ES2263374A1 - Sistema de proteccion frente a sobrecalentamientos de instalaciones solares termicas. - Google Patents
Sistema de proteccion frente a sobrecalentamientos de instalaciones solares termicas.Info
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Abstract
Los sistemas solares térmicos sufren peligro de sobrecalentamientos muy elevados en épocas de mucha insolación y poco consumo de fluido caliente. El sistema propuesto para evitar dicho sobrecalentamiento consiste en un elemento de cubrición opaco, motorizado y comandado bien manualmente mediante un interruptor, o de forma automática mediante un regulador. Este elemento de cubrición bloqueará la radiación solar sobre los captadores solares cuando el usuario voluntariamente lo decida o cuando el regulador detecte temperaturas de fluido demasiado elevadas. Bajo estas situaciones, el motor hará descender el elemento de protección sobre el captador, evitando que la radiación solar incida de forma directa sobre la superficie de captación, eliminándose el aporte térmico al fluido caloportador. Una vez la temperatura del fluido se encuentre de nuevo en valores aceptables lo suficientemente reducidos, el regulador recogerá automáticamente el elemento de cubrición, permitiendo de nuevo la captación de radiación solar por el fluido.
Description
Sistema de protección frente a
sobrecalentamientos de instalaciones solares térmicas.
La invención se enmarca en el sector de la
generación de energía térmica, en concreto mediante la utilización
de captadores solares térmicos, aplicados para el calentamiento de
fluidos como agua, aceites o líquidos refrigerantes.
Actualmente, los sistemas solares térmicos están
evolucionando continuamente gracias a la creciente demanda que
existe principalmente para la generación de agua caliente y la
climatización de piscinas en el sector residencial y terciario, si
bien empieza a utilizarse en industrias para el calentamiento de
fluidos térmicos a altas temperaturas. El aumento de la demanda
privada coincide con el apoyo creciente que todas las
administraciones están dando a esta forma de generación de energía,
mediante la concesión de ayudas y la obligatoriedad de la
instalación de estos sistemas en muchos municipios.
Los países mediterráneos con un buen nivel de
vida, buen clima e insolación abundante como España son idóneos para
la instalación de estos sistemas, ya que por sí solos pueden cubrir
la práctica totalidad de las necesidades de energía sin tener que
recurrir a sistemas de calentamiento auxiliares convencionales,
basados en energías fósiles como el gas natural, el carbón o
derivados del petróleo.
Para ello, los sistemas solares deben ser
capaces de suministrar la máxima energía necesaria en cada momento
del año. Si se toma como ejemplo la aplicación más usual de estos
sistemas, la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en el
sector residencial, la máxima demanda de energía se da en los meses
de invierno, cuando la radiación solar es menor. Por tanto, para
cubrir las necesidades de ACS de una vivienda en invierno, se
necesita una superficie de captación elevada.
El problema aparece al llegar a los meses de
verano en los que las necesidades térmicas disminuyen, y sin embargo
la radiación solar aumenta, tal y como se muestra en la Figura 1.
Se produce entonces un exceso de generación de energía, ya que los
captadores reciben más radiación, generan más energía, y ésta sin
embargo se consume en menor medida. El resultado es un
sobrecalentamiento del sistema de generación solar, que pude llegar
a dañar los equipos que lo constituyen de forma permanente por el
aumento excesivo de temperatura y presión en los circuitos.
Actualmente el problema del sobrecalentamiento
se afronta mediante medidas "preventivas":
- \bullet
- El punto de diseño del sistema solar se fija de forma que en los meses estivales de máxima radiación y menor consumo, no se produzca un exceso en la generación de energía, y se evite el sobrecalentamiento excesivo. Esto supone en realidad un infradimensionamiento del sistema, ya que en el resto del año, se ve incapaz de satisfacer la demanda creciente de energía, y necesita del apoyo periódico de un sistema auxiliar convencional.
- \bullet
- El sistema solar se equipa con equipos de protección, generalmente un vaso de expansión y al menos una válvula de seguridad, que lo protegen frente a las sobre presiones producidas como consecuencia del aumento de la temperatura en los circuitos. Sin embargo, éste sobrecalentamiento sigue produciéndose, dañando especialmente el equipo de acumulación, bombas, caudalímetros, purgadores e incluso los propios captadores, vasos de expansión y válvulas de seguridad. Por otra parte, el disparo de una válvula de seguridad en el circuito primario del sistema solar supone el vaciado de parte del liquido de este circuito, que debe ser restituido de forma manual. En la mayor parte de las ocasiones, especialmente en el sector residencial, el propio usuario realiza esta operación con agua de red que a la larga produce la calcificación del circuito, en vez de con una mezcla anticongelante como sería deseable.
Aún cuando la instalación ha sido diseñada
adecuadamente y consta con los equipos de protección anteriormente
mencionados, dicha protección no contempla la casuística, muy
habitual, en la que no se produce consumo alguno de ACS durante días
o semanas, como consecuencia por ejemplo, del abandono de la
vivienda por vacaciones de los inquilinos. En tal caso, lo que se
recomienda es:
- \bullet
- Apagar el equipo de control de la instalación solar. De esta forma, el sobrecalentamiento lo sufren exclusivamente los captadores y los equipos ubicados junto a ellos, generalmente los purgadores y las válvulas de seguridad. Esta solución presenta el inconveniente de la fuerte fatiga térmica que sufren estos elementos entre el día y la noche, que acaba traduciéndose en una menor vida útil, lo que es especialmente grave si se tiene en cuenta que los captadores suelen ser los elementos más caros de la instalación.
- \bullet
- Tapar los captadores mediante algún toldo o tela, de forma manual. Así se evita que la radiación solar incida sobre la superficie de absorción del captador. Esta es la mejor solución sin lugar a dudas, pero supone un inconveniente y una incomodidad para el usuario de la instalación, ya que se ve obligado a hacer él el trabajo manualmente cada vez que desea abandonar la vivienda. Aún más, la tarea se convierte en un verdadero problema si, como sucede en la mayor parte de las ocasiones, los captadores no se encuentran en una ubicación de fácil acceso para el usuario, sino sobre cubiertas y tejados a varios metros de altura sobre el nivel del suelo.
Es por todo ello, que esta invención alcanza el
objetivo doble de proteger de la mejor forma posible la instalación
solar aumentando la comodidad y la confianza del usuario de la
instalación.
El nuevo sistema de protección frente a
sobrecalentamiento aquí propuesto comprende principalmente:
- a.
- Un elemento motorizado para cubrir el captador y protegerlo de la radiación solar incidente
- b.
- Un sistema de regulación y control automático para accionar el elemento de cubrición.
El elemento de cubrición debe ser fácilmente
"motorizable", resistente a los elementos atmosféricos y por
supuesto opaco a la radiación solar. Las dos soluciones propuestas
son la utilización de un toldo y de una persiana, siendo ésta última
la que en adelante se desarrollará en detalle.
Actualmente existen en el mercado productos
suficientes que permiten diseñar y construir persianas motorizadas
"a medida", si bien no están "refinados" para el uso que
se les pretende dar en esta aplicación.
Por tanto, el elemento de cubrición lo
constituirá una persiana motorizada construida íntegramente en
aluminio (lamas finas, cajón y raíles), a medida del captador. Todos
los elementos se anclarán al captador mediante tornillos de acero
inoxidable, o presillas, si se pretende evitar perforar el captador.
El cajón de la persiana se montará en la parte superior del
captador, de forma que no sombree la superficie de captación, y que
el desplegado de la persiana se produzca sobre los dos raíles
anclados a cada lado del captador.
El ancho y largo de la persiana, así como la
longitud de los raíles, serán función del modelo del captador. El
motor de la persiana, al igual que ocurre en otras aplicaciones, se
inserta en el eje del tambor.
La aplicación y uso en intemperie de este
elemento implica la mejora de los siguientes elementos:
- \bullet
- El motor utilizado debe ser IP55 mínimo.
- \bullet
- Debe utilizarse un prensaestopas para la salida del cable del motor del cajón.
- \bullet
- El cajón debe estar cerrado utilizando juntas de goma
- \bullet
- Antes de meter la persiana en el cajón, puede ser necesario darle la vuelta a la persiana, ya que la parte que en esta ocasión quedará visible es la interior de la persiana (lama cóncava).
En la Figura 2 se presenta un croquis de un
elemento de cubrición, tipo persiana motorizada, para un captador en
posición inclinada.
El sistema de regulación y control será el
encargado de accionar la persiana cuando sea necesario, y constituye
el "corazón" del sistema de protección.
Para su implementación se utilizará un regulador
solar con un mínimo de dos sondas de entrada para medida de
temperatura (ST1 y ST2), y tres relés de salida (R1, R2 y R3). La
utilización será la siguiente:
- ST1:
- Temperatura de captador
- ST2:
- Temperatura mínima de acumulación
- R1:
- Relé de accionamiento de la bomba de circulación solar
- R2:
- Relé de "bajada de persiana"
- R3:
- Relé de "subida de persiana"
El funcionamiento habitual de la instalación
solar lo regirán ST1, ST2 y R1, de forma que cuando ST1 > ST2 +
\DeltaT, se activará R1 y empezará a circular fluido por el
sistema de captación gracias a la bomba circuladora (B). En el
momento en el que la diferencia entre ST1 y ST2 no sea suficiente,
R1 se desactivará.
Para la protección frente al sobrecalentamiento
se utilizarán ST2, R2 y R3. En el momento en el que ST2 detecte una
temperatura suficientemente elevada como para producir daños en el
sistema, que se fijará como temperatura máxima de acumulación
(entorno a 65ºC para ACS), se activará R2 durante el tiempo
suficiente para que la persiana descienda completamente mediante su
motor (M). En ese momento, la instalación solar deja de recibir
radiación, y por tanto deja de acumular energía. Las funciones
convencionales del sistema solar quedan deshabilitadas, ya que el
sistema ha alcanzado su nivel máximo de acumulación de energía.
A partir de este momento, bien por pérdidas
térmicas o bien porque se consume parte del fluido caliente, la
temperatura del fluido acumulado irá disminuyendo progresivamente,
mientras el sistema de captación sigue cubierto. En el momento en el
que ST2 detecte una temperatura lo suficientemente baja como para
que el sistema pueda volver a recibir energía (entorno a 50ºC), se
activará R3 durante el tiempo suficiente para que la persiana
ascienda completamente de nuevo, volviendo de nuevo al
funcionamiento habitual de la instalación.
El intervalo de temperatura que define la bajada
- subida de la persiana, constituye una histéresis que debe
ajustarse según, entre otros parámetros, de la aplicación de la
instalación solar. El intervalo ya mencionado de 65ºC para la bajada
del elemento de cubrición y 50ºC para la subida es válido para la
producción de ACS.
Si bien no es imprescindible, sí resulta
interesante que el sistema solar disponga de otra sonda de
temperatura ST3, que indique la temperatura máxima de acumulación de
fluido, ubicada en el punto más alto del acumulador. En estas
circunstancias, será ST3 la que accione el reté R2 de bajada de la
persiana, y ST2 el de subida, produciéndose una regulación de
temperatura mucho más precisa.
En cualquier caso, la temperatura a la que ST2
ordena subir de nuevo la persiana, debe ser una solución de
compromiso:
- \bullet
- No debe ser lo suficientemente baja como para que el acumulador de fluido caliente haya perdido demasiada energía, que cueste varias horas o días en recuperar.
- \bullet
- No debe ser demasiado alta, para evitar movimientos continuos de subida y bajada del elemento de cubrición.
Todo el sistema automatizado de control puede
ser subordinado por un sistema manual, utilizando pulsadores
eléctricos manuales para accionar el motor del elemento de
cubrición, a voluntad del usuario.
En el caso en el que el captador se instale
sobre una superficie con poca inclinación, y el elemento de
cubrición se despliegue con dificultad, se puede utilizar un resorte
anclado al final del raíl que "tire" del elemento de cubrición
para que su recorrido sea el adecuado.
Figura 1 : Muestra el desajuste estacional entre
radiación solar incidente sobre la superficie terrestre (energía
disponible) y la demanda energética en forma de agua caliente
(energía necesaria). Como se puede comprobar, en los meses de
otoño-invierno la demanda es superior a la
disponibilidad de energía, lo que hace necesaria la utilización de
un aporte energético adicional para cubrir las necesidades. Sin
embargo, en primavera-verano ocurre lo contrario, la
disponibilidad de energía es mayor que la demanda, lo que obliga a
limitar esa producción de energía mediante la utilización del
elemento de cubrición propuesto.
Figura 2: Muestra un croquis de elemento de
cubrición tipo persiana automática montada sobre un captador solar.
Sobre el propio captador se montan el cajón (1) y los raíles (3) de
la persiana (4), que hace de elemento de cubrición. El motor de
accionamiento se sitúa en el eje del tambor (2), de forma que todo
el conjunto queda como un solo elemento compacto y autoportante.
Figura 3: Muestra el sistema de control
utilizando un regulador solar simple para el funcionamiento habitual
del sistema (R1(NA)), dos termostatos regulables
convencionales (R2(NA) y R3(NA)), y un relé auxiliar
para deshabilitar el regulador solar cuando R2(NC) se haya
activado. Los relés se alimentan de forma convencional Fase (F) -
Neutro (N), y activan el motor de la persiana (M) y la bomba
(B).
El modo de realización aquí expuesto consiste en
la fabricación a medida del elemento de cubrición, en este caso una
persiana, íntegramente construida en aluminio.
Para ello deben cortarse a medida los raíles de
la persiana, según la longitud del captador, y anclarse a éste en
los laterales. Posteriormente deben cortarse según el ancho del
captador las lamas de la persiana, así como definir su longitud
(número de lamas). Se monta la persiana sobre un eje hueco, en el
que se introduce el motor, y todo ello se inserta en un cajón, que
se ancla a los perfiles previamente dispuestos en los laterales del
captador.
En el caso de utilizar una persiana como
elemento de cubrición, el cajón puede sobresalir del perfil del
captador. En tal caso, si el captador se monta sobre una cubierta
inclinada, el cajón debe sobresalir por "encima" del captador,
mientras que si los captadores se montan sobre estructuras
metálicas, el cajón puede sobresalir por la parte inferior del
captador, y resultar de esta forma menos visible.
El sistema de control se puede implementar,
según las directrices anteriormente expuestas, en un regulador solar
comercial con la suficiente flexibilidad de programación y el
suficiente número de sondas de temperatura y relés de salida.
La aplicación industrial de la invención se
deriva directamente de las explicaciones anteriores, gracias a la
posibilidad de fabricar e instalar fácilmente el sistema de
protección en instalaciones solares, existentes y de nueva
construcción.
Por tanto, la invención propuesta puede suponer
la llegada al mercado de un nuevo producto al sector de la técnica,
que permita mejorar la seguridad y las prestaciones de las
instalaciones solares, así como la comodidad del usuario.
Para la aplicación comercial de la invención,
las dimensiones del elemento de cubrición, ya sea un toldo o una
persiana, deben ajustarse según el fabricante del captador al cual
se acopla. En la práctica esto no supone mayor problema de cara a
una fabricación masiva, ya que no existen muchos fabricantes de
captadores diferentes, y todos tienen dimensiones muy parecidas, que
varían en unos pocos centímetros.
Igualmente, el diseño del elemento de cubrición
puede adaptarse según la ubicación del captador sea sobre superficie
inclinada o sobre estructura metálica.
Claims (3)
1. Un nuevo sistema de protección frente a
sobrecalentamientos en instalaciones solares térmicas mediante la
cubrición automática de los captadores solares para evitar la
generación excesiva de calor, caracterizado por su
funcionamiento de forma totalmente automática, y que comprende los
siguientes elementos:
- a.
- Una persiana motorizada, de lama estrecha, con el cajón montado sobre el captador y que desliza sobre unos raíles dispuestos en los laterales, todo ello fabricado a medida según el modelo comercial de captador.
- b.
- Un sistema automático de mando y control para el accionamiento de la persiana, basado en las medidas de temperatura del fluido del sistema.
2. Sistema de protección según la reivindicación
1, en el que el mando sobre el accionamiento de la persiana es a
voluntad del usuario, mediante un pulsador de persiana.
3. Sistema de protección según las
reivindicaciones 1 y 2 en el que el elemento de cubrición es un
toldo, igualmente motorizado.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200500772A ES2263374B1 (es) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | Sistema de proteccion frente a sobrecalentamientos de instalaciones solares termicas. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200500772A ES2263374B1 (es) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | Sistema de proteccion frente a sobrecalentamientos de instalaciones solares termicas. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2263374A1 true ES2263374A1 (es) | 2006-12-01 |
| ES2263374B1 ES2263374B1 (es) | 2007-11-16 |
Family
ID=37810142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200500772A Withdrawn - After Issue ES2263374B1 (es) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | Sistema de proteccion frente a sobrecalentamientos de instalaciones solares termicas. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2263374B1 (es) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2320842A1 (es) * | 2007-11-27 | 2009-05-28 | Beatriz Aleixandre Sales | Elemento de soporte y proteccion de dispositivos de aprovechamiento solares. |
| ES2401212A1 (es) * | 2012-04-18 | 2013-04-17 | Jonay GONZÁLEZ RUANO | Protector de cortina con refrigeración para placas solares |
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| US4449514A (en) * | 1982-06-25 | 1984-05-22 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Solar concentrator protective system |
| DE29812457U1 (de) * | 1998-07-13 | 1999-02-04 | Schäfer, Wolfgang, 34576 Homberg | Überhitzungsschutz-Rolladen |
| DE202005002198U1 (de) * | 2004-03-08 | 2005-04-14 | Mathieu, Hans | Solaranlage |
-
2005
- 2005-03-23 ES ES200500772A patent/ES2263374B1/es not_active Withdrawn - After Issue
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| Title |
|---|
| M. CASTRO GIL et al. "Energia solar termica de baja temperatura" Censolar. 2004 ISBN: 84-95693-17-8; Aptdos. 3.3.3 y 3.3.4. * |
| M. CASTRO GIL et al. "Energía solar térmica de baja temperatura" Censolar. 2004 ISBN: 84-95693-17-8; Aptdos. 3.3.3 y 3.3.4. * |
Cited By (3)
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| ES2320842A1 (es) * | 2007-11-27 | 2009-05-28 | Beatriz Aleixandre Sales | Elemento de soporte y proteccion de dispositivos de aprovechamiento solares. |
| WO2009068717A1 (es) * | 2007-11-27 | 2009-06-04 | Aleixandre Sales, Beatriz | Elemento de soporte y protección de dispositivos de aprovechamiento solares |
| ES2401212A1 (es) * | 2012-04-18 | 2013-04-17 | Jonay GONZÁLEZ RUANO | Protector de cortina con refrigeración para placas solares |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2263374B1 (es) | 2007-11-16 |
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