Colectores solares de placa plana BTE: Componentes, tecnología y aplicaciones para sistemas solares térmicos eficientes de baja temperatura

Componentes básicos para el aprovechamiento de energía solar térmica a baja temperatura

Los colectores solares de placa plana son componentes esenciales para la utilización de energía solar térmica a baja temperatura. Son componentes no concentradores de los sistemas solares térmicos que reciben la radiación solar y transfieren calor a un medio caloportador. Los colectores solares de placa plana constan principalmente de un absorbente de calor, una cubierta transparente, una capa aislante y una carcasa exterior. El absorbente de calor es esencialmente una placa plana. Cuando un colector solar plano está en funcionamiento, la radiación solar atraviesa la cubierta transparente y se proyecta sobre el absorbente de calor, donde es absorbida y convertida en energía térmica. Luego, este calor se transfiere al medio de transferencia de calor dentro del absorbente, elevando su temperatura y proporcionando una producción de energía útil desde el colector.

Componentes y características

Los colectores solares de placa plana son componentes esenciales para el aprovechamiento de la energía solar térmica a baja temperatura y han sido durante mucho tiempo un producto líder en el mercado global de la energía solar. Se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como el calentamiento de agua para uso doméstico, la calefacción de piscinas, el calentamiento de agua industrial, la calefacción de edificios y el aire acondicionado. Los colectores solares de placa plana constan principalmente de un absorbedor de calor, una cubierta transparente, una capa aislante y una carcasa exterior. Un calentador de agua solar de placa plana es un calentador de agua que utiliza un colector solar de placa plana, y un sistema de calentamiento de agua solar de placa plana es un sistema de agua caliente que utiliza un colector solar de placa plana.

Se caracterizan por una construcción sencilla, una gran área de absorción de calor, alta resistencia a la presión, una larga vida útil, resistencia a los daños y facilidad de integración arquitectónica.

Placa absorbente de calor

Este es el componente dentro de un colector solar de placa plana que absorbe la radiación solar y transfiere calor al medio de transferencia de calor. Es esencialmente una placa plana. 

Estructura

Una placa plana de absorción de calor suele estar compuesta por tubos y colectores. Los tubos se disponen longitudinalmente sobre la placa y forman la trayectoria del fluido; los colectores son los componentes que conectan varios tubos transversalmente en los extremos superior e inferior de la placa, conformando así la trayectoria del fluido. Las placas de absorción de calor pueden fabricarse con diversos materiales, como cobre, aleación de aluminio, compuestos de cobre y aluminio, acero inoxidable, acero galvanizado, plástico y caucho. Los tipos estructurales incluyen:

1. Tipo placa tubular: Los tubos y la placa plana se conectan de forma específica para formar una tira absorbente de calor, que posteriormente se suelda a los colectores superior e inferior para formar la placa absorbente de calor. Este es el tipo más utilizado tanto a nivel nacional como internacional.

2. Tipo tubo de aletas: Se forma una tira absorbente de calor con aletas fijadas a cada lado de un tubo metálico mediante un proceso de extrusión y embutición. Esta tira se suelda a los cabezales superior e inferior para formar la placa absorbente de calor.

3. Tipo caja plana: La placa absorbente de calor se forma a partir de dos placas metálicas separadas mediante troquelado y luego se sueldan. Tipo serpiente: El tubo metálico se dobla en forma de serpiente y luego se suelda a una placa plana para formar una placa absorbente de calor. Este tipo de estructura se utiliza ampliamente en el extranjero.

Recubrimientos absorbentes solares

Para maximizar la absorción de la radiación solar y convertirla en calor, el absorbedor debe cubrirse con una capa oscura, conocida como capa absorbente solar.

Los recubrimientos absorbentes solares se dividen en dos categorías: no selectivos y selectivos. Los recubrimientos no selectivos son aquellos cuyas propiedades ópticas son independientes de la longitud de onda de la radiación, mientras que los recubrimientos selectivos son aquellos cuyas propiedades ópticas varían significativamente con la longitud de onda de la radiación.

Los recubrimientos absorbentes selectivos pueden prepararse mediante diversos métodos, como pulverización, métodos químicos, electroquímicos, evaporación al vacío y pulverización catódica con magnetrón. La mayoría de los recubrimientos absorbentes selectivos preparados con estos métodos pueden alcanzar una relación de absorción solar (SAR) superior a 0,90, pero sus rangos de emisividad alcanzables varían considerablemente. Desde la perspectiva del rendimiento de la emisividad, el orden de prioridad entre estos métodos debería ser: pulverización catódica con magnetrón, evaporación al vacío, métodos electroquímicos, químicos y pulverización. Por supuesto, cada método tiene un rango específico de valores de emisividad, y la emisividad real de un recubrimiento depende del grado de optimización del proceso de preparación.

Materiales

El cobre TP2 se utiliza para colectores y tuberías de derivación. El cobre TP2 desoxidado con cobre-fósforo es una materia prima de alta pureza producida por fusión. El oxígeno generado en el cobre fundido se desoxida con fósforo (P), con afinidad por el oxígeno, reduciendo su contenido de oxígeno por debajo de 100 ppm. Esto mejora su ductilidad, resistencia a la corrosión, conductividad térmica, soldabilidad y trabajabilidad, además de resistir la fragilización por hidrógeno a altas temperaturas. Características y aplicaciones: Presenta un contenido de oxígeno extremadamente bajo, alta pureza, excelente conductividad eléctrica y térmica, excelente ductilidad, baja permeabilidad al aire y mínima o nula fragilización por hidrógeno. También ofrece excelente trabajabilidad, soldabilidad, resistencia a la corrosión y resistencia al frío.

Placa de cubierta transparente

La placa de cubierta transparente es un componente transparente (o translúcido) similar a una placa que cubre la placa absorbente en un colector plano. Tiene tres funciones principales: primero, transmite la radiación solar y la dirige hacia la placa absorbente de calor; segundo, protege la placa absorbente de calor del polvo, la lluvia y la nieve; y tercero, crea un efecto invernadero, impidiendo que la placa absorbente de calor disipe el calor al entorno por convección y radiación cuando aumenta la temperatura. 

Material

Existen dos tipos principales: vidrio plano y fibra de vidrio. El vidrio plano es el más utilizado actualmente, tanto a nivel nacional como internacional.

El vidrio plano presenta baja transmitancia infrarroja, baja conductividad térmica y excelente resistencia a la intemperie. Sin embargo, la transmitancia solar y la resistencia al impacto son dos aspectos clave para el vidrio plano. Actualmente, el material de cubierta transparente más utilizado es el vidrio plano de 3 a 5 mm de espesor, el vidrio templado ultraclaro con bajo contenido de hierro o el vidrio templado ultraclaro con bajo contenido de hierro texturizado. Estos vidrios tienen alta transmitancia, son resistentes al granizo y a los impactos, y son seguros y confiables. Los espesores comunes son de 3,2 mm y 4,0 mm. El vidrio ultraclaro es un tipo de vidrio ultratransparente con bajo contenido de hierro, también conocido como vidrio con bajo contenido de hierro o vidrio de alta transparencia. Las láminas de FRP (es decir, láminas de plástico reforzado con fibra de vidrio) tienen alta transmitancia solar, baja conductividad térmica y alta resistencia al impacto; sin embargo, para las láminas de FRP, la transmitancia infrarroja y la resistencia a la intemperie son dos aspectos que requieren atención. La curva de transmitancia monocromática frente a la longitud de onda de las láminas de FRP muestra que la transmitancia monocromática no solo presenta un valor alto dentro de las 2 pm, sino también por encima de las 2,5 pm. Por lo tanto, la transmitancia solar de las láminas de FRP suele ser superior a 0,88, pero su transmitancia infrarroja también es mucho mayor que la del vidrio plano. Las láminas de FRP pueden reducir el grado de daño causado por los rayos ultravioleta mediante el uso de resinas de alta energía de adhesión y gelcoats. Sin embargo, la vida útil de las láminas de FRP no es comparable en absoluto con la del vidrio plano, que es un material inorgánico. Las láminas de FRP rara vez se utilizan como placas de cubierta para colectores y actualmente solo se emplean en algunos productos de gama baja.

Capa de aislamiento

La capa aislante es un componente del colector que evita que el calor del absorbedor se pierda al entorno por conducción. Los materiales utilizados para la capa aislante incluyen lana de roca, lana de vidrio, poliuretano y poliestireno. Actualmente, la lana de vidrio es la más utilizada.

Materiales de aislamiento de alta eficiencia

La espuma fenólica (PF) es un nuevo tipo de material aislante que puede mejorar la eficiencia de los colectores solares de placa plana. Los fabricantes la están adoptando gradualmente. Es un plástico de espuma rígida de celda cerrada que se fabrica mediante la espumación y el curado de resina fenólica con diversas sustancias, como emulsionantes, agentes espumantes, agentes de curado y otros aditivos, mediante una fórmula científica.

Las características de la espuma fenólica se resumen a continuación:

1. Excelente rendimiento de aislamiento térmico, con una conductividad térmica de <0,03 W/m·K.

2. Alta temperatura de funcionamiento. La espuma fenólica puede funcionar durante largos periodos a temperaturas de entre -200 °C y 160 °C (con temperaturas transitorias permitidas de 250 °C) sin contraerse.

3. Excelente resistencia a la intemperie. Incluso bajo exposición prolongada a altas temperaturas, mantiene excelentes propiedades de aislamiento térmico y no libera sustancias volátiles que puedan bloquear la radiación solar.

4. No inflamabilidad. La espuma fenólica (100 mm de espesor) resiste las llamas durante más de una hora sin ser penetrada y no emite humos ni gases nocivos. Cuando se expone a llamas abiertas, la espuma fenólica forma una capa de carbono estructural en su superficie, lo que evita que gotee, se enrolle o se derrita. Después de quemarse, se forma una capa de grafito de carbono estructural en la superficie, que protege eficazmente la estructura interna de la espuma.

5. Respetuoso con el medio ambiente. Utiliza tecnología de espuma sin flúor ni fibras, lo que garantiza que cumple con las normas ambientales nacionales e internacionales.

Espesor

El espesor de la capa de aislamiento debe determinarse en función de factores como el material utilizado, la temperatura de funcionamiento del colector y las condiciones climáticas del área de uso. Por regla general, cuanto mayor sea la conductividad térmica del material, mayor la temperatura de funcionamiento del colector y menor la temperatura en el área de uso, mayor será el espesor de la capa de aislamiento. Generalmente, la capa de aislamiento inferior tiene un espesor de 30 a 50 mm, y las capas laterales tienen aproximadamente el mismo espesor.

Alojamiento

La carcasa protege y fija el absorbedor, la cubierta transparente y la capa aislante dentro del colector. Dependiendo de su función, la carcasa requiere cierto nivel de resistencia y rigidez, buen sellado y resistencia a la corrosión, y una apariencia atractiva. 

Los materiales utilizados para la carcasa incluyen aleación de aluminio, acero inoxidable, acero al carbono, plástico y fibra de vidrio. Para mejorar el sellado de la carcasa, algunos productos utilizan un proceso de moldeo por compresión de un solo disparo con acero al carbono. Actualmente, el material más común para la carcasa (marco) de un colector de placa plana es la aleación de aluminio y el acero al carbono, formados mediante un proceso de moldeo por compresión de un solo disparo. 

Aleación de aluminio: Los perfiles de aleación de aluminio 6063T5 son de uso común. Las aleaciones de aluminio de la serie 6063 se utilizan ampliamente en marcos de puertas, ventanas y muros cortina de aluminio en edificios. Para garantizar una alta resistencia al viento, un buen rendimiento de ensamblaje, resistencia a la corrosión y propiedades decorativas, los requisitos de rendimiento de los perfiles de aleación de aluminio superan ampliamente los de los perfiles industriales.