, o comprar un modelo con una gran reserva de energía y proporcionar formas de descargar el exceso de calor en la temporada primavera-verano.

Estancamiento del sistema

Hablemos un poco más sobre los problemas asociados con un exceso de calor generado. Entonces, suponga que ha instalado un colector solar suficientemente potente que puede proporcionar calor al sistema de calefacción de su hogar. Pero llegó el verano y desapareció la necesidad de calefacción. Si puede apagar la energía de una caldera eléctrica, apague el suministro de combustible para una caldera de gas, entonces no tenemos energía sobre el sol, no podemos apagarla cuando hace demasiado calor.

El estancamiento del sistema es uno de los principales problemas potenciales de los colectores solares. Si se toma calor insuficiente del circuito colector, el refrigerante se sobrecalienta. En un momento determinado, este último puede hervir, lo que conducirá a la terminación de su circulación a lo largo del circuito. Cuando el refrigerante se enfría y condensa, el sistema reanudará la operación. Sin embargo, lejos de todos los tipos de refrigerantes, transfiera con calma la transición de un estado líquido a un estado gaseoso y viceversa. Algunos como resultado del sobrecalentamiento adquieren una consistencia gelatinosa, lo que hace imposible el funcionamiento posterior del circuito.

Solo la eliminación estable del calor producido por el colector ayudará a evitar el estancamiento. Si el cálculo de la potencia del equipo se realiza correctamente, la probabilidad de problemas es casi nula.

Sin embargo, incluso en este caso, no se excluyen las circunstancias de fuerza mayor, por lo tanto, se deben prever de antemano formas de protección contra el sobrecalentamiento:

1. Instalación de un tanque de reserva para la acumulación de agua caliente. Si el agua en el tanque principal del sistema de suministro de agua caliente ha alcanzado el máximo establecido, y el colector solar continúa suministrando calor, se producirá un cambio automático y el agua comenzará a calentarse ya en el tanque de reserva. El stock creado de agua tibia se puede usar para necesidades domésticas más tarde, en clima nublado.

2. Agua calentada en la piscina. Los propietarios de casas con piscina (no importa, interior o exterior) tienen una gran oportunidad para desviar el exceso de calor. El volumen de la piscina es incomparablemente mayor que el de cualquier almacenamiento doméstico, de lo que se deduce que el agua no se calentará tanto que ya no podrá absorber el calor.

3. Drene el agua caliente. En ausencia de la capacidad de gastar el exceso de calor, simplemente puede drenar útilmente el agua caliente del tanque de almacenamiento de agua caliente en pequeñas alcantarillas en pequeñas porciones. El agua fría que ingresa al tanque reducirá la temperatura de todo el volumen, lo que continuará eliminando el calor del circuito.

4. Intercambiador de calor externo con ventilador. Si el colector solar tiene una gran capacidad, el exceso de calor también puede ser muy grande. En este caso, el sistema está equipado con un circuito adicional lleno de refrigerante. Este circuito adicional está conectado al sistema por medio de un intercambiador de calor equipado con un ventilador y montado fuera del edificio. Si existe el riesgo de sobrecalentamiento, el exceso de calor ingresa al circuito adicional y se "libera" en el aire a través del intercambiador de calor.

5. La descarga de calor en el suelo. Si además del colector solar en la casa hay una bomba de calor del suelo, se puede enviar el exceso de calor al pozo. Al mismo tiempo, resuelve dos problemas a la vez: por un lado, protege el circuito del colector del sobrecalentamiento, por otro lado, restaura la reserva de calor agotada en el suelo durante el invierno.

6. Aislamiento del colector solar de la luz solar directa. Este método es uno de los más simples desde un punto de vista técnico. Por supuesto, no merece la pena subir al techo y cortar manualmente el colector, es difícil e inseguro. Es mucho más racional instalar una pantalla controlada a distancia, como una persiana enrollable. Incluso puede conectar la unidad de control de la compuerta al controlador; si la temperatura en el circuito aumenta peligrosamente, el colector se cerrará automáticamente.

7. Drenaje de refrigerante. Este método puede considerarse cardinal, pero al mismo tiempo es bastante simple.Si existe el riesgo de sobrecalentamiento, el refrigerante se drena mediante una bomba en un tanque especial integrado en el circuito del sistema. Cuando las condiciones vuelvan a ser favorables, la bomba devolverá el refrigerante al circuito y se restablecerá el colector.

Otros componentes del sistema

No es suficiente simplemente recoger el calor irradiado por el sol. Todavía es necesario transportarlo, acumularlo, transferirlo a los consumidores, es necesario controlar todos estos procesos, etc. Esto significa que, además de los colectores ubicados en el techo, el sistema contiene muchos otros componentes, que pueden ser menos notorios, pero no menos importantes. Centrémonos solo en algunos de ellos.

Refrigerante

La función del refrigerante en el circuito colector puede ser agua o un fluido no congelante.

El agua tiene una serie de inconvenientes que imponen ciertas restricciones sobre su uso como refrigerante en colectores solares:

• En primer lugar, a temperaturas de congelación se congela. Para que el refrigerante congelado no rompa las tuberías del circuito, tendrá que drenarse al acercarse el clima frío, lo que significa que en invierno no recibirá ni siquiera pequeñas cantidades de energía térmica del colector.
• En segundo lugar, un punto de ebullición de agua no demasiado alto puede causar un estancamiento frecuente en el verano.

El líquido no congelante, a diferencia del agua, tiene un punto de congelación significativamente más bajo y un punto de ebullición incomparablemente más alto, lo que aumenta la conveniencia de usarlo como refrigerante. Sin embargo, a altas temperaturas, la "no congelación" puede sufrir cambios irreversibles, por lo tanto, debe protegerse del sobrecalentamiento excesivo.

Bomba adaptada para sistemas solares.

Para garantizar la circulación forzada del refrigerante a lo largo del circuito colector, se necesita una bomba adaptada para sistemas solares.

Intercambiador de calor ACS

La transferencia de calor desde el circuito del colector solar al agua utilizada en el suministro de agua caliente sanitaria, o al portador de calor del sistema de calefacción se lleva a cabo mediante un intercambiador de calor. Por lo general, para la acumulación de agua caliente, use un tanque grande con un intercambiador de calor ya incorporado. Es racional usar tanques con dos o más intercambiadores de calor: esto le permitirá tomar calor no solo del colector solar, sino también de otras fuentes (caldera de gas o eléctrica, bomba de calor, etc.).

Automatización

Un sistema tan complejo no puede prescindir de la automatización, que controla y controla el proceso. El controlador le permite automatizar el trabajo del colector: analiza la temperatura en el circuito y el tanque de almacenamiento, controla la bomba y las válvulas responsables del movimiento del refrigerante a lo largo del circuito. Si el refrigerante en el circuito y el agua en el tanque se sobrecalientan, el controlador dará una orden para descargar el calor en un disipador de calor alternativo: un tanque de agua adicional o un intercambiador de calor de aire exterior.

Si al final de las horas del día la temperatura del agua en el tanque de almacenamiento excede la temperatura del refrigerante en el circuito del colector, la automatización detendrá la circulación del refrigerante a lo largo del circuito para que el calor acumulado no se libere a la atmósfera a través del colector. Los controladores modernos permiten controlar de forma remota el funcionamiento del sistema y, si es necesario, realizar ajustes.

Hoy no será difícil encontrar un colector solar y ninguno de los componentes necesarios para su funcionamiento en el mercado. Es muy posible ensamblar un sistema a partir de elementos comprados por separado. Sin embargo, los fabricantes ofrecen kits listos para usar, que incluyen un colector, bombas, tanques de almacenamiento, automatización de control, etc. La compra de dicho kit no solo es un ahorro de tiempo, sino también una garantía del rendimiento del sistema.