ES2424830B1 - Captador solar con aislamiento transparente plástico y protección al sobrecalentamiento - Google Patents
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Abstract
Captador solar con aislamiento transparente plástico y protección al sobrecalentamiento.#La presente invención tiene como finalidad perfeccionar la mejora de captadores solares térmicos planos o de baja concentración con aislamiento térmico transparente en la cubierta, aumentando su rendimiento, minimizando los costes de producción y el peso de éstos.#Más concretamente, se refiere al uso de sistemas de protección al sobrecalentamiento de los materiales transparentes aislantes plásticos en estructura alveolar mediante canal de ventilación.#También se plantea el concepto de captador integrado con cubierta con aislamiento transparente plástico en estructura alveolar, en el que existe un depósito de un fluido que actúa de acumulador de energía térmica, integrado en el captador, que a la vez dota de inercia térmica a todo el sistema, limitando la temperatura máxima alcanzada en el mismo. El depósito acumulador incorpora una válvula limitadora de presión y temperatura, aprovechando el calor latente de cambio de fase líquido/vapor.
Description
CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y
Objeto de la Invención.
La presente invención se refiere a estrategias perfeccionadas en la protección al sobrecalentamiento de
- materiales
- transparentes aislantes plásticos de
- captadores
- solares planos bajo condiciones de
- estancamiento.
Los captadores solares térmicos son ampliamente conocidos en el mercado, y se dividen principalmente en dos grandes grupos según su temperaturas de trabajo: el primero incluye captadores de baja-media temperatura (60-150ºC.), utilizados principalmente en instalaciones de calefacción o agua caliente sanitaria, mientras que el segundo grupo incluye los captadores que trabajan a alta temperatura (hasta 600ºC.) y que se utilizan principalmente para instalaciones industriales o de generación eléctrica.
Para trabajar en baja o media temperatura, actualmente existen varias configuraciones de captadores, entre los que destacan los captadores solares planos y los de baja concentración. Todos estos captadores solares experimentan una disminución muy acusada en su rendimiento, cuanto mayor sea la temperatura de trabajo, es decir, cuanto mayor es la temperatura del fluido calor-portador que extrae la energía térmica captada. Esto es debido a que a mayor
temperatura del fluido calor-portador, y por consiguiente de todo el captador, mayores son las pérdidas de calor con el exterior, porque la diferencia de temperaturas entre la superficie del captador y el ambiente es mayor.
Para solucionar esta problemática, se intenta minimizar las pérdidas de calor en el captador mediante la disminución de la transmisión de calor simultáneamente por conducción, convección y radiación entre la parte más caliente, que es el absorbedor, y el exterior. Para ello se han aplicado soluciones basadas principalmente en aislar la superficie absorbente del ambiente exterior, utilizando, allá donde sea posible, materiales aislantes opacos convencionales como es la lana de roca. Sin embargo, entre la superficie absorbente y el sol, el aislamiento debe ser transparente a la radiación solar de éste, para permitir su captación. A continuación, se van a describir los sistemas de aislamiento que se utilizan en captadores solares.
El primer sistema de aislamiento, según describe “Duffie, J. A. y Beckman, W. A.”, en “Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, Inc., 1991”, consiste en colocar entre el absorbedor y el ambiente exterior una cámara de aire confinada por el propio absorbedor, la estructura del captador y una cubierta de vidrio transparente a la radiación solar, pero opaca a la radiación térmica. Esta es una solución óptima para bajas temperaturas (hasta unos 60ºC.), pero a mayores temperaturas el coeficiente de transferencia de calor por convección en dicha cámara de aire es demasiado alto
y el aislamiento se vuelve menos efectivo, y por tanto se pierde rendimiento.
Para evitar esas pérdidas por convección, se puede evacuar el aire de manera que se eliminan dichas pérdidas, generando una cámara de vacío que únicamente transfiere calor por radiación. Sus principales inconvenientes son la degradación del vacío con el tiempo y las tensiones generadas por las diferencias de presión, lo que implica una buena y costosa calidad en la fabricación. Este método esta descrito en las Patentes con número de publicación US 5182912 y US 4038964 y con titulo “Fluid absorption receiver for solar radiation” y “Parabolic solar concentrator employing flat plate collector”, respectivamente.
Por último, actualmente como estrategia para minimizar las pérdidas se utilizan materiales transparentes aislantes también conocidos como TIM (Transparent Insulation Materials). Estos son materiales que dejan pasar la luz solar a la vez que son buenos aislantes térmicos. Tradicionalmente se han utilizado TIM hechos con film de polímeros transparentes o vidrio. Este film se conforma a modo de una estructura alveolar tipo panal de abeja (honeycomb), de manera que presentan muy poca masa de material plástico con una fracción de volumen de material igual o menor al 1%. De esta manera, se crea una estructura que no deja circular el aire y este se convierte en un buen aislante. Este tipo de material se utiliza en la Patente número ES2273534 con título “Cubierta aislante transparente para aplicaciones solares térmicas”, y también en la Patente con número de publicación US4432346 y título “Solar collector”. A pesar de esto, presenta como principal desventaja,
cuando son capas de tipo polimérico, una resistencia a la temperatura limitada, máxima hasta unos 140ºC actualmente, que se puede alcanzar en el captador en las condiciones más desfavorables. Esto sucede cuando tenemos las denominadas como “condiciones de estancamiento” (en inglés stagnation conditions) originada cuando coincide el estancamiento (no circulación) del fluido calor-portador con una situación de máxima irradiación solar. Por otro lado, las estructuras alveolares de vidrio, son muy resistentes a la temperatura (400-500ºC), pero tienen como principales inconvenientes el excesivo precio final y su elevado peso.
En el caso concreto de los captadores solares planos (ver esquema en la Figura nº 1), éstos constan de una superficie selectiva captadora (la cual absorbe mucha radiación solar y emite poca radiación térmica) conocida como absorbedor, que absorbe la energía solar y la transmite al fluido calor-portador. A fin de mejorar el rendimiento, el absorbedor se aísla en la parte de la cubierta mediante cámara de aire, cámara de vacío o material transparente aislante, mientras que en los laterales y en la parte posterior se utilizan materiales aislantes convencionales.
Para limitar la temperatura alcanzada en los TIM plásticos bajo condiciones de estancamiento, se han adoptado diferentes estrategias: i) aumentar las pérdidas del captador, de forma que se refrigere el absorbedor especialmente bajo condiciones de estancamiento; ii) limitar la temperatura máxima del absorbedor mediante la acumulación de la energía térmica captada mediante calor sensible o latente en un elemento
integrado en el captador, como es el caso de los captadores integrados.
La primera solución, la de aumentar las pérdidas del captador, aparece descrita en la Patente número ES2273534 con título “Cubierta aislante transparente para aplicaciones solares térmicas”, donde se opta por un diseño de captador compromiso entre rendimiento y pérdidas bajo condiciones de estancamiento, para proteger el TIM plástico. Otro tipo de solución basada en aumentar las pérdidas del captador se explica en la patente US7143762 con título “Method and apparatus for solar collector with integral stagnation temperature control”, donde se aplica un canal de ventilación a un captador solar plano convencional que actúa sólo a altas temperaturas.
La segunda solución, consistente en utilizar la acumulación de energía térmica para limitar la temperatura máxima, aparece descrita en la publicación titulada: “Collector cum storage solar water heaters with and without transparent insulation material”, en la que se utiliza un tanque de agua como elemento acumulador. Por otra parte, en la publicación titulada: “Integrated solar collector storage system based on a salt-hydrate phase-change material”, el elemento acumulador es un tanque con material de cambio de fase, que acumula energía por calor latente. También se puede utilizar esta solución en captadores con elementos concentradores, como aparece descrita en la publicación: “Experimentation of a plane solar integrated collector storage water heater”.
En definitiva, los actuales captadores solares térmicos planos presentan diferentes configuraciones
para aumentar el rendimiento a través de la reducción de las pérdidas de calor. Una de las más prometedoras y utilizadas consiste en utilizar materiales transparentes aislantes en estructura alveolar para aislar térmicamente la cubierta. Por cuestión de precio final, sólo tiene sentido utilizar estos materiales fabricados en plástico, pero experimentan problemas de resistencia a la temperatura bajo condiciones de estancamiento.
La presente invención tiene como finalidad perfeccionar los captadores solares térmicos planos o de baja concentración con aislamiento transparente en la cubierta, que absorben la energía de sol y la convierten en energía térmica a baja y media temperatura, aumentando su rendimiento, minimizando los costes de producción y el peso de éstos.
Más concretamente, se refiere al uso de sistemas de
- protección
- al sobrecalentamiento de los materiales
- transparentes
- aislantes plásticos en estructura
- alveolar.
También se plantea el concepto de captador integrado con cubierta con aislamiento transparente plástico en estructura alveolar, en el que existe un depósito de un fluido que actúa de acumulador de energía térmica, integrado en el captador, que a la vez dota de inercia térmica a todo el sistema, limitando la temperatura máxima alcanzada en el mismo. Al depósito acumulador se le incorpora una válvula limitadora de presión y de temperatura, aprovechando el calor latente de cambio de fase líquido/vapor.
Los captadores solares térmicos planos objeto de la presente invención poseen una cubierta transparente exterior, formada total o parcialmente de vidrio o material plástico transparente, y que los protege del contacto directo con otros elementos exteriores y/o ambientales. Hacia el costado interior de dicha cubierta transparente exterior se encuentra el absorbedor como núcleo del captador, aislado térmicamente del resto de componentes por capas de material transparente aislante (TIM) alveolar de tipo plástico, pudiendo estar acompañado por, al menos, de una cámara de aire o cámara de vacío o una combinación de estas dependiendo de la configuración del captador solar térmico plano. Opcionalmente estas dichas capas pueden estar separadas por elementos separadores transparentes como son film plástico protector transparente o placa de vidrio. Además, poseen un sistema integrado pasivo de limitación de temperatura para proteger a sobrecalentamiento el material transparente aislante plástico.
Más concretamente, en el caso del captador solar plano éste está confinado en una estructura geométrica de forma rectangular de superficies planas, donde al menos una de estas es transparente, teniendo dicha estructura un grosor reducido respecto el resto de los vectores geométricos que la forman. Dentro de dicha estructura se encuentra, a modo de elemento central, el absorbedor, que es una placa normalmente metálica recubierta de una superficie selectiva y con tubos soldados por donde circula el fluido calor-portador, aunque alternativamente otras configuraciones en las que circule el fluido calor-portador adosado a la superficie
absorbedora son admisibles (e. g. tubos a presión). Dicho absorbedor está separado de la cubierta exterior por al menos una capa de film de plásticos transparentes en estructura alveolar tipo panal de abeja mientras que la restantes capas están formadas por cámaras de aire, cámaras de vacío, o una combinación adecuada de estos elementos. Por la parte posterior del absorbedor, existirá un elemento integrado en el captador para limitar la temperatura máxima alcanzada en el mismo. Este elemento puede ser de dos tipos: i) canal de ventilación que sólo actúa en condiciones de estancamiento, de manera que evacúe el exceso de energía térmica captada; ii) elemento acumulador mediante calor sensible o latente consistente en un depósito integrado en el captador que contenga un material con capacidad de almacenar esta energía térmica captada.
En el caso del captador de concentración, el absorbedor puede consistir típicamente en un tubo de gran diámetro, si es un concentrador de cilindro parabólico o de reflectores lineales Fresnel. En cualquier caso, el absorbedor tiene una superficie selectiva y el interior del mismo constituye un depósito integrado en el captador donde se almacena una substancia, que puede ser el propio fluido calorportador en el caso que se mantenga siempre en estado líquido o un material de cambio de fase sólido-líquido. En este último caso, el fluido calor portador será otro, circulando a través del depósito por el interior de tubos. Este depósito-absorbedor constituye un elemento acumulador de energía térmica que limita la temperatura máxima en el captador. Este depósito-absorbedor tubular está cubierto por al menos una capa de material aislante
transparente de tipo polimérico en estructura alveolar que puede estar separada, o no, del propio absorbedor, mediante una cámara de aire o de vacío. El elemento que concentra la radiación solar hacia el absorbedor en captadores de concentración, puede tener diferentes configuraciones como son discos y cilindros parabólicos, espejos planos, lentes de Fresnel o métodos similares.
Otros detalles y características se irán poniendo de manifiesto durante el transcurso de la descripción que a continuación se da, en la que se pone de manifiesto a título ilustrativo pero no limitativo diferentes ejemplos de la invención, con el auxilio de la correspondientes Figuras.
Sigue a continuación una relación de las distintas partes de la invención que se identifican en las Figuras siguientes con el auxilio de números; (1) cubierta transparente, (2) capa de material aislante transparente alveolar de vidrio o polímero transparente, (3) absorbedor, (4) aislante térmico opaco, (5) separador transparente de vidrio o material polimérico, (6) estructura estándar de confinamiento del material aislante transparente, (7) espacio de confinamiento de aire o vacío, (8) canal de ventilación, (9) elemento acumulador de energía térmica, (10) compuerta, (11) resorte de tipo aleación con memoria, actuador de cera, pistón hidráulico o neumático, electroválvula alimentada por una célula fotovoltaica, (12) resorte de cierre de la compuerta, (13) elemento de concentración de la luz solar por reflexión o refracción, (14) válvula limitadora de presión.
La Figura nº 1 es una representación esquemática de un captador solar plano , según el estado de la técnica, donde la estructura de confinamiento (6) entre el absorbedor (3) y la cubierta transparente (1) está constituida por uno de estos elementos aislantes: capa de material aislante transparente alveolar (2), cámara de aire, o cámara de vacío.
La Figura nº 2 es una representación esquemática de un captador solar plano, donde la estructura de confinamiento (6) está constituida por una capa de material aislante transparente alveolar (2), un espacio de confinamiento de aire o de vacío (7) separados por un elemento plano transparente (5) y posee un canal de ventilación (8), con compuerta (10).
La Figura nº 3 es una representación esquemática del detalle de la compuerta de salida (10) del canal de ventilación (8), con resorte actuado térmicamente (11) y resorte de cierre de compuerta (12). En la parte izquierda se puede ver la compuerta (10) cerrada, mientras que en la parte derecha la compuerta (10) está abierta.
La Figura nº 4 es una representación esquemática de un captador solar plano, donde la estructura de confinamiento (6) está constituida por una capa de material aislante transparente alveolar (2), posee un elemento acumulador de energía térmica (9) adosado al absorbedor (3), constituido por un depósito con material de acumulación de energía por calor sensible y/o latente de forma paralelepipédica, y una válvula limitadora de presión (14).
La Figura nº 5 es una representación esquemática de un captador solar plano, donde la estructura de confinamiento (6) está constituida por una capa de material aislante transparente alveolar (2), posee un elemento acumulador de energía térmica (9) constituido por varios depósitos con material de acumulación de energía por calor sensible y/o latente de forma cilíndrica, y una válvula limitadora de presión (14).
La Figura nº 6 es una representación esquemática de un captador solar plano, donde la estructura de confinamiento (6) está constituida por una capa de material aislante transparente alveolar (2), posee un elemento acumulador de energía térmica (9) constituido un depósito con material de acumulación de energía por calor sensible y/o latente de forma curvada-cilíndrica, y una válvula limitadora de presión (14).
La Figura nº 7 es una representación esquemática de un captador solar de concentración, con un concentrador cilíndrico-parabólico (13), donde la estructura de confinamiento (6) está constituida por una capa de material aislante transparente alveolar (2), posee un elemento acumulador de energía térmica (9) constituido un depósito con material de acumulación de energía por calor sensible y/o latente de forma cilíndrica, y una válvula limitadora de presión (14).
Una de las realizaciones preferidas de la presente invención para captadores solares planos se plantea dentro de una estructura estándar de confinamiento (6) entre el absorbedor (3) y la cubierta (1), limitada en los laterales y en la parte posterior por materiales
aislantes térmicos opacos (4) y en la parte orientada al sol por una cubierta transparente (1) de vidrio, situándose entre éste (1) y el absorbedor (3) un aislamiento transparente, que puede ser material transparente aislante de tipo alveolar (2), espacio de confinamiento (7) consistente en una cámara de aire o de vacío, o una combinación de ellas, tal y como puede verse en la Figura nº 2. Opcionalmente se puede incluir elementos separadores transparentes (5). Mientras que por el resto de los lados de dicha estructura estándar el absorbedor (3) está aislado mediante aislantes opacos
- (4)
- habituales, como puede ser la lana de roca o similares. En la parte posterior del absorbedor (3) se sitúa un canal de ventilación (8). En condiciones normales de funcionamiento, el canal de ventilación (8) va a permanecer cerrado por una compuerta (10) en su abertura situada en una posición más alta, permaneciendo siempre abierta su abertura de la parte inferior. En condiciones de estancamiento, debido a las altas temperaturas alcanzadas en el absorbedor (3), actúa un resorte (11) activado térmicamente que abre la compuerta (9). Por convección natural, se establece un caudal de aire que refrigera el absorbedor (3) por su parte posterior, limitando la temperatura máxima alcanzada. En la Figura nº 3, se puede ver un detalle del funcionamiento de la compuerta (10) del canal de ventilación (8). En condiciones de funcionamiento del captador, ésta permanece cerrada, por acción del resorte
- (12)
- de cierre, mientras que el resorte actuador (11) no actúa. En condiciones de estancamiento, la compuerta
- (10)
- se abre, debido a que el resorte actuador (11) actúa por acción de la temperatura, venciendo la
resistencia del resorte de cierre (12). Opcionalmente se puede poner otra compuerta en la entrada del canal (8), cerrándolo completamente al exterior para minimizar las pérdidas de energía térmica (ver Figura 2).
Otra de las realizaciones preferidas del captador solar plano consiste en sustituir el canal de ventilación (8) por un elemento acumulador de energía térmica (9) integrado en el captador (ver Figura 4). Este elemento acumulador (9) está adosado a la parte posterior del absorbedor (3), de forma que recibirá la mayor parte de la energía solar captada. El elemento acumulador (9) consta de un depósito donde se almacena un fluido o material calor-portador que puede cambiar de fase de sólido a líquido en el proceso de absorción de calor, de forma que tenga una mayor capacidad calorífica para el rango de temperaturas de interés. El depósito puede tener cualquier forma, siempre que se garantice un buen contacto térmico con el absorbedor (3). En la Figura 4 se puede ver un acumulador de tipo paralelepipédico, mientras que en la Figura 5 el acumulador consta de varios cilindros adosados al absorbedor (3). En la Figura 6 el acumulador (8) tiene forma curvilínea, en este caso cilíndrico-circular. Adjunto al elemento acumulador (9) se instalará opcionalmente una válvula limitadora de presión (14), para liberar vapor del fluido/material calor-portador en el caso de que excediera la temperatura de ebullición del mismo. Esto tiene la ventaja de limitar la temperatura y la presión en caso de sobrecalentamiento, aprovechando el calor latente de cambio de fase líquido/vapor, sin que aumente la presión.
Finalmente, se presenta como otra de las realizaciones preferidas (ver Figura 7). En este caso se trata de un captador de concentración con un elemento concentrador cilíndrico-parabólico (13). Los rayos
5 solares son concentrados a un tubo absorbedor (3) de gran diámetro, que constituye el elemento acumulador de energía térmica (9) integrado en el captador. El elemento acumulador (9) está repleto de un fluido o material calor-portador que puede cambiar de fase de
10 sólido a líquido en el proceso de absorción de calor. Este elemento acumulador (9) está aislado térmicamente por un aislamiento transparente, que puede ser material transparente aislante de tipo alveolar (2). Finalmente todo el conjunto tubo absorbedor (3), que constituye el
15 elemento de almacenamiento de energía térmica (9), y el aislante transparente (2), está cerrado por una cubierta de vidrio o material plástico transparente (1).
Claims (1)
-
imagen1 R E I V I N D I C A C I O N E S1ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, de los que se utilizan con el fin de captar energía solar y transformarla en energía térmica trabajando a baja-media temperatura y estando formados principalmente por un absorbedor (3), por una cubierta transparente exterior (1), y por material aislante térmico transparente plástico en estructura alveolar (2) entre la cubierta transparente exterior (1) y el absorbedor (3), caracterizado en que están protegidos los elementos plásticos del captador a un exceso de temperatura por al menos uno de estos elementos:-canal de ventilación (8), con compuerta (10), resorte de apertura de la compuerta actuado térmicamente (11) y resorte de cierre de la compuerta (12); y-un elemento acumulador de energía térmica(9) integrado en el captador, basado en la acumulación calor sensible y/o latente.2ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que el canal de ventilación (8) posee una compuerta (10) que es abierta por un resorte actuador (11) que puede ser de tipo aleación con memoria, de cera, pistón hidráulico o neumático o bien electroválvula.imagen2 3ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que el elemento acumulador de energía térmica (9), es un depósito que contiene un material que acumula energía térmica por calor sensible y/o latente.4ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que el depósito que contiene un material que acumula energía térmica por calor sensible y/o latente, que constituye el elemento acumulador de energía térmica (9), está integrado en el captador y provee de inercia térmica a todo el sistema.5ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que el depósito que contiene un material que acumula energía térmica por calor sensible y/o latente, que constituye el elemento acumulador de energía térmica (9), puede tener cualquier forma que garantice un buen contacto térmico con el absorbedor (3) del captador solar plano.6ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que en el caso de que el elemento acumulador de energía térmica (9) contiene un material que acumula energía térmica por calor latente, posee en su interior o adosado, tubos por donde circula el fluido calor-portador.imagen3 imagen4 7ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que el elemento acumulador de energía térmica (9) que contiene un5 material que acumula energía térmica por calor latente, posee opcionalmente una válvula limitadora de presión (14).8ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE10 PLÁSTICO Y PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que la estructura alveolar de la capa constituida por el citado material aislante transparente (2) presenta un bajo contenido en material aislante transparente en estructura alveolar, o15 de panel de abeja, realizada con vidrio o polímero transparente con una fracción de volumen de material igual o menor al 1%.imagen5
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2424830 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20140730 |