Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura.

Instalación solar térmica, compuesta por una batería (1) de dos o más colectores solares (2) planos o de tubos de vacío, bomba de circulación de fluido caloportador (4), sistema de valvulería (3) y sistema de control (6), caracterizada por su amplio rango de funcionamiento en cuanto a temperatura disponible del fluido caloportador (desde +40ºC hasta +150ºC) asegurando además un caudal constante de fluido caloportador, una temperatura constante, o ambos parámetros simultáneamente.El sistema de control (6) actuará sobre el sistema de valvulería (3), así como sobre la velocidad de la bomba de circulación (4) para asegurar el control de dichos parámetros.Todos los componentes de la instalación cumplirán con los estándares para soportar temperaturas de hasta 180°C

Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura.

Sector de la tecnología

La presente invención se enmarca en el sector de las energías renovables, concretamente en el aprovechamiento de la energía solar térmica para generación de agua caliente en instalaciones industriales, instalaciones de calefacción, climatización por absorción y agua caliente sanitaria.

Realizando los oportunos cambios de configuración y disposición de los distintos elementos de la instalación solar térmica, se logra una gran versatilidad en su funcionamiento, pudiendo obtener un fluido caloportador a la temperatura requerida en el circuito de consumo, tanto si se trata de temperaturas medias (+40, +80ºC), como de elevadas temperaturas (mayor de +80ºC hasta +150ºC), consiguiendo en el circuito primario, circuito por donde discurre el fluido caloportador, unas condiciones estables y continuas en cuanto a temperatura, caudal, o ambos parámetros de forma simultánea. Se logra un total control de todos los parámetros, pudiendo ser empleadas este tipo de instalaciones para cualquier uso que requiera energía térmica en un amplio rango de temperaturas de trabajo (de +40ºC hasta +150ºC). Estas instalaciones podrán ser ejecutadas por empresas que dispongan de dicha tecnología.

Se logra así que el sobrecalentamiento en la instalación no sea un problema para la misma, como sucede actualmente, pudiendo trabajar además a temperaturas más bajas y usuales.

Se consigue así un sistema de trabajo a bajas y elevadas temperaturas (de +40ºC hasta +150ºC) de forma estable y automática, que permite un nuevo y extenso campo de aprovechamiento de la energía solar.

Estado de la técnica

El Código Técnico de la Edificación, en la sección HE4 de Documento Básico HE, define una instalación solar térmica como aquella que está constituida por un conjunto de componentes encargados de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica cediéndola a un fluido de trabajo y, por último, almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo de los captadores, o bien transferirla a otro, para poder utilizarla después en los puntos de consumo. Dicho sistema se complementa con una producción de energía térmica por sistema convencional auxiliar que puede o no estar integrado dentro de la misma instalación.

Una instalación solar térmica convencional está compuesta por los siguientes elementos:

- Un sistema de captación, formado por una batería de colectores solares, los cuales pueden tener una disposición variable, asociados a un sistema de tuberías, formando en su conjunto un circuito llamado primario. Por el interior de las tuberías y de los colectores circula un fluido primario, generalmente agua con adicción de un anticongelante, el cual será el encargado de captar la energía que han absorbido los colectores solares. Para un mejor rendimiento de la instalación, los colectores solares están revestidos de materiales selectivos que permiten el paso de la radiación en un sentido, pero no en el sentido contrario.

- Un sistema de acumulación, compuesto por uno o varios depósitos de acumulación de energía. Se almacena la energía captada de la radiación solar para su utilización en el circuito de consumo. Permite el empleo de la energía en un momento distinto al de su captación.

- Un sistema de intercambio, en donde se transfiere la energía procedente del sistema de acumulación a un fluido secundario, el cual podrá ser empleado directamente en los puntos de consumo o puede ser almacenado como fluido caliente, para almacenamiento de la energía.

- Un sistema de consumo, formado por todos los puntos de consumo de la instalación, que, unido al sistema de intercambio, componen un segundo circuito llamado circuito secundario.

- Un sistema de regulación y control, mediante el cual se regula el funcionamiento de todo el sistema, estableciendo unos parámetros de consigna que indicarán los límites de un funcionamiento correcto, tanto del circuito primario como secundario.

- Un sistema de energía auxiliar, para suministrar la energía en los momentos en los que la energía procedente del circuito solar no es suficiente para satisfacer las necesidades en los puntos de consumo.

- Un sistema de bombeo del fluido, que se encarga de provocar la circulación forzada del fluido (tanto en el circuito primario como en el secundario) que discurre por las tuberías. Dicho sistema de bombeo puede eliminarse en los casos de circulación por convección natural, en donde se aprovecha diferencia de cotas existente entre los distintos elementos de la instalación.

- Un sistema de seguridad para evitar excesivos sobrecalentamientos del sistema solar.

La energía captada de la instalación solar, será transmitida al fluido secundario generando pues agua caliente.

Según la norma europea UNE-EN 12828 sobre sistemas de calefacción en edificios y diseño de los sistemas de calefacción por agua, que es aplicable también a los sistemas de ACS (agua caliente sanitaria) prohíbe alcanzar en el circuito primario temperaturas en el fluido primario superiores a 105ºC, por los problemas descritos, con lo cual la novedad aportada por la presente invención abre el campo de utilización de instalaciones solares térmicas, en un rango de temperaturas de utilización de +40ºC hasta +150ºC, con un control absoluto de la temperatura del fluido, caudal, o ambos parámetros simultáneamente, garantizando una continuidad de dichos parámetros en los rangos de temperatura anteriormente indicados. La invención es de óptima aplicación en instalaciones industriales que requieran agua caliente a alta temperatura, siendo su mayor aplicación la producción de frío por absorción, entre otras. Sin embargo, considerando la seguridad de que dispone la presente invención, seria perfectamente válida y segura para su aplicación en instalaciones de ACS (agua caliente sanitaria), calefacción, climatización u otras aplicaciones.

El fluido primario, que ha cedido toda o parte de su energía al fluido secundario, en el intercambiador de calor, retorna al campo de colectores, donde será de nuevo calentado. De la misma manera, el fluido secundario, que ha cedido energía en los puntos de consumo, retorna al intercambiador de calor, donde se calienta gracias a la presencia de fluido primario caliente.

Ejemplos de instalaciones solares térmicas convencionales se describen en los documentos de patente con Nº de publicación ES497078 y Nº 2156837, entre otros. En dichas invenciones, no se tratan las temperaturas a las que pueden trabajar dichas instalaciones, ni los caudales disponibles.

Un factor importante a tener en cuenta en las instalaciones solares térmicas es la necesidad de disponer de un sistema de seguridad que sirva de protección frente a los sobrecalentamientos del sistema, riesgos de congelación... Para la protección contra riesgos de congelación, se suele emplear agua mezclada con anticongelante para que la mezcla resultante tenga un calor específico superior a 3 KJ/KgK en 5ºC por debajo de la temperatura mínima histórica registrada en la zona donde se localiza la instalación. En el caso de protección contra sobrecalentamientos del sistema, la instalación irá dotada de dispositivos de seguridad manuales o automáticos que eviten los sobrecalentamientos de la instalación que puedan dañar los materiales o equipos y que penalicen la calidad del suministro energético. Ejemplo de estos dispositivos son un adecuado sistema de expansión y un sistema de drenaje al exterior de fluido sobrecalentado.

En el documento de patente con Nº de publicación 2272171 se propone un novedoso sistema de seguridad para instalaciones solares térmicas destinadas a producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria, el cual evita que el fluido primario supere el valor límite de 105ºC. De igual forma, los documentos de patente con Nº de publicación 2224844 y 2272174 describen un sistema disipador de la energía calorífica en instalaciones solares.

Otro de los aspectos muy importantes tratados en las instalaciones solares térmicas es la necesidad en muchas aplicaciones de llegar a una elevada temperatura de utilización, en torno a 100ºC o mayores. Analizando el estado de la técnica actual, para alcanzar dichas temperaturas en el fluido caloportador del circuito primario, la gran mayoría de la tecnología desarrollada se centra en el desarrollo de sistemas de captación de...

1. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, basado en una instalación solar térmica, formada por una batería (1) de dos o más colectores solares (2) sin límite de unidades, sistema de valvulería (3), bomba circuladora (4), intercambiador de calor de circuito de consumo (5), sistema de control (6), tubería de impulsión de fluido caloportador (7), tubería de retorno de fluido caloportador (8), sonda de temperatura (9) a la salida de la tubería de retorno (8), sonda de temperatura (10) a la salida de cada colector solar (2), caracterizado porque dicha versatilidad permite al sistema objeto del presente documento alcanzar temperaturas de utilización en el circuito primario entre +40ºC y +150ºC.

2. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicación 1, caracterizado porque dichas temperaturas de utilización se consiguen manteniendo unos valores de temperatura, caudal o ambos simultáneamente en el fluido caloportador a la salida de la batería (1) de colectores solares (2), que permite la utilización de la energía solar en todo tipo de sistemas industriales, calefacción, agua caliente sanitaria y frío por absorción.

3. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la batería (1) de colectores solares (2) estará formada por colectores solares (2) planos o de tubos de vacío, no empleando sistemas de concentración de la radiación solar ni otro tipo de colector solar especial.

4. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque como mínimo se dispondrán dos colectores solares (2), variando el número de los mismos según el tamaño y necesidades de la instalación y sin límite de unidades.

5. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicaciones 1 y 2, en el cual el sistema de control (6) es el encargado de conseguir dicha versatilidad, actuando sobre la configuración de la batería de colectores (1), así como sobre la velocidad de la bomba de circulación del circuito primario (4). Se conseguirá así regular el caudal y la temperatura disponibles y necesarios en el circuito de consumo.

6. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicación 1 a 5, caracterizado porque todos los componentes de la instalación cumplirán con los estándares necesarios para poder trabajar correctamente con temperaturas del fluido caloportador de hasta 180ºC.

7. Sistema solar térmico versátil de producción de agua caliente hasta alta temperatura, según reivindicación 1, caracterizado por la existencia de una fuente de energía auxiliar, para satisfacer las necesidades de consumo de fluido caloportador. A priori, y según el número de colectores solares (2) que disponga la instalación solar, se puede determinar el porcentaje anual de dicha energía auxiliar que será necesario aportar y, comparándolo con el coste total de la instalación, poder determinar también la rentabilidad de la inversión.