Estructura y principio de funcionamiento de un colector solar (heat-pipe)
Estructura del colector:
El colector solar consta de tubos de vacío fabricados con vidrio de borosilicato. Durante la producción se utilizó una mezcla adecuada de óxidos de SiO2 y B2O3, lo que dio como resultado un producto con buena resistencia química y una pureza y homogeneidad extraordinarias. El vidrio de borosilicato es respetuoso con el medio ambiente y se puede reciclar varias veces. También se aplicó el proceso de templado térmico. En combinación con la baja expansión térmica típica del vidrio de borosilicato, se logró una resistencia particularmente alta a los cambios de temperatura en comparación con el vidrio común. Los tubos son resistentes al granizo de hasta 25 mm de tamaño. El uso de tubos con diámetros de 47 mm y 58 mm permite colocar uno concéntricamente dentro del otro. El aire entre los tubos se bombea hacia fuera y los tubos se fusionan entre sí. El vacío entre las dos capas de vidrio es un excelente aislante y evita las pérdidas térmicas. En un proceso de triple metalización por magnetrón, se aplica un absorbedor (un compuesto que absorbe los rayos solares y los convierte en energía térmica). La nueva capa de absorción especial ALN/AIN-SS/CU con adición de cobre es la próxima generación de capas de absorción. Sucesora de la capa AL/N/AL, se caracteriza por una mayor eficiencia (hasta un 12%) y excelentes propiedades de absorción de la radiación solar directa y difusa. Las capas adicionales del absorbedor están diseñadas para mantener la mayor cantidad de energía posible dentro de los tubos y evitar la pérdida de calor a través de la radiación infrarroja. El interior del tubo de vacío puede calentarse hasta los 300°C. En el interior de los tubos de vacío se monta el llamado "tubo de calor" (heat pipe). Los radiadores de aluminio situados en el interior de los tubos de vacío ayudan a transferir la energía a los tubos de calor de cobre. Siguiendo el principio de que el punto de ebullición disminuye a medida que baja la presión, en el caso del "heat pipe" se redujo la presión en su interior mediante la extracción del aire. El líquido en el interior del intercambiador del "heat pipe" hierve a una temperatura de tan solo 25°C. El cobre utilizado para la producción del heat pipe está libre de oxígeno, lo que garantiza una larga y fiable vida útil.
La alta eficiencia del colector se debe a su capacidad para absorber la radiación solar difusa (por ejemplo, en días nublados) y reducir al máximo las pérdidas de calor. La energía se obtiene no solo de los rayos solares directos, sino también de la luz reflejada. La tubería colectora (colector) está hecha de un tubo de cobre. En su interior se instalan manguitos de cobre en los que se introduce el condensador del tubo de calor. Para lograr un mejor contacto entre las superficies de cobre y, por tanto, una transferencia de calor más eficiente, se aplica pasta térmica de alta temperatura en los puntos de contacto. La tubería colectora está aislada térmicamente con lana mineral. Aunque tiene propiedades aislantes ligeramente inferiores a las de la espuma de poliuretano, en este caso representa la mejor solución. La lana mineral no se oxida y es más resistente a las altas temperaturas que pueden producirse, por ejemplo, cuando se detiene la circulación del fluido en la instalación. En la tubería colectora también hay un lugar dedicado para montar un sensor de temperatura. La carcasa de la tubería colectora y su bastidor (soporte) están hechos de aluminio. El uso de metales ligeros es de gran importancia al instalar colectores en los tejados de los edificios.
Principio de funcionamiento:
La energía de los rayos solares calienta el interior de los tubos de vacío. A través de los radiadores de aluminio, el calor del interior del tubo se transfiere a los "tubos de calor". Después de solo un momento, a una temperatura de 25°C, el líquido en el "heat pipe" comienza a evaporarse. El vapor sube rápidamente hacia la parte superior, a la cabeza del intercambiador (condensador), donde a través de la tubería colectora cede calor y se condensa de nuevo. Luego vuelve a fluir hacia la parte inferior del "heat pipe" para repetir todo el proceso. El fluido caloportador (por ejemplo, el glicol) que fluye a través del colector no tiene contacto con los tubos de vacío ni con el absorbedor aplicado en ellos; solo absorbe el calor del condensador del "tubo de calor". La conexión entre los "tubos de calor" y el intercambiador de calor (en el que fluye el glicol) es una conexión "en seco".
La instalación más simple y económica es la instalación por gravedad (termosifón). El fluido calentado en el colector sube hacia la parte superior del tanque de almacenamiento sin necesidad de una bomba de circulación; luego, tras ceder calor en el tanque, el fluido enfriado regresa al colector. En una configuración de este tipo, es necesario colocar el tanque por encima de los colectores. En la práctica, esto requiere colocar los colectores sobre soportes en el suelo y el tanque en un piso superior dentro del edificio.
La segunda solución utilizada es la instalación con circulación forzada. No presenta las desventajas de la instalación por gravedad, pero requiere el uso de una bomba y un sistema de control automático. Por lo general, en dicho circuito se utilizan tanques equipados con dos serpentinas (tanques bivalentes). Permiten la cooperación con dos fuentes de calor. La instalación solar se conecta a la serpentina inferior, y la caldera de calefacción a la superior. Cuando se dan condiciones favorables (la temperatura del fluido en el colector es de 5 a 8 grados Celsius superior a la temperatura del agua en el tanque), se activa automáticamente la bomba de circulación, que impulsa el fluido calentado desde el colector hacia la serpentina dentro del tanque.
En caso de daños en un tubo de vacío, todo el sistema sigue funcionando. Solo disminuye la eficiencia del sistema. No hay fluidos dentro de los tubos de vacío, lo que significa que se puede desmontar un tubo en cualquier momento sin necesidad de vaciar el sistema.
For un acoplamiento rápido y fácil del colector al tanque de acumulación, recomendamos utilizar tuberías dobles preaisladas con espuma de caucho sintético de mayor resistencia térmica. Las tuberías están hechas de acero inoxidable o cobre blando. Su flexibilidad hace que no sea necesario utilizar accesorios ni conectores adicionales entre el colector y el tanque. También están equipadas con un cable de control integrado (para el sensor de temperatura en el colector). Además de mantener los máximos parámetros técnicos para reducir al mínimo las pérdidas de energía, este sistema acorta considerablemente el tiempo de montaje de la instalación y aumenta su fiabilidad.
Ventajas:
- Mayor eficiencia del colector de vacío con sistema heat-pipe (funcionamiento durante todo el año).
- Posibilidad de elegir diferentes tamaños de colector para distintas capacidades de tanque.
- El daño a un tubo de vacío con heat pipe no desactiva todo el sistema, sino que solo reduce la eficiencia del colector.
- Menor probabilidad de obstrucción del colector en comparación con los colectores planos o los basados en tubos en "U".
- Posibilidad de integración con el sistema de calefacción central para reducir los gastos de energía.