CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y PROTECCIÓN AL SOBRECALENTAMIENTO.

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.

CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE PLÁSTICO Y

PROTECCION AL SOBRECALENTAMIENTO

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.

Estado de la Técnica.

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.

Finalidad de la Invención.

La presente invención tiene como finalidad perfeccionar los captadores solares térmicos planos o de baja concentración con aislamiento transparente en la cubierta, que...

1ª - “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.

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.

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 un

material que acumula energía térmica por calor latente, posee opcionalmente una válvula limitadora de presión (14) .

8ª - “CAPTADOR SOLAR CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE

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, o de panel de abeja, realizada con vidrio o polímero transparente con una fracción de volumen de material igual o menor al 1%.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Figura 7