CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE.

La presente invención se refiere a mejoras y perfeccionamiento de los aislantes térmicos transparentes utilizados para aumentar el rendimiento de los captadores solares térmicos a través de la reducción de las pérdidas de calor,

para ello se utilizan capas sobrepuestas de material aislante térmico transparente y al menos una de ellas de sílica aerogel (7), situadas dichas capas entre el absorbedor (4) y la cubierta transparente (1) de vidrio o materiales similares.

Captadores solares térmicos con aislamiento transparente Objeto de la Invención.

La presente invención se refiere a mejoras y perfeccionamientos en el aislamiento de captadores solares térmicos, tanto para el caso de captadores de baja-media temperatura como para los captadores de alta temperatura.

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 generalmente mediante ciclos de vapor o ciclos combinados con turbinas de vapor.

Actualmente existen varias configuraciones de captadores diseñados para las diferentes aplicaciones, entre los que destacan: los captadores solares planos para trabajar en baja o media temperatura, y los captadores de concentración para trabajar en alta temperatura, con todas sus variantes de reflexión o refracción de la radiación solar, por ejemplo con cilindro o disco parabólico reflectante y con lentes o espejos de Fresnel. Otros captadores de concentración típicos para alta temperatura son las centrales solares de torre.

Los captadores solares térmicos, en general, experimentan una disminución 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, peor es el rendimiento. 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.

Hoy por hoy 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 planos y captadores de concentración y que forman el estado actual de la técnica.

El primer sistema de asilamiento, 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 intentar solucionar este problema, y evitar así esas pérdidas por convección, se puede evacuar el aire de manera que se eliminan dichas pérdidas, generando una cámara de vacío que únicamente tiene transfiere de 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 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, que se puede alcanzar en el captador en las condiciones más desfavorables. Una de dichas condiciones más desfavorables es la denominada 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 también se fabrican estructuras alveolares de vidrio, que aunque son muy resistentes a la temperatura (400-500ºC) tienen como principales inconvenientes el excesivo precio final y su elevado peso. Además de estos dos tipos, existe otro tipo de TIM también usado únicamente en captadores planos y en una única capa aislante transparente, aunque de una forma sólo pre-comercial a nivel académico, descrito por Nordgaard, A. y Beckman, W. A. en la publicación titulada:

“Modelling of flat plate collectors based on monolithic silica aerogel”. Se trata del sílica aerogel o xerogel

(dependiendo del método de fabricación) , un material de mucha mayor resistencia a la temperatura (hasta 500600ºC.) que los polímeros, aunque de transmisividad a la luz solar algo limitada. Como ventajas tiene una capacidad aislante térmica muy importante y una baja densidad. Sin embargo, este material tiene un precio algo elevado, aunque en el caso del sílica xerogel su coste es menor, pero tiene propiedades de menor calidad. El sílica aerogel o sílica xerogel, obtenidos con diferentes procesos de fabricación, se encuentra en estado monolítico o granular, dependiendo también del método de fabricación. En adelante en el presente documento nos referiremos al sílica aerogel o sílica xerogel indistintamente, como un único material, sílica aerogel.

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.

En el caso de los captadores de concentración con cilindros parabólicos, éstos consisten básicamente, según la Figura nº 5, en una parábola reflectora-concéntrica que envía los rayos del sol hacia una superficie absorbente en contacto con el fluido calor-portador, de manera que se pueden alcanzar temperaturas mucho mayores que en el caso de captadores planos. En los captadores de concentración cilíndrico-parabólicos comerciales ya existentes, se aísla la superficie absorbente del exterior con una cámara de aire o una cámara de vacío. Dicha cámara se encuentra en el espacio que queda entre la superficie absorbente y un vidrio exterior. Los captadores de concentración con reflectores lineales Fresnel son similares a los cilindro-parabólicos. En este caso la diferencia está en el sistema de concentración, ya que se usa una serie de reflectores lineales Fresnel en vez del cilindro-parabólico reflectante.

Existe otra tecnología de captación solar térmica de alta temperatura, como son las centrales solares de torre. En este caso unos espejos o heliostatos, reflejan y concentran la radiación solar hacia la ventana o abertura de una cavidad receptora situada a elevada altura (torre) en la que se sitúa la superficie absorbedora. Dicha superficie absorbedora tiene adosado el...

1ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, 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 (4) , por una cubierta transparente exterior (1) , por capas aislantes térmicas opacas (5) , y por material aislante térmico transparente entre la cubierta transparente exterior (1) y el absorbedor (4) , caracterizado en que el aislante térmico transparente comprende al menos dos capas sobrepuestas de material aislante térmico transparente entre la superficie absorbente (4) y la cubierta transparente (1) :

- una capa de sílica aerogel transparente (7) ; y

- un elemento de material aislante transparente que comprende uno de las siguientes capas o bien una combinación de ellas: una capa de material transparente aislante en estructura alveolar (2) de vidrio o polímero transparente, y/o una cámara de aire (3) , y/o una cámara de vacío (9) .

2ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que el aislamiento se aplica preferentemente en captadores solares tipo plano (10) .

3ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 2ª reivindicación, caracterizado en que el aislante térmico transparente comprende:

una capa de sílica aerogel transparente (7) más próxima al absorbedor, que puede estar en contacto con la superficie absorbente (4) o no; y

una capa de material aislante transparente en forma de panal de abeja o estructura alveolar (2) más próxima al exterior, en contacto con el separador transparente (6) de cierre de la capa de sílica aerogel transparente (7) ; y

una cubierta transparente (1) de vidrio, cuarzo o de polímero transparente.

4ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que se intercala entre el sílica aerogel transparente (7) y el absorbedor (4) , un espacio de confinamiento de aire o de vacío (16) , constituido por una cámara de aire (3) o de vacío (9) separado del sílica aerogel transparente (7) por un vidrio o material separador transparente (6) .

5ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 3ª reivindicación, caracterizado en que se intercala entre el separador transparente (6) , de cierre de la capa de sílica aerogel (7) , y la capa de material transparente aislante en estructura alveolar (2) , un espacio de confinamiento de aire o de vacío (16) , constituido por una cámara de aire (3) , o de vacío (9) , separada éste (16) del material aislante transparente (2) por un separador transparente (6) , no siendo necesario si la capa anterior (7) es de tipo monolítica;

6ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que el aislamiento se aplica opcionalmente en captadores solares tipo de concentración (11) .

7ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la según la 6ª reivindicación, caracterizado en que el aislamiento térmico transparente comprende:

una capa de material aislante transparente tipo sílica aerogel (7) o similar que puede estar separada, o no, del propio absorbedor (4) , mediante una cámara de aire o de vacío, donde dicha cámara de aire o vacío se intercala entre el sílica aerogel transparente (7) y el absorbedor (4) , y separado del sílica aerogel transparente (7) por un separador transparente (6) , no siendo necesario si la capa anterior (7) es de tipo monolítica; y

una cubierta transparente (1) de vidrio, cuarzo o de polímero transparente de confinamiento de todo el aislamiento.

8ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 7ª reivindicación, caracterizado en que adicionalmente comprende una capa de material transparente aislante en forma de panal de abeja o estructura alveolar (2) más próxima al exterior, en contacto con un separador transparente (6) de cierre de la capa de sílica aerogel transparente (7) .

9ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 7ª y la 8ª reivindicación, caracterizado en que adicionalmente se puede intercalar entre el separador transparente (6) , de cierre de la capa de sílica aerogel (7) , y la capa de material transparente aislante en estructura alveolar (2) una un espacio de confinamiento de aire o de vacío (16) , constituido por cámara de aire (3) , o de vacío (9) , separada éste (16) del material transparente aislante transparente (2) por un separador transparente (6) .

10ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 1ª reivindicación, caracterizado en que el aislamiento térmico transparente se aplica a la cavidad receptora (14) de una central solar de torre (13) en captadores solares tipo de concentración (11) , donde dicho aislamiento transparente comprende:

- una capa de sílica aerogel, transparente (7) más próxima al absorbedor (4) , que puede estar en contacto con la superficie absorbente o no, mediante un espacio de confinamiento de aire o de vacío (16) , constituido por una cámara de aire (3) o de vacío (9) , intercalándose entre el sílica aerogel transparente (7) y el absorbedor (4) , y separada del sílica aerogel transparente (7) por un separador transparente (6) , no siendo necesario si la capa anterior (7) es de tipo monolítica; y

- opcionalmente una capa de material transparente aislante en forma de panal de abeja o estructura alveolar (2) más próxima al exterior, en contacto con el separador transparente (6) de cierre de la capa de sílica aerogel transparente (7) ; y

- opcionalmente se puede intercalar el separador transparente (6) , de cierre de la capa de sílica aerogel (7) , y la capa de material transparente aislante en estructura alveolar (2) , un espacio de confinamiento de aire o de vacío (16) , constituido por una cámara de aire (3) , o de vacío (9) , separada éste (16) del material transparente aislante transparente (2) por un separador transparente (6) ; y

- una cubierta transparente (1) de vidrio, cuarzo o de polímero transparente de confinamiento de todo el aislamiento.

11ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la 1ª, 3ª, 8ª, y la 10ª reivindicaciones, caracterizado en que los materiales aislantes térmicos sílica aerogel transparente (7) , material transparente aislante en estructura alveolar (2) y espacios de confinamiento de aire o de vacío (16) comprenden unos grosores para que no se alcance la máxima temperatura de trabajo admisible en cada tipo de material en condiciones de estancamiento, resistiendo mayor temperatura el sílica aerogel transparente (7) que el material transparente en estructura alveolar (2) .

12ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la reivindicación 1ª, caracterizado en que en caso de utilizar capas aislantes térmicas opacas (5) estas son sustituidas por capas material sílica aerogel (7) .

13ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según las reivindicaciones 1ª a 12ª, caracterizado en que la capa constituida por el sílica aerogel (7) puede ser de material sílica aerogel o de sílica xerogel, ambos transparentes, y presentando una forma granular o monolítica.

14ª -“CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS CON AISLAMIENTO TRANSPARENTE”, según la anterior reivindicación, caracterizado en que cuando la capa aislante de sílica aerogel o sílica xerogel transparente (7) presente una forma granular se incluye una o más capas separadoras transparentes (6) por encima y/o por debajo de éste (7) .