Los colectores solares de tubo de vacío

La tecnología de tubos de vacío es actualmente la más eficaz de las empleadas en los colectores solares térmicos.

Durante un tiempo fue un sistema muy caro y de difícil 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 vacío que en los últimos años han invadido mercados como por ejemplo el mexicano.

colector tubos de vacio en pared

¿Porque los colectores de vacío 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 empíricamente 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 transmisión 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 frío y denso transfiriendo a este último su calor. Este tipo de transmisión se puede comprobar empíricamente colocando una mano sobre un radiador o una estufa. Se notará una suave corriente de aire cálido ascendente

Radiación. Es este caso no se requiere que los cuerpos estén en contacto para transmitirse calor pudiendo existir incluso en vacío entre ellos. Todo cuerpo por el simple hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto ( -273 grados centígrados) 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 absorberá mucha energía de la radiación del cuerpo de 130 grados y le dará poca. Así el cuerpo de 130 grados emitirá mucha más radiación de la que es capaz de absorber 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 alcancen 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 través del espacio vacío.
Normalmente se suelen dar los tres tipos de transmisión del calor a la vez aunque en distintas proporciones cada uno.

En los colectores de energía solar podemos establecer las siguientes relaciones de transmisión 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 energía que el ambiente en el que se encuentra provocándose pérdidas en ese sentido.

No todos los colectores son iguales y serán más eficaces aquellos que mantengan una mejor relación entre lo que ganan de la energía del Sol y lo que pierden según hemos comentado.

Existen dos maneras de mejorar los colectores, mejorando la ganancia de energía que obtiene del sol y/o reduciendo sus pérdidas.

La mejora que aportan los colectores de tubo de vacío consiste en evitar las pérdidas por conducción y convección. Como se ha visto la transmisión de calor por conducción y convección 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 vacío).

Si se pierde menos calor, habrá más calor disponible para calentar el fluido que necesitamos obteniéndose 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 vacío de la que se deja de ganar por los reflejos.

Tipo de colectores de tubo de vacío

Los distintos sistemas de colectores de tubo de vacío se basan en los tubos evacuados. Estos están conformados por dos tubos concéntricos entre los cuales se ha aspirado el aire produciéndose un vacío En uno de los extremos ambos tubos se unen sellándose el vacío. Dentro de ambos tubos (de ahora en adelante nos referiremos a estos tubos concéntricos con el vacío. en medio como tubos evacuados) se sitúan los distintos tipos de absorbedores que determinan los distintos sistemas.

 

esquema tubo de vacio

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 aprovechada. 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)

 

Esquema CPC tubo de vacio




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 sitúa una capa de color oscuro de material absorbente. Cuando la radiación solar incide sobre la capa de material absorbente 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 fría que a su vez se calienta y reinicia el proceso.

Este tipo de tubo de vacío. 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 fríos 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.

Esquema tubo de vacio simple

Tubo de vacío. 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 temperatura 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 vacío. 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 inclinándose el absorbedor de la manera más adecuada.

Tiene la ventaja además de ser utilizable en áreas frías ya que permite usar las estrategias contra la congelación de uso general en la energía solar térmica.

Esquema tubo de vacio flujo directoTubo de vacío. 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 sitúa el foco frío. 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.

funcionamiento sistema heat pipe

1) La radiación solar incide en el absorbedor que se calienta y transmite ese calor al tubo. 2) el calor recibido provoca que el fluido en el interior del tubo se evapore y ascienda por tanto energía ( calor latente) 3) El fluido evaporado cede su calor latente al fluido más frío que circula por el exterior de la cabeza del tubo y al hacerlo se licua 4) El fluido de nuevo en estado liquido cae por gravedad al fondo del tubo para reiniciar el proceso.

Los colectores de tubo de vacío con tecnología heat pipe tienen la ventaja de no sufrir pérdidas por la noche ya que el proceso de transferencia de calor no es reversible ( es decir el fluido caliente o el calor no puede pasar del acumulador al tubo y por lo tanto perderse). Además cada tubo es independiente pediéndose cambiar en pleno funcionamiento del sistema. Es altamente resistente a las heladas.

Dado que también pueden girar sobre su eje los tubos, existe la posibilidad de que adopten posiciones verticales y horizontales al igual que ocurre en los sistemas de flujo directo aunque en este caso habrá que respetar una inclinación mínima del largo del tubo para permitir que el fluido una vez licuado pueda descender por gravedad.

En esta tecnología también se aplica el sistema CPC

Esquema tubo de vacio heat pipe

Aplicaciones de los tubos de vacío

Es posible emplear la tecnología de los tubos de vacío para casi cualquier aplicación que requiera agua caliente de entre 40 y y 130 grados. Los colectores de tubo de vacío son especialmente apropiados para climas muy fríos y parcialmente nubosos.

La temperatura ambiente supone un factor importante que afecta al rendimiento de los colectores, cuanto más fría sea menor será su rendimiento porque habrá más pérdidas en la superficie del colector. Los colectores de tubo de vacío al tener muy pocas pérdidas ofrecerán un rendimiento claramente superior en climas muy fríos Además este tipo de colectores es capaz de aprovechar la radiación difusa que suele darse en los días de nublados ligeros.

Colectores de tubo de vacío vs colectores de placa plana

Existe un debate abierto a entre los profesionales sobre cual de las dos tecnologías de colectores es la más adecuada.

Los que abogan por los de tubo de vacío los consideran más avanzados y sostienen que en el futuro esta tecnología terminará por desplazar a los colectores de placa plana debido a su mejor rendimiento.

En cuanto al mayor costo de los colectores de tubo de vacío con respecto a los de placa plana, los partidarios de los primeros consideran que optar por ellos se compensa ya que al ofrecer un mayor rendimiento por m2 será necesario adquirir menos colectores.

También alegan sus partidarios su facilidad para integrarlo en edificios ya que se pueden colocar en vertical cubriendo una fachada como hemos visto con alguna de las tecnologías.

Los que prefieren los colectores de placa plana sostienen que no se justifica estos colectores en países donde la temperatura media es suave (como España donde el frío no suele ser extremo y que tienen zonas de clima cálido) ya que unos más económicos paneles de placa plana pueden cumplir con los objetivos normalmente deseados sin problemas. Esto también sería aplicable a países cálidos como México y variable en países grandes con una importante diversidad climática como son Argentina o Chile ( válido en las zonas cálidas, no válido en las zonas frías).

Otro aspecto a tener en cuenta se da en áreas con marcada diferencia de radiación y temperatura entre el invierno y el verano ( como España menos Canarias, Sur de Argentina y de Chile) dónde un número de paneles necesario para satisfacer las necesidades en invierno pueden suponer un problema de sobrecalentamiento en verano. Este factor de sobrecalentamiento a de ser muy tenida en cuenta por el instalador ya que puede arruinar la instalación.

En estos casos, los partidarios de los colectores de placa plana sostienen que en una instalación con colectores de tubo de vacío se alcanzan en verano temperaturas de más de 130 grados lo que puede ser difícil (o costoso) de controlar mientras que en instalaciones de placa plana la temperatura que se alcanza es menor.

En áreas de climas tropicales y subtropicales los problemas de sobrecalentamiento en verano de reducirán conforme nos acerquemos al ecuador ya que la temperatura y la radiación tenderá a hacerse más uniforme a lo largo del año y el número de colectores será más ajustado en todos los meses.

En definitiva un profesional adecuadamente formado debe valorar atendiendo a los requerimientos específicos de la instalación, la climatología del lugar en cada estación del año, a su experiencia previa y a la disponibilidad de presupuesto la elección de una u otra tecnología.


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3 pensamientos en “Los colectores solares de tubo de vacío

  1. Cristián Pereira

    Yo vivo en el sector de la cordillera de la araucania, y quiero decidir si compro un colector de tubos al vacio sin el sistema heat pipe, por su valor (son más caros que los tubos sin ese sistema), lo que me dejo un poco inquieto es que dice que las heladas pueden romper los tubos sencillos, ¿es así?, aqui la temperatura menor llega hasta los ( -15°C) en los dias más duros de invierno, cae nieve, luego puede venir las heladas…la pregunta es saber ¿cuales serán los tubos que mejor se comportan dadas las características de este clima? .
    Agradeceré mucho si me ayudan con esta consulta.

    Saludos cordiales,

    Cristián Pereira

    Responder
  2. wilmar acevedo

    interesante.
    pero mi pregunta es la siguiente:
    para un proceso requiero de vapor, según información para generar vapor a partir de un captador solar lo mas recomendable es usar un concentrador solar ya que según especificaciones este alcanza temperaturas superiores a los 300 °C. pero según la información proporcionada por este sitio web, un captador solar te tubo al vació puede alcanzar temperaturas de 130 °C. mi interrogante surge a través de la temperatura ambiente presente en la localidad donde habito que esta aproximadamente entre 28 y 32 °C con solo 2 estaciones excluyendo nevadas. entre los rangos de temperatura que mencione anteriormente puede que el captador solar alcance temperaturas de cuantos grados ? en cuanto tiempo alcanza dicha temperatura ? y a cuanto volúmenes de agua ?
    muchas gracias por su tiempo , espero una pronta respuesta.

    Responder
    1. Daniel Autor

      Estimado Wilmar. Los colectores de tubo de vacío pueden alcanzar las temperaturas comentadas, pero a coste de bajar su rendimiento por alcanzar temperaturas de estancamiento (en las que se recibe tanta energia como se pierde). Por lo que comenta se encuentra usted en un sitio de climatologia favorable. Lo que le recomiendo hacer es buscar una empresa instaladora que le haga un estudio pormenorizado de cual sería la opción mas recomendable para su caso. Este tipo de colectores u otros convencionales, puede usarlos para como minimo precalentar el agua.

      Le recomiendo tambien la lectura de este otro articulo: http://www.sitiosolar.com/los-colectores-solares-uhv-de-ultra-alto-vacio/

      Saludos

      Responder

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