COLECTOR SOLAR DE TUBOS DE VACÍO CON PROTECCIÓN DE SOBRECALENTAMIENTO POR MEDIO DE REFLECTOR GIRATORIO.

Colector solar de tubos de vacío con protección de sobrecalentamiento por medio de reflector giratorio. Estado de la técnica La capacidad de control de aporte o no de calor de un colector es muy importante en una instalación solar térmica. Si el colector está siempre aportando calor sin poder detenerlo, los costes suben, el rendimiento baja y la fiabilidad y durabilidad de la instalación decrecen. Un colector que aporte calor sin poder detenerlo lleva asociados los siguientes inconvenientes: - Más costes de diseño e instalación: El diseño de la instalación se hace más complejo y caro debido a la previsión del exceso de temperatura, con instalaciones adicionales como válvulas de seguridad, sobredimensionamiento de los vasos de expansión, soldaduras más resistentes, etc. - Acorta el rendimiento y la vida útil de la instalación: Toda instalación solar térmica en general sufre cuando es sometida a elevadas temperaturas. Los colectores pierden rendimiento y se deterioran. El anticongelante que lleva habitualmente el agua de la instalación se degrada con las altas temperaturas poniendo en peligro toda la instalación al quedar desprotegida ante las heladas. - Imposibilidad de poder dimensionar adecuadamente la instalación solar térmica para calefacción, pues se necesita mucha superficie de captación, y esto representa un problema de sobrecalentamiento en verano. - Muchos otros problemas no mencionados aquí y que resultan evidentes al sufrir la instalación temperaturas muy superiores para la que fue diseñada. Todos estos problemas se traducen también en costes para prevenirlos, por lo que el precio de una instalación solar térmica actual sería más económico si la cantidad de calor aportada por los colectores estuviera controlada. Existen actualmente bastantes medios de prevención de sobrecalentamiento de las instalaciones solares. Algunos de estos medios que se emplean habitualmente pueden ser: - Cubrir los colectores manualmente. - Desventajas: Se sigue produciendo sobrecalentamiento cuando no se cubren. En caso de colocación en tejados inclinados los colectores están en accesos difíciles. Coste de las cubiertas. - Inclinar los colectores más de lo habitual de forma que en verano no den tanto calor. - Desventajas: No evita el sobrecalentamiento en todas las ocasiones. Disminuye el rendimiento de la instalación al no situar los colectores en ángulo óptimo. - Poner menos colectores de los necesarios. - Desventajas: No evita el sobrecalentamiento en todas las ocasiones. Poca energía aportada por la instalación cuando es requerida. - Instalar equipos de disipación de calor. - Desventajas: coste de los equipos. Sobrecalentamiento en caso de fallo de bomba. - Hacer circular el agua por una piscina. - Desventajas: No es aplicable a viviendas sin piscina. Uso de la bomba innecesario cuando no se usa la piscina. Sobrecalentamiento en caso de fallo de la bomba. - Tirar agua caliente e introducir agua fría. - Desventajas: Consumo de agua innecesario. Sobrecalentamiento en caso de fallo de la bomba. - Vaciar los colectores del fluido de trabajo. - Desventajas: Costes de instalación. Sobrecalentamiento en seco de los colectores. - Otros sistemas más sofisticados que, en general, llevan asociados costes. - Etc. 2 ES 2 352 939 A1 Dentro de los diferentes tipos de colectores, la presente invención se aplica a los colectores de tubo de vacío. La temperatura de estancamiento típica de estos colectores ronda los 250ºC. Es objeto de esta patente reducir esta temperatura hasta niveles que no causen sobrecalentamiento en las instalaciones solares, por debajo de los 120ºC. Actualmente se comercializan dos tipos de tubos de vacío solares: A. Tubos de vacío de un solo cristal con vacío en todo su interior. B. Tubos de vacío de dos cristales concéntricos con vacío entre ambos cristales. Para la extracción del calor de los tubos se utilizan diferentes métodos como pueden ser: 1- Con un tubo caloportador en forma de heat pipe, que es un tubo, normalmente de cobre, formado por dos secciones: una sección larga en el interior del cristal en casi toda su longitud llamada evaporador y otra corta en el exterior del cristal llamada condensador. El condensador está más elevado que el evaporador. El evaporador contiene una pequeña cantidad de líquido que se evapora al aumentar la temperatura y asciende por el mismo hasta llegar al condensador en su extremo superior. Este condensador está en contacto térmico con el cabezal del colector por donde circula el fluido a calentar. En el condensador el vapor ascendente se condensa y cede el calor de condensación por conducción al fluido a calentar. El vapor condensado desciende por el tubo evaporador por su propio peso hasta que la temperatura del evaporador es suficiente para evaporarlo de nuevo, ascender y repetir el ciclo. 2- Con un tubo caloportador en forma de tubería concéntrica (ida y retorno en un mismo tubo concéntrico) o en forma de U. Esta tubería lleva dentro el fluido a calentar. Este fluido se calienta al pasar por el interior del tubo. En ambos casos, sea el tubo caloportador un heat pipe, tubería concéntrica o en forma de U, se suelen utilizar aletas absorbentes de la radicación solar en contacto con el tubo caloportador para obtener una mayor eficacia. 3- Para el caso de los tubos de cristal concéntricos también se puede realizar la extracción del calor del tubo directamente con el fluido a calentar en su interior, este fluido se calienta y asciende por efecto termosifón hacia el cabezal, donde es reemplazado por fluido más frío que desciende por el tubo hasta que se calienta de nuevo repitiéndose el ciclo. También existen tubos concéntricos de cristal en los que el tubo interior se encuentra cerrado en ambos extremos, actuando como si de un heat pipe se tratara, con una pequeña cantidad de líquido a evaporar en su interior. En este caso el extremo superior del tubo de cristal interior es más prolongado que el exterior y esta prolongación extra actúa como condensador del heat pipe. Existen numerosas patentes que intentan solucionar el problema del sobrecalentamiento los colectores de tubo de vacío, como por ejemplo: La patente US5667003 expone un método de recogida del líquido que se encuentra en el interior del heat pipe mediante un bimetal o metal con memoria de forma (en adelante por simplificar aquí llamado Nitinol para el resto de la descripción) situado en el condensador del heat pipe. Cuando la temperatura del condensador es excesiva, el nitinol empuja una pieza que impide regresar el líquido al tubo evaporador, de forma que el tubo evaporador queda finalmente sin líquido depositándose este en el condensador. Esto evita el proceso de evaporación-condensación del líquido, y por tanto, teóricamente, la transferencia de calor hacia el cabezal. Cuando la temperatura del condensador desciende, el nitinol cambia de nuevo de forma y permite que el líquido regrese al tubo evaporador, entregando calor de nuevo con el proceso de evaporación-condensación. El inconveniente de este método es que al ser el heat pipe normalmente de cobre, la transferencia de calor no se puede evitar totalmente, al recibir el condensador calor por conducción del tubo de cobre del evaporador. Por esta razón, aunque este método puede reducir la temperatura de estancamiento del colector hasta 184º, no es suficiente para evitar el sobrecalentamiento, (la temperatura de estancamiento de 184ºC está obtenida del ensayo realizado a este tipo de colectores en el prestigioso laboratorio suizo SPF). El uso de bimetales o materiales con memoria de forma es bien conocido en el estado de la técnica de los colectores solares para diferentes propósitos. Por ejemplo la patente JP59231360 propone un método para evitar el sobrecalentamiento por medio de estos materiales adosados a las aletas absorbentes del evaporador del heat pipe, de modo que estas aletas, en este caso absorbentes de la radiación por un lado y reflectante por el otro, se doblan y muestren su lado reflectante por medio del Nitinol cuando se alcanza una temperatura excesiva. Esta patente consigue reducir la temperatura de estancamiento, si bien, por la misma razón que la US5667003 no lo suficiente como para evitar el sobrecalentamiento. La patente JP59024143 también hace uso del nitinol para evitar el sobrecalentamiento. En este caso el nitinol, en forma de muelle espiral enroscado en el condensador, mueve un reflector semicircular exterior al aumentar la temperatura. Al igual que las patentes anteriores la temperatura de estancamiento con este método solo desciende hasta aproximadamente los 200ºC, no siendo suficiente para evitar el sobrecalentamiento. Además está patente sitúa 3 ES 2 352 939 A1 un reflector exterior al tubo, con los inconvenientes que esto conlleva por no soportar las inclemencias meteorológicas a lo largo de los años. La patente JP59012253...

1. Colector solar del tipo de tubos de vacío de un solo cristal (1) que transfiere la energía radiante del sol al fluido de trabajo por medio de aletas absorbentes (6) en contacto con un tubo caloportador (2), caracterizado porque incorpora un reflector curvo (3) de delgado espesor a lo largo del tubo de cristal (1), de arco menor o igual a 180 grados y diámetro algo menor que la pared interior del tubo de cristal (1), situado en la parte oculta al sol y contenido en aros envolventes (4) enclavados al mismo con varias pestañas (7), de forma que pueda girar en el interior del tubo de cristal (1) empujado por un muelle de torsión(5) de bimetal o nitinol (o cualquier aleación que cambie de forma con la temperatura), enroscado en el tubo caloportador (2) con buen contacto térmico y enganchado al reflector (3) por su extremo largo (8) y por el otro corto (9) al tubo caloportador (2) por medio de una abrazadera (10) o anilla de presión. El aumento de temperatura del fluido de trabajo da lugar a un aumento de la temperatura del tubo caloportador (2) provocando el giro del muelle de nitinol (5) y este, a su vez, gira el reflector (3). Este giro del reflector (3) oculta las aletas absorbentes (6) de la radiación solar evitando el sobrecalentamiento del fluido de trabajo, y es reversible en función de la temperatura de dicho fluido, de forma que en situación normal de aporte de calor del colector, el reflector (3) retorna a su posición inicial en la parte oculta al sol debajo de las aletas absorbentes, por sí mismo en caso de utilizar un muelle de bimetal, o bien por medio de otro muelle de acero (11), en caso de un muelle de nitinol (5) (o cualquier otra aleación que cambie de forma con la temperatura). Además de la protección de sobrecalentamiento, esta invención tiene por objeto aumentar el rendimiento del colector cuando el reflector (3) está situado en su posición inferior normal de aporte de calor, bajo las aletas (6), al reflejar las pérdidas térmicas por radiación de las aletas (6) hacia sí mismas, siendo óptimo el aumento de rendimiento debido al hecho de que el reflector (3) no está en contacto con el tubo de cristal (1), al existir una separación, al vacío, creada por los aros (4) interpuestos entre la pared interior del tubo de cristal (1) y el reflector (3). 2. Colector solar según la reivindicación primera caracterizado porque el tubo caloportador es un heat pipe. 3. Colector solar según la reivindicación primera caracterizado porque el tubo caloportador es una tubería concéntrica por donde fluye el agua a calentar. 4. Colector solar del tipo de tubos de vacío formado por dos tubos de cristal concéntricos (14 y 15) entre los cuales se ha hecho el vacío, y que transfiere la energía radiante del sol al fluido de trabajo por medio de un tubo caloportador (2) en contacto térmico con el cristal interior (14) por medio de aletas curvas metálicas, caracterizado porque incorpora un reflector curvo (3) de delgado espesor, situado entre los dos cristales concéntricos a lo largo de su longitud en la parte oculta al sol, de arco menor o igual a 180 grados y diámetro algo menor que el cristal exterior (15), y contenido en aros envolventes (4) enclavados al reflector con varias pestañas (7), de forma que pueda girar entre los cristales empujado por un muelle de torsión (5) de bimetal o nitinol (o cualquier aleación que cambie de forma con la temperatura), enroscado en el tubo caloportador (2). El muelle, a su vez, está conectado a un imán norte (16) situado en la pared interna del cristal interior (14), que atrae a otro imán sur (17), situado en la pared externa del cristal interior (14). El aumento de temperatura del fluido de trabajo provoca un aumento de la temperatura del tubo caloportador (2) provocando, a su vez el giro del muelle de nitinol (5) que gira el reflector (3) a través de los imanes. El giro del reflector (3) oculta el cristal interior (14) de la radiación solar evitando el sobrecalentamiento del fluido de trabajo, y es reversible en función de la temperatura interna del cristal interior (14), de forma que en situación normal de aporte de calor del colector, el reflector (3) retorna a su posición inicial en la parte oculta al sol debajo del cristal interior, por sí mismo en caso de utilizar un muelle de bimetal, o bien con la ayuda de otro muelle de acero (11), en caso de un muelle de nitinol (5) (o cualquier otra aleación que cambie de forma con la temperatura). Además de la protección de sobrecalentamiento, esta invención tiene por objeto aumentar el rendimiento del colector cuando el reflector (3) está situado en su posición inferior normal de aporte de calor, bajo el cristal interior (14), al reflejar las pérdidas térmicas por radiación del cristal interior (14) hacia sí mismo, siendo óptimo el aumento de rendimiento debido al hecho de que el reflector (3) no está en contacto con el tubo exterior de cristal (15), al existir una separación, al vacío, creada por los aros (4) interpuestos entre la pared externa del cristal interior (14) y el reflector (3). 5. Colector solar según la reivindicación cuarta caracterizado porque el tubo caloportador es un tubo de calor (más conocido como heat pipe) centrado en el tubo de cristal interior (14). 6. Colector solar según la reivindicación cuarta caracterizado porque el tubo caloportador es una tubería en forma de U (18) por la que fluye el agua a calentar que recorre el interior del cristal interno (14) en toda su longitud, estando en contacto térmico con dicho cristal (14) por medio de unas aletas curvas, y porque el muelle de bimetal o nitinol (5) está enroscado y anclado al eje central de una pieza de cobre o aluminio (19) en buen contacto térmico, sujeta por presión o soldada, con la tubería en forma de U (18). 7. Colector solar según las reivindicación cuarta caracterizado porque el tubo caloportador es un heat pipe descentrado y porque el muelle de bimetal o nitinol (5) está enroscado y anclado en el eje de una pieza de cobre o aluminio (20) en buen contacto térmico, sujeta por presión o soldada, con el heat pipe (2). 7 ES 2 352 939 A1 8 ES 2 352 939 A1 9 ES 2 352 939 A1 ES 2 352 939 A1 11 ES 2 352 939 A1 12 ES 2 352 939 A1 13 ES 2 352 939 A1 14 ES 2 352 939 A1 ES 2 352 939 A1 16 ES 2 352 939 A1 17 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA