ES2304277B1 - Colector solar. - Google Patents
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Abstract
Colector solar comprende un elemento envolvente
cenado, de un material monocapa o multicapa transparente,
constituido por una superficie central, dos superficies cilíndricas
laterales, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano
tangente de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas
laterales colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un
dispositivo de recuperación de calor dispuesto en el elemento
envolvente para transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre
cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo.
La superficie central es cilíndrica con radio R. Las dos
superficies cilíndricas laterales presentan un radio r, mientras
que el ancho L del elemento envolvente y los valores R y r están
relacionados entre sí mediante las siguientes dependencias:
5H > R > 3H; 1,5t > r >
(\surd2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t
respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de
recuperación de calor.
Description
Colector solar.
La invención se refiere a la heliotecnia y puede
tener aplicaciones en particular en dispositivos transformadores
de radiaciones electromagnéticas del sol en energía térmica para
calentar un fluido.
Se conocen colectores solares constituidos por
un cuerpo en forma de estructura tipo marco llevando en su parte
superior un elemento protector a modo de vidrio plano que deja
pasar la luz. Tras el vidrio se dispone un panel de recuperación de
calor con recubrimiento óptico, el que transforma la radiación
solar en calor (Sanit+Heizungstechnik, 1977, v. 62, núm. 1, pp. 46,
48, 80).
El inconveniente de los conocidos colectores
solares consiste en su bajo rendimiento en horas nocturnas y
matutinas, cuando el panel de recuperación de calor queda
parcialmente tapado por la sombra de la carcasa opaca de caras
laterales de la estructura tipo marco, mientras que aumenta
sensiblemente el coeficiente de reflexión de rayos solares del
vidrio plano siendo grandes los ángulos de incidencia de acuerdo
con la fórmula de reflexión de Fresnel.
Se conoce un colector solar comprendiendo un
elemento envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas
transparente, constituido por una superficie central, dos
superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus
bordes extremos, y un plano tangente de las superficies cilíndricas
laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los extremos del
elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación de calor
dispuesto en un elemento envolvente que sirve para transmitir el
calor al fluido a calentar y sobre cuya superficie exterior está
aplicado un recubrimiento selectivo (RU 2177119 C1).
Sin embargo, la forma del elemento envolvente y
la forma del dispositivo de recuperación de calor del conocido
colector solar no están optimizadas en el plano de obtener el
rendimiento máximo del colector solar asegurando a la par mínimos
el consumo de material y los costes de fabricación del mismo para
los distintos tipos de colectores solares, por ejemplo para un
colector con un receiver volumétrico dispuesto en el interior de un
espacio hueco del elemento envolvente que sirve para calentar y
acumular el fluido transmisor de calor, o para un colector con una
caja hermética provista de canales dispuesta en el interior del
elemento envolvente para calentar y dejar pasar el fluido gaseoso
transmisor de calor, o para un colector con un panel plano de
recuperación de calor que lleva canales para dejar pasar el fluido
transmisor de calor.
El objetivo que tiende a resolver la presente
invención consiste en crear el diseño de un colector solar
ostentativo de un máximo rendimiento con un mínimo coste de
fabricación y permitiendo en el marco de un ciclo tecnológico
unificado único fabricar colectores solares de distintas
aplicaciones, a saber:
1. Un colector solar con un dispositivo de
recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado
un recubrimiento selectivo, constituido en forma de un receiver
volumétrico, por ejemplo un depósito, dispuesto en un elemento
envolvente y transparente a la luz, para calentar un fluido a
partir de la energía solar y acumular el calor.
2. Un colector solar con un dispositivo de
recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado
un recubrimiento selectivo, constituido en forma de un panel de
recuperación de calor con canales, para dejar pasar y calentar un
fluido a partir de la energía solar, dispuesto en un elemento
envolvente y transparente a la luz.
3. Un colector solar con una caja dispuesta en
un elemento envolvente y transparente a la luz, sobre cuya
superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo que
sirve para calentar a partir de la energía solar un flujo de
aire.
Rasgo distintivo común de los referidos
colectores solares es la relación óptima entre las dimensiones
geométricas del elemento envolvente y las del dispositivo de
recuperación de calor.
El objetivo preconizado se resuelve porque en un
colector solar comprendiendo un elemento envolvente cerrado, de un
material monocapa o multicapas transparente, constituido por una
superficie central, dos superficies cilíndricas laterales,
asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano tangente
de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales
colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un dispositivo
de recuperación de calor dispuesto en el elemento envolvente para
transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie
exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, de acuerdo con
la invención la superficie central es cilíndrica con radio R, las
dos superficies cilíndricas laterales presentan un radio r,
mientras que el ancho L del elemento envolvente y los valores R y r
están relacionados entre sí mediante las siguientes
dependencias:
5H > R > 3H; 1,5t > r >
(\surd2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t
respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de
recuperación de calor.
Por consiguiente, en el interior de un elemento
envolvente cerrado se dispone un dispositivo de recuperación de
calor de ancho H y espesor t, con recubrimiento selectivo
absorbente de la radiación solar en su superficie exterior. Las
principales dimensiones geométricas del elemento envolvente - R, r,
L -, al objeto de aprovechar al máximo el rendimiento del colector
solar con un mínimo de consumo del material para el mismo, están
relacionadas entre sí y se hallan en la siguiente dependencia con H
y t, las principales dimensiones geométricas del dispositivo de
recuperación de calor:
1. 5H > R > 3H, siendo R > 5H, se
reduce la rigidez de la estructura del elemento envolvente, lo
mismo que aumenta el coeficiente de reflexión de los rayos solares
de incidencia inclinada, siendo R < 3H, aumenta
inadmisiblemente el consumo de material del elemento envolvente por
unidad de su largo, lo cual repercute en la subida de los costes de
fabricación del colector.
2. 1,5t > r > (\surd2/2)t, siendo
r > 1,5t, aumenta inadmisiblemente el consumo de material del
elemento envolvente por unidad de su largo, siendo r <
(\surd2/2)t, pueden presentarse dificultades al instalar
el dispositivo de recuperación de calor en el elemento
envolvente.
3. 1,1H > L > 1,05H, siendo L > 1,1H,
aumenta el consumo del material de fabricación del elemento
envolvente, siendo L < 1,05H, pueden presentarse dificultades al
instalar el dispositivo de recuperación de calor en el elemento
envolvente.
El objetivo mencionado se resuelve asimismo
porque en un colector solar en calidad del dispositivo de
recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado
un recubrimiento selectivo, se puede utilizar un receiver
volumétrico, por ejemplo un depósito, que sirve para calentar y
acumular un fluido transmisor de calor.
O bien, en calidad del dispositivo de
recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado
un recubrimiento selectivo, se puede utilizar una caja hermética
para dejar pasar un fluido gaseoso transmisor de calor, ostentando
la superficie interior de la caja un recubrimiento con elevado
coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del espectro,
mientra que en el interior de la caja están previstos unos medios
para intensificar el intercambio de calor.
O bien, en calidad del dispositivo de
recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado
un recubrimiento selectivo, se puede utilizar un panel plano de
recuperación de calor con canales para dejar pasar un fluido
transmisor de calor, el cual a todo su largo lleva por cada lado
dos elementos recuperadores de calor adicionales, rectos o en
flexión, con un recubrimiento selectivo que absorbe la radiación
solar en su superficie exterior, estando situados los elementos
recuperadores de calor laterales por debajo respecto al nivel del
plano del panel de recuperación de calor, y tomándose por parámetro
t la distancia que media entre el borde inferior del elemento
lateral y el plano del panel de recuperación de calor.
Siendo igualmente que en cada una de las dos
superficies cilíndricas laterales con radio r del elemento
envolvente y transparente a la luz pueden instalarse a todo su
largo unos reflectores prismáticos superficiales.
La figura 1 incluye una representación
axonométrica del colector solar reivindicado.
La figura 2 representa el colector solar con un
dispositivo de recuperación de calor en forma de receiver
volumétrico (depósito).
La figura 3 muestra el colector solar con un
dispositivo de recuperación de calor en forma de panel plano.
La figura 4 muestra el colector solar con un
dispositivo de recuperación de calor en forma de caja.
La figura 5 representa una sección longitudinal
del colector con dispositivo de recuperación de calor en forma de
caja con unos medios para intensificar intercambio de calor.
La figura 6 es una representación esquemática de
la parte lateral de la sección longitudinal del colector con un
reflector prismático superficial.
En todas las formas de realización el colector
solar reivindicado (fig. 1) comprende un elemento envolvente
cerrado, de un material monocapa o multicapas transparente, con
ancho L, hecho por ejemplo en policarbonato alveolar con
disposición transversal de canales, y constituido por una
superficie central 1 con radio R, dos superficies cilíndricas
laterales 2 con radio r, asociadas a la misma por sus bordes
extremos, y un plano 3 tangente de las superficies cílindricas
laterales 2, un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en
el elemento envolvente para transmitir el calor a un fluido a
calentar, sobre cuya superficie exterior está aplicado un
recubrimiento selectivo, con ancho H y espesor t (fig. 2). El ancho
L del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados
entre sí mediante las siguientes dependencias:
5H > R > 3H; 1,5t > r
>(\surd2/2)t; 1,1H > L > 1,05H.
El dispositivo de recuperación de calor se puede
constituir en forma de un receiver volumétrico o un depósito 4 que
sirva para calentar agua u otros fluidos transmisores de calor y
acumular el fluido calentado y sobre cuya superficie exterior esté
aplicado un recubrimiento selectivo, en el interior del depósito 4
puede disponerse un panel 5 que facilite el rápido calentamiento
del fluido en un espacio hueco 6 entre el panel 5 y la pared del
depósito 4, lo cual intensifica la evacuación por convección del
calor de la superficie calentada por el sol.
El dispositivo de recuperación de calor (fig. 3)
se puede realizar en forma de un panel plano 7 de recuperación de
calor con canales 8 que sirva para dejar pasar un fluido transmisor
de calor y sobre cuya superficie exterior esté aplicado un
revestimiento selectivo, el cual a todo su largo lleva por cada
lado dos elementos recuperadores de calor adicionales 9, rectos o
en flexión, con un recubrimiento selectivo que absorba la radiación
solar en su superficie exterior, estando situados los elementos
recuperadores de calor laterales por debajo respecto al nivel del
plano del panel 7 de recuperación de calor, y tomándose por
parámetro t la distancia que media entre el borde inferior del
elemento lateral 9 y el plano del panel 7 de recuperación de
calor.
El dispositivo de recuperación de calor (fig. 4,
5) se puede realizar en forma de una caja hermética 10 que sirva
para dejar pasar un fluido gaseoso transmisor de calor y sobre cuya
superficie exterior esté aplicado un revestimiento selectivo,
previéndose en su interior unos medios para intensificar el
intercambio de calor por convección, por ejemplo con ayuda de una
rejilla perforada tipo persiana 11 o varillas, con la
particularidad de que todas las superficies dentro de la caja 10
puedan llevar un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción
en el intervalo infrarrojo del espectro.
La superficie exterior de los dispositivos de
recuperación de calor por el lado de la entrada de la radiación
solar posee un revestimiento selectivo con elevado coeficiente de
absorción en el intervalo infrarrojo visible y próximo del espectro
solar y con bajo coeficiente de radiación en el intervalo de ondas
largas del espectro.
Entre la superficie posterior del dispositivo de
recuperación de calor y el elemento envolvente y transparente a la
luz en todas las variantes del colector solar se prevé un
aislamiento térmico.
Para mejorar la eficacia de captación de la
energía solar por elementos laterales de los dispositivos de
recuperación de calor (fig. 6) del colector solar reivindicado, en
cada una de las dos superficies cilíndricas laterales 2 con radio r
del elemento envolvente y transparente a la luz se pueden disponer
a todo su largo unos reflectores 13 prismáticos superficiales
(véase la revista "Svetotéjnica", 2001, núm. 4, p. 8). Las
direcciones en que inciden los rayos solares están señaladas con
numerales 14 y 15.
En los extremos del elemento envolvente y
transparente a la luz del colector (fig. 1) están colocadas dos
cubiertas laterales 16.
El colector solar descrito funciona de la
siguiente manera.
Los rayos solares, al pasar a través del
elemento envolvente cerrado del material monocapa o multicapas
transparente, inciden sobre el dispositivo de recuperación de calor
con recubrimiento selectivo en la superficie exterior, por ejemplo
en forma de depósito 4 (fig. 2), que sirve para calentar el fluido y
acumular el calor, calientan el depósito 4, lo mismo que el fluido
contenido dentro de éste. El panel 5, instalado en el interior del
depósito 4, propicia el calentamiento rápido del fluido en el
espacio hueco 6 entre el panel 5 y la pared del depósito 4,
enfrentada a la parte del elemento envolvente que deja pasar la
luz, lo cual intensifica la circulación del fluido dentro del
depósito 4, y a fin de cuentas hace acelerar el calentamiento de
toda la masa del fluido en el depósito 4. Una vez terminado el
transporte de la radiación solar, el fluido deja de circular en el
depósito 4 y en el mismo se establece un gradiente de temperatura.
La extracción del fluido por el consumidor se efectúa a través de
la parte superior del depósito 4, donde la temperatura tiene su
máximo valor, mientras que el rellenado del depósito 4 se lleva a
cabo a través de un tubo en su parte
inferior.
inferior.
Al penetrar los rayos solares al interior del
elemento envolvente sobre el panel plano de recuperación de calor
(fig. 3) con recubrimiento selectivo en la superficie exterior y
canales 8 para dejar pasar el fluido transmisor de calor, se
produce el calentamiento del panel 7, y a través de éste el del
fluido que circula por los canales 8. A todo lo largo del panel 7
de recuperación de calor se prevén elementos recuperadores de calor
laterales 9, los que presentan sección rectilínea o en flexión y
aseguran la captación de rayos solares al hallarse el sol próximo a
la línea del horizonte (a las horas de salida o puesta del
sol).
Al incidir los rayos solares sobre el
dispositivo de recuperación de calor que está dispuesto en el
elemento envolvente y transparente a la luz, presenta recubrimiento
selectivo en la superficie exterior y está configurado a modo de
caja hermética 10 (fig. 4, 5), operan a partir de la energía solar
el calentamiento del flujo de fluido gaseoso. Todas las superficies
en el interior de la caja 10, al efecto de elevar el coeficiente de
traspaso de calor por irradiación, presentan un recubrimiento con
elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del
espectro. En el interior de la caja 10 están previstos unos medios
para extender la superficie del intercambio de calor e intensificar
el intercambio de calor haciendo turbulizar el flujo de aire a modo
de una rejilla tipo persiana 11, instalada en la cara interior de
la pared posterior de la caja 10, con un recubrimiento que presenta
elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo des
espectro. Esta rejilla absorbe la radiación procedente de las
paredes internas de la caja 10, extiende la superficie del
intercambio de calor con el flujo de aire y hace turbulizar el
flujo de aire al elevar el coeficiente de traspaso de calor por
convección a partir de las superficies calentadas en el interior de
la caja 10.
En el caso de las variantes descritas del
colector solar, la radiación solar directa incide sobre la
superficie del dispositivo de recuperación de calor, en cuya
superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, desde
la salida hasta la puesta del sol. Mientras que en horas matutinas
- siendo grandes, próximos a 180º, los ángulos de incidencia de los
rayos solares - los diseños conocidos de colectores solares
prácticamente excluyen que la radiación solar directa incida sobre
la superficie captadora de calor, en el diseño preconizado del
colector solar la radiación solar viene siendo absorbida por los
elementos laterales de los dispositivos de recuperación de calor, y
a partir de este momento comienza y continúa hasta la puesta del
sol el calentamiento del fluido transmisor de calor.
Los rayos solares 14 que inciden en el reflector
prismático 13 por su cara exterior, lo atraviesan y llegan a parar
en la cara lateral del dispositivo de recuperación de calor. Los
rayos solares 15 que inciden en el reflector prismático 13 por su
cara posterior, son desviados por el mismo y llegan a parar
igualmente en la cara lateral del dispositivo de recuperación de
calor.
Una mejora del rendimiento del colector solar se
consigue asimismo a resultas de aplicar en la superficie exterior
del dispositivo de recuperación de calor (el depósito 4, el panel 7
con elementos laterales 9, la caja 10) un recubrimiento selectivo
altamente eficaz con elevado coeficiente de absorción en el
intervalo infrarrojo visible y próximo del espectro solar y con
elevado coeficiente de reflexión en el intervalo de ondas más
largas del espectro.
Todas las soluciones constructivas enumeradas
que permiten alcanzar los objetivos preconizados en dicha
invención son fáciles a realizar y controlar. Esto, a su vez,
asegura la implantación industrial a gran escala del invento en la
energética solar.
Claims (5)
1. Colector solar comprendiendo un elemento
envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas
transparente, constituido por una superficie central, dos
superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus
bordes extremos, y un plano tangente de las superficies
cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los
extremos del elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación
de calor dispuesto en el elemento envolvente para transmitir el
calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie exterior está
aplicado un recubrimiento selectivo, caracterizado porque la
superficie central es cilíndrica con radio R, las dos superficies
cilíndricas laterales presentan un radio r, mientras que el ancho L
del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados
entre sí mediante las siguientes dependencias:
5H > R > 3H; 1,5t > r >
(\surd2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t
respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de
recuperación de calor.
2. Colector solar según la reivindicación 1,
caracterizado porque en calidad del dispositivo de
recuperación de calor se utiliza un receiver volumétrico que sirve
para calentar y acumular un fluido transmisor de calor.
3. Colector solar según la reivindicación 1,
caracterizado porque en calidad del dispositivo de
recuperación de calor se utiliza una caja hermética que sirve para
dejar pasar un fluido gaseoso ostentando la superficie interior de
la caja un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción en el
intervalo infrarrojo del espectro, mientras que en el interior de
la caja están previstos unos medios para intensificar el
intercambio de calor.
4. Colector solar según la reivindicación 1,
caracterizado porque en calidad del dispositivo de
recuperación de calor se utiliza un panel plano de recuperación de
calor con canales que sirve para dejar pasar un fluido transmisor
de calor y lleva a todo su largo por cada lado dos elementos
recuperadores de calor adicionales, rectos o en flexión, con un
recubrimiento selectivo que absorbe la radiación solar en su
superficie exterior, estando situados los elementos recuperadores
de calor laterales por debajo respecto al nivel del plano del
panel de recuperación de calor, y tomándose por parámetro t la
distancia que media entre el borde inferior del elemento lateral y
el plano del panel de recuperación de calor.
5. Colector solar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en cada una de
las dos superficies cílindricas laterales con radio r del elemento
envolvente y transparente a la luz están instalados a todo su largo
unos reflectores prismáticos superficiales.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20081001 Kind code of ref document: A1 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20100218 |