La
tecnología de tubos de vacío es actualmente
las más eficaz de las empleadas en los colectores
solares térmicos. Durante un tiempo fué
un sistema muy caro y de dificil acceso. Sin embargo
este sistema comienza a hacerse cada vez más
accesible para algunas aplicaciones, como lo demuestra
la proliferación de sistemas compactos de agua
caliente por termosifón con tubos de vacio
que en los últimos años han invadido
mercados como por ejemplo el mexicano
¿Porque
los colectores de vacio son más eficaces que
los de placa plana? Para poder dar una respuesta más
precisa es necesario conocer los procesos físicos
por los cuales la energía calorífica
pasa de un cuerpo a otro y que intervienen en los
procesos que determinan la mayor o menor eficacia
de un colector con respecto a otro
Formas
de transmisión del calor
Existen
3 formas en los que el calor se transmite de un cuerpo
a otro:
Conducción-
Se trata de la transmisión de calor que se produce
entre dos cuerpos a distinta temperatura que están
en contacto físico directo o entre dos áreas
de un mismo cuerpo a distintas temperaturas. El flujo
de transmisión del calor dependerá de
lo amplia que sea la superficie de contacto entre las
dos áreas de distinta temperatura y del desequilibrio
térmico que exista entre ellas. Este tipo de
transmisión la comprobamos empiricamente al tocar
un cuerpo caliente ( nos transmite el calor) o al sostener
un elemento metálico sometido al fuego ( notaremos
que el calor se distribuye progresivamente por todo
el objeto)
Convección-
Tipo de transmision de calor que sólo se da entre
los fluidos, no entre los sólidos. Se produce
porque al elevarse la temperatura de un fluido este
pierde densidad y asciende sobre el medio más
frio y denso transfiriendo a este último su calor.
Este tipo de tranmisión se puede comprobar empíricamente
colocando una mano sobre un radiador o una estufa. Se
notará una suave corriente de aire cálido
ascendente
Radiacion.
Es este caso no se requiere que los cuerpos estén
en contacto para transmitirse calor pudiendo existir
incluso en vacio entre ellos. Todo cuerpo por el simple
hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto
( -273 grados centigrados) emite radiación electromagnética.
Cuanta mayor sea su temperatura mayor será la
radiación que emita
Por
ejemplo, dos cuerpos uno a 30 grados centígrados
y otro a 130 grados centígrados emitirán
energía radiante. Al colocarse próximos
entre si existirá un intercambio de radiación
entre ambos. El que está a 10 grados absorverá
mucha energía de la radiación del cuerpo
de 130 grados y le dará poca. Asi el cuerpo de
130 grados emitirá mucha más radiacion
de la que es capaz de absorver del cuerpo de 10 grados.
En ausencia de otros agentes externos, el resultado
final será que el cuerpo de 10 grados se calentará
y el de 130 se enfriará hasta que alcacen ambos
la misma temperatura y lo que absorban y emitan sea
la misma cantidad de energía. El ejemplo más
claro de este tipo de transmisión de calor nos
lo proporciona el mismo Sol, que se encuentra a una
temperatura muy alta y nos hace llegar su calor a traves
del espacio vacío.
Normalmente se suelen dar los tres tipos de transmision
del calor a la vez aunque en distintas proporciones
cada uno.
En los
colectores de energía solar podemos establecer
las siguientes relaciones de transmision del calor.
El sol incide sobre el colector y este sube de temperatura.
Con ese calor lo que se busca es calentar un fluido
deseado, normalmente el agua. ( o agua y anticongelante).
Sin embargo no todo el calor generado se aprovecha para
calentar el fluido deseado ya que una parte se perderá
irremediablemente en calentar el aire externo que esta
en contacto con el colector ( conducción y convección
) y otra se perderá por radiación ya que
el subir de temperatura el colector emitirá con
más energia que el ambiente en el que se encuentra
provocandose pérdidas en ese sentido.
No todos
los colectores son iguales y serán más
eficaces aquellos que mantengan una mejor relacion entre
lo que ganan de la energía del Sol y lo que pierden
según hemos comentado.
Existen
dos maneras de mejorar los coletores, mejorando la ganancia
de energía que obtiene del sol y/o reduciendo
sus pérdidas.
La mejora
que aportan los colectores de tubo de vacio consiste
en evitar las pérdidas por conducción
y convección. Como se ha visto la transmisión
de calor por conducción y conveccion necesita
de la materia para poder llevarse a cabo. Por ello con
la colocación del absorbedor en el interior de
un tubo en el que se ha hecho el vacío evita
las pérdidas por estos métodos sólo
perdiéndose el calor por radiación ( que
se puede transmitir en el vacio).
Si se
pierde menos calor, habrá más calor disponible
para calentar el fluido que necesitamos obteniendose
así más rendimiento para la misma cantidad
de energía del Sol.
También
conviene mencionar que debido a la forma cilíndrica
de los tubos del colector se producen más reflejos
de la luz del Sol que en los colectores de placa plana
con lo que la ganancia de la energía del Sol
es menor. No obstante la adopción de esta forma
compensa ya que se deja de perder más energía
por el vacio de la que se deja de ganar por los reflejos.
Tipo
de colectores de tubo de vacio
Los distintos sistemas
de colectores de tubo de vacio se basan en los tubos
evacuados. Estos estan conformados por dos tubos concentricos
entre los cuales se ha aspirado el aire produciendose
un vacio. En uno de los extremos ambos tubos se unen
sellandose el vacio. Dentro de ambos tubos (de ahora
en adelante nos referiremos a estos tubos concéntricos
con el vacio en medio como tubos evacuados) se situan
los distintos tipos de absorbedores que determinan
los distintos sistemas.
Esquemas de tubos evacuados
Algunos
colectores emplean un sistema denominado CPC (Colector
Parabólico Concéntrico) para aprovechar
la radiación solar que incide entre dos tubos.
Este sistema consiste en una serie de reflectores que
dirigen la luz que cae entre tubo y tubo hacia la parte
trasera de los mismos donde es también aprevechada.
Con ello los colectores reciben luz tanto de la parte
delantera como de la trasera. Con el sistema CPC se
amplia la superficie efectiva de captación por
metro cuadrado para la tecnología de tubo de
vacío factor que sin embargo siempre estará
por debajo de los colectores de placa plana (por
metro cuadrado se capta menos pero se hace un uso más
eficiente de lo captado)
Tubos
evacuado simples
Este
sistema es únicamente utilizado en calentadores
solares termosifónicos. Son tubos evacuados ensamblados
directamente con el deposito acumulador y que por lo
tanto contienen agua.
En la
pared interior del tubo evacuado se situa una capa de
color oscuro de material absorbente. Cuando la radiación
solar incide sobre la capa de material absorbense se
transforma en calor y eleva la temperatura del agua
que esta en contacto con él.
El agua
calentada se eleva por convección y comienza
a ascender siendo reemplazada por agua fria que a su
vez se calienta y reinicia el proceso.
Este
tipo de tubo de vacio ofrece la ventaja de tener las
ya comentadas escasas pérdidas de calor y los
inconvenientes de ser muy sensible a la presión
y de no ofrecer ninguna protección contra las
bajas temperaturas no siendo posible su utilización
en zonas con inviernos frios sin la inclusión
de un calentador eléctrico que caliente el agua
del depósito cuando esta alcanza temperaturas
muy bajas.
En caso
de baja temperatura la dilatación del agua al
congelarse puede reventar los tubos y arruinar el equipo.
Tubo de
vacio de flujo directo
Esta
tecnología se emplea tanto para colectores exentos
como para calentadores solares compactos con depósito
integrado. Los colectores de tubo de vacío de
flujo directo colocan en el interior del tubo evacuado
una plancha de material absorbente adecuado que hace
las veces de absorbedor transformando la radiación
solar en calor. El absorbedor es recorrido en su superficie
por un tubo con flujo directo en el que circula un fluido
que eleva su temperaura en contacto con él.
. Algunos
colectores con esta tecnología aplican el sistema
CPC alterando la forma del absorbedor que adopta una
forma semicilíndrica para poder captar la energía
solar de la forma más eficiente posible por la
parte trasera.
Los colectores
de tubo de vacio de flujo directo tienen la ventaja
de poder adoptar una posición tanto horizontal
como vertical sin mermar su rendimiento ya que el tubo
puede rotar sobre su eje inclinandose el absorbedor
de la manera más adecuada. Tiene
la ventaja además de ser utilizable en áreas
frias ya que permite usar las estrategias contra la
congelación de uso general en la energía
solar térmica.
Tubo de
vacio de Heat pipe.
Esta
tecnología de colectores solares emplea un mecanismo
denominado Heat pipe. ( tubo de calor). Este mecanismo
consiste en un tubo cerrado en el cual se introduce
un fluido de propiedades específicas. Cuando
el Sol incide sobre el absorbedor adosado al tubo, el
fluido se evapora y absorbe calor ( calor latente).
Como gas asciende sobre el líquido hasta lo alto
del tubo donde se situa el foco frio. Allí se
licua ( condensa) y cede su calor latente al fluido
que nos interesa calentar volviendo a caer al fondo
del tubo por gravedad. Este proceso se repite mientras
dure la radiación del Sol o hasta que el colector
ha alcanzado una temperatura muy alta ( de en torno
los 130 grados o más) . El Heat Pipe o tubo de
calor es considerado como un superconductor térmico
por lo eficaz de su funcionamiento. |
