ES2224844A1 - Sistema de colectores solares planos. - Google Patents
Sistema de colectores solares planos.Info
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Abstract
Los colectores (11) están dispuestos en series (12) de al menos un colector en un campo de colectores solares planos (11), a su vez en serie con una instalación (15) de calefacción o agua caliente sanitaria. El sistema comprende un disipador de calor (5), dispuesto en paralelo con toda o parte de la serie de colectores solares, estando dicho disipador de calor conectado a su salida con un primer conducto (13) que comunica con la entrada a los colectores solares, y con un segundo conducto (14) independiente que comunica con la tubería de ida (9) de la instalación (15). Puede comprender al menos una válvula termostática en "T" (1), de accionamiento por dilatación térmica, que une el extremo de salida de por lo menos uno de los colectores (11) de la serie (12) de colectores con el disipador de calor (5), a través de un conducto de entrada (2), y una válvula de retención (6), dispuesta en el primer conducto (13), que impide la entrada en el disipador de calor (5) del fluido térmico procedente de la instalación (15).
Description
Sistema de colectores solares planos.
La presente invención se refiere a un sistema de
colectores solares planos, por cuyo interior circula un fluido
térmico y que están dispuestos en series de al menos un colector en
un campo de colectores solares planos, el cual está a su vez en
serie con una instalación de calefacción o agua caliente sanitaria,
particularmente, aunque no exclusivamente, de tipo doméstico o
residencial.
Es cada vez más frecuente que las instalaciones
de agua caliente sanitaria (ACS) y de calefacción domésticas sean
alimentadas térmicamente mediante colectores solares planos, con
las consiguientes ventajas de poder prescindir del suministro de
combustibles fósiles, de mejorar el rendimiento energético general
y de ser absolutamente inocuos desde el punto de vista
medioambiental.
Los sistemas a colectores solares planos
convencionales suele comprender un campo de colectores, asociados
en serie y en paralelo, en cuyo interior circula un líquido, que
puede ser agua, que es calentado por efecto de la radiación solar.
Para mejorar el rendimiento, los revestimientos de los colectores
son actualmente de materiales selectivos a la radiación, que
permiten el paso de la radiación solar en un sentido y no en
sentido contrario, de suerte que toda la energía radiante pasa al
líquido. El líquido, una vez calentado, puede circular por
convección natural o mediante bombeo hacia la instalación doméstica,
en donde se consume su contenido energético en la instalación de
ACS o calefacción, enfriándose el líquido, y de donde retorna, a
menor temperatura, al campo de colectores.
Con todo, resulta que, particularmente en los
meses de mayor irradiación solar, no toda la energía captada por
los colectores necesita ser consumida, por lo que el calor que
excede al que debe ser utilizado, máxime en verano, en que no se
precisa de calefacción, debe ser eliminado al ambiente, mediante un
proceso de disipación. Ello se efectúa convencionalmente mediante
acumuladores y dispositivos de enfriamiento.
En los meses de verano, suele suceder que el
nivel de utilización de la instalación doméstica es muy bajo,
incluso del agua caliente mientras que, por el contrario, se recibe
la máxima aportación de energía solar. El exceso de calor
concentrado en los colectores solares hace subir extraordinariamente
la temperatura y la presión puede subir a niveles muy elevados
(incluso superiores a 3,5 atmósferas), lo cual puede provocar el
disparo de las válvulas de seguridad y que el agua residual
contenida en los colectores hierva, al alcanzar temperaturas que
pueden superar los 170ºC. Por lo tanto, los colectores sufren un
deterioro y precisan de un mantenimiento permanente para rellenar la
instalación con agua y anticongelante, lo cual es muy engorroso
pues su dosificación debe ser muy exacta y precisa. Este extremo
constituye precisamente en la actualidad uno de los principales
inconvenientes de las instalaciones solares a colectores planos. El
mantenimiento debe cubrir también la purga del aire y la puesta a
punto de toda la instalación.
Para solucionar estos inconvenientes, actualmente
se suele recurrir a medidas tan diversas como, entre otras:
- 1)
- cubrir los colectores con superficies opacas, por ejemplo mantas, en los meses de verano;
- 2)
- utilizar soluciones muy caras, que precisan ulteriores mantenimientos y grandes depósitos suplementarios para acumular el calor excedente, con toda clase de instalaciones hidráulicas, eléctricas y automáticas;
- 3)
- utilizar aerotermos provistos de ventiladores eléctricos, electrobombas, automatismos eléctricos y valvulería;
- 4)
- desviar el agua sobre calentada a intercambiadores de calor agua-agua o agua-aire, con la nueva inclusión de electrobombas, electroválvulas y automatismos; y
- 5)
- la solución complicada y costosa pero muy extendida en regiones particularmente cálidas, como Andalucía en España, de montar persianas móviles sobre los colectores solares, de accionamiento automático mediante sensores, servomotores y dependencia del suministro eléctrico.
Obviamente, las soluciones 2) a 5) conllevan los
problemas adicionales de complicar aún más la instalación,
haciéndola depender de automatismos, y disminuir su rendimiento
global, pues precisan de electricidad adicional para su
funcionamiento.
En definitiva, actualmente es obligada una
atención permanente de mantenimiento por empleados o confiar
plenamente en electrobombas, electroventiladores, electroválvulas,
automatismos y consumos eléctricos en general. Todo ello es muy
sensible a las averías, pues basta que falle uno solo de esos
elementos o momentáneamente el suministro eléctrico, para que se
produzca el fallo y subsiguiente eventual deterioro tanto de la
instalación como de los colectrores.
La presente invención tiene como finalidad dar
solución simultáneamente a los anteriores inconvenientes y
problemas.
A tal finalidad, el objeto de la presente
invención es un sistema de colectores solares planos, de novedoso
concepto y funcionalidad, que en su esencia se caracteriza porque
comprende un disipador de calor, dispuesto en paralelo con toda o
parte de la serie de colectores solares, estando dicho disipador de
calor conectado a su salida con un primer conducto que comunica con
la entrada a los colectores solares, y con un segundo conducto que
comunica con la tubería de ida de la instalación o con la entrada
de uno de los colectores solares.
Según otra característica de la presente
invención, el sistema comprende al menos un obturador térmico que
une el extremo de salida de por lo menos uno de los colectores de
la serie de colectores con el disipador de calor, a través de un
conducto de entrada, con lo que el sistema aprovecha
fundamentalmente la circulación no forzada por bomba del fluido,
sino exclusivamente por gravedad o termosifón.
Particularmente, se ha previsto que dicho
obturador térmico sea una válvula termostática en "T", de
accionamiento no eléctrico, sino exclusivamente por dilatación
térmica.
De acuerdo con otra característica de la presente
invención, prevista particularmente para los casos de instalaciones
de circulación por bomba, el sistema de colectores solares
comprende una válvula de retención, dispuesta en el primer
conducto, que impide la entrada en el disipador de calor del fluido
térmico procedente de la instalación.
Según una primera variante de la presente
invención dicho disipador de calor esta constituido, al menos
parcialmente, por la propia estructura de soporte de los colectores
solares.
Preferiblemente, en este caso, el disipador de
calor puede comprender un primer colector hidráulico, que comunica
hidráulicamente con la salida de la serie de colectores solares, y
un segundo colector hidráulico, que comunica hidráulicamente la
entrada y la salida de la serie de colectores solares.
Dichos primer colector hidráulico y dicho segundo
colector hidráulico de dicho disipador de calor pueden estar unidos
hidráulicamente por al menos un tubo de unión.
Preferentemente, comprenderá una pluralidad de
dichos tubos de unión, teniendo cada colector solar de la serie
asociado al menos uno de dichos tubos de unión.
Se ha previsto que el primer colector hidráulico
sea un tubo dispuesto en la parte superior posterior de los
colectores solares y unido a los mismos y, el segundo colector
hidráulico, un tubo dispuesto en la parte inferior posterior de los
colectores solares y unido a los mismos,
Según un modo preferido de realización, los tubos
de unión están curvados de tal modo que quedan dispuestos en sendos
y correspondientes teóricos planos que forman una cierta
angularidad con los colectores solares, todo ello adaptado para
que, en la posición operativa de montaje de los colectores, los
tubos de unión pueden quedar apoyados en una superficie horizontal
para el soporte de los colectores.
Preferentemente, dicho disipador de calor es de
acero inoxidable, por su resistencia mecánica y a la corrosión.
En una variante alternativa, dicho disipador de
calor comprende al menos un tubo aleteado en paralelo con la serie
de colectores solares.
En otra variante, dicho disipador de calor puede
comprender un radiador de calor.
Apreciarán los expertos en la técnica que,
gracias a las nuevas e inventivas características de la presente
invención, el sistema objeto de la misma logra dar solución a los
problemas e inconveniente de la técnica actual expuestos al inicio.
En concreto, el sistema de colectores solares según la invención no
precisa atención personal permanente, ni instalaciones adicionales o
eléctricas adicionales, no requiere de depósitos suplementarios, ni
aparatos con elementos móviles, como bombas o ventiladores. El
hecho adicional de que tampoco requiera automatismos colabora en
que se produzcan menos averías. Además, no requiere consumos
eléctricos suplementarios, por lo que, según apreciarán los expertos
en la técnica, el rendimiento energético global aumenta con
respecto a los sistemas de colectores solares convencionales
actuales.
A continuación se hará la descripción detallada
de las formas de realización preferidas de la presente invención,
para cuya mejor comprensión se acompaña de unos dibujos, dados
meramente a título de ejemplo no limitativo, en los cuales:
la Fig. 1 es un esquema de principio y
funcionamiento de un sistema de colectores solares según la técnica
anterior, aplicado a una instalación de consumo de ACS o
calefacción;
la Fig. 2 es el un esquema de principio y
funcionamiento de un sistema de colectores solares según la
invención aplicado a una instalación de consumo de ACS o
calefacción, en las condiciones operativas normales de la
instalación, en que el sistema de la invención no está en
funcionamiento;
la Fig. 3 es un esquema análogo al de la Fig. 1,
en condiciones operativas normales y con el sistema según la
invención en condiciones de funcionamiento;
la Fig. 4 es un esquema análogo al de la Fig. 1,
en condiciones de fallo o paro de la bomba de circulación del
circuito de la instalación;
la Fig. 5 es una vista esquemática y en
perspectiva que ilustra una primera posible variante del sistema de
colectores solares de la presente invención; y
la Fig. 6 es una vista esquemática y en
perspectiva que ilustra una segunda posible variante del sistema de
colectores solares de la presente invención.
En la Fig. 1 es un esquema de principio y
funcionamiento de un sistema de colectores solares según la técnica
anterior, aplicado a una instalación 15 de consumo de ACS o
calefacción. Comprende un campo 12 de colectores solares 11, por
cuyo interior circula un fluido térmico, en particular agua. En este
ejemplo, los colectores solares 11, por ejemplo colectores solares
planos, están dispuestos en una única serie 12 de colectores,
determinando lo que en la técnica se conoce como "campo de
colectores". Son asimismo posibles campos de captadores con más
series de captadores, en paralelo con el resto de las series o en
"series de series" consecutivas. Del conjunto de colectores
parte la tubería de ida 9, que normalmente será un bajante, de
alimentación a la instalación 15. El retorno se realiza por la
tubería de retorno 10 de aguas abajo de la instalación 15 y la
bomba 7.
En el esquema de la Fig. 1 se puede ver que la
instalación 15 convencional de ACS o calefacción tiene unos
consumos energéticos 8, que pueden ser los grifos de la instalación
doméstica de ACS, con consumo de agua, o los radiadores de
calefacción, sin consumo de agua. El agua retorna, enfriada, a los
colectores solares 11 a través de una bomba 7. Para los casos en
que se produce un sobre calentamiento del agua, por la combinación
de una gran acumulación de calor por radiación, la instalación
convencional precisa un dispositivo acumulador o disipador 18 de
calor, que puede ser un aerotermo, en paralelo con la instalación
15, dispositivo que es gobernado por una electroválvula termostática
19.
En la Fig. 2 se muestra el esquema de principio y
funcionamiento de un sistema de colectores solares según la
invención aplicado a la instalación de consumo de ACS o calefacción
de la Fig. 1, en las condiciones operativas normales de la
instalación, en que el sistema de la invención no está en
funcionamiento. En este caso, obsérvese que se ha prescindido del
dispositivo acumulador o disipador 18.
Conviene en este punto distinguir dos casos de
sobre calentamiento: 1°, por exceso de irradiación solar en
relación a la demanda de calor de la instalación 15; y 2ª, por
fallo de la electrobomba 7 de la instalación.
Para dar solución al primer caso, el sistema de
la Fig. 2 comprende un disipador de calor 5, dispuesto en paralelo
con la serie 12 de colectores solares 11 y en
serie-paralelo con la instalación 15. El disipador
de calor 5 de la invención está conectado en su entrada con la
salida del último colector solar 11 a través de una válvula
termostática en "T" 1, totalmente exenta de accionamientos
eléctricos que, por otra parte comunica permanentemente con la
tubería de ida 9.
De la salida del disipador de calor 5 parten dos
conductos 13 y 14. El primer conducto 13 comunica con la entrada a
los colectores solares 11, en la zona final de la tubería de
retorno 10, y tiene interpuesta una válvula de retención 6, que
impide la entrada en el disipador de calor 5 del fluido térmico
procedente de la instalación 15, el segundo conducto 14 es
independiente del primer conducto 13 y comunica con la tubería de
ida 9 de la instalación 15.
Mientras que la temperatura del agua saliente del
último colector 11 sea inferior a una temperatura mínima
predeterminada, lo cual es el caso de la Fig. 1, el agua saliente
circulará directamente y exclusivamente hacia la tubería de ida 9,
yendo a la instalación 15 de consumo, y volviendo a los colectores
solares 11 impulsada por la bomba 7, siguiendo el camino indicado
por las flechas.
Cuando la temperatura del agua que sale del
último colector solar 11 supera dicha temperatura mínima
predeterminada, debido a una elevada radiación solar o a un bajo
consumo de calor en la instalación 15, podría presentarse un
excesivo calentamiento del agua y precisar disipación de calor. En
estas circunstancias, la válvula termostática en "T" 1 se abre
y deja pasar el agua hacia el disipador de calor 5 de la invención
y se establece una circulación de agua representada en la Fig.
3.
En este caso, parte del agua circula a través del
disipador de calor 5, en cuyo interior se enfría por efecto de un
intercambio térmico con el aire ambiente y retorna parcialmente a
la tubería de ida 9 a través del segundo conducto 14.
El equilibrio de flujos a los conductos se
establece de un modo automático, en función de la demanda térmica
de la instalación 15, del consumo de agua en la misma, y del calor
acumulado en los colectores solares 11.
En el segundo caso de sobre calentamiento, esto
es en caso de fallo de la bomba 7, así como también de avería o por
falta de fluido eléctrico, por la instalación 15 no circulará flujo
de agua, y sí en cambio por gravedad o por termosifón, y el camino
fluido del agua será el de las flechas de la Fig. 4, es decir, a
través de los colectores solares 11, del conducto 2, del disipador
5, de la válvula de retención 6, del tramo de tubo 13 y de nuevo
hacia los colectores solares 11.
El circuito hidráulico de los dibujos puede
completarse con otros dispositivos convencionales de medida o
seguridad, por ejemplo purgadores de aire (no representados).
En las Figs 5 y 6 se ha representado sendos
ejemplos prácticos de realización de la invención, en que dicho
disipador de calor 5 esta constituido, al menos parcialmente, por
la propia estructura de soporte de los colectores solares 11.
En concreto, la estructura de soporte de los
colectores del sistema de la Fig. 5, formado en este caso por
cuatro colectores planos 11, dispuestos típicamente con una cierta
angularidad respecto del plano horizontal, está compuesto por un
tubo superior 3 y un tubo inferior 4, unidos por tubos de unión. El
tubo superior es un primer colector hidráulico 3, que comunica
hidráulicamente con la salida del último colector 11 de la serie 12
de colectores solares, en tanto que el tubo inferior es un segundo
colector hidráulico 4, que comunica hidráulicamente la entrada y la
salida de la serie de colectores solares 11, mediante el primer 13
y el segundo conductos 14, que son los extremos final e inicial,
respectivamente, del segundo colector 4, 16.
Por dentro de los tubos 3, 4 y 16 circula agua
procedente de la válvula termostática 1 de tres vías y el extremo
de aguas abajo del primer tubo 3 corresponde con el citado conducto
de entrada 2. Los tubos de unión 16 unen hidráulicamente los
colectores hidráulicos 3 y 4. El diámetro y la longitud total de
los tubos 3, 4 y 16 se dimensionan de forma que se disipe el calor
necesario en función de las dimensiones y número de los colectores
solares 11. De esta manera, el conjunto de colectores 3, 4 y de
tubos de unión 16 constituyen el disipador de calor 5 de la
presente invención.
En el ejemplo que se ilustra, a cada colector
solar 11 tiene asociado un correspondiente tubo de unión 16. Los
colectores hidráulicos 3 y 4 son preferentemente de acero
inoxidable, hierro negro pintado o galvanizado y están unidos a los
colectores 11, por medios de unión convencionales. Por su lado, los
tubos de unión 16, que también son preferentemente de acero
inoxidable o de hierro negro pintado o galvanizado, están curvados
o soldados en "L", de tal modo que quedan dispuestos en sendos
y correspondientes teóricos planos que forman una cierta
angularidad con los colectores solares 11, en el caso de los
dibujos perpendiculares a los mismos y a la horizontal. De esta
manera, en la posición operativa de montaje de los colectores 11
(Fig. 5), los tubos de unión 16 quedan apoyados en una superficie
horizontal, por ejemplo un tejado o cubierta, para el soporte de
los colectores 1.
Debido a la menor densidad del agua más caliente,
ésta tiende a estratificarse y a circular por la parte superior
tanto de los colectores solares 11, como del primer colector
hidráulico 3. en el caso de necesitar aumentar la potencia
calorífica de disipación, conviene incrementar la superficie de
intercambio de calor precisamente en este tramo más alto del
sistema, en este primer colector hidráulico 3, bien aumentando su
sección, dotándole de aletas o montando en paralelo otro tubo liso
o aleteado.
Así, la solución ideal para cualquier instalación
de energía solar existente, en particular cuando el campo de
colectores solares es del tipo empotrado en cubierta, consiste en
montar un disipador compuesto por una batería horizontal de tubos
de aleteados 17 de cobre y equipada con un obturador o válvula
termostática en "T" 1 en cada extremo y colocada justo por
encima del marco superior del o de los colectores solares 11, según
queda indicado en la Fig. 6. En este caso, se puede prescindir de
la válvula de retención 6. en el ejemplo particular que se ha
representado en la Fig. 6, se ha se ha dispuesto una segundo
válvula termostática en "T" 1 entre el primero y el segundo
colector solar 11 de la serie 12.
Una variante del ejemplo de la Fig. 6 podría
consistir en un tubo aleteado dispuesto directamente en un conducto
entre la válvula termostática de tres vías 1 y el primer conducto
13, con un segundo conducto 14 en paralelo con el tubo aleteado 17
entre la salida de éste y la tubería de ida 9. En esta caso, la
estructura de soporte podría también ser una estructura de soporte
convencional.
También son posibles otras formas de realización
del disipador de calor 5, tales como por ejemplo, un radiador de
calor, así como la asociación de diferentes tipos de intercambiador
aire-agua.
Obviamente, dentro del alcance de la invención
son posibles otras muchas variantes, siempre que estén comprendidas
dentro del ámbito de las reivindicaciones que siguen. Así, por
ejemplo, además, en la salida de cada colector 11 de la serie 12
podría haber interpuesto un obturador o válvula termostática en
"T" 1 interpuesto entre dos colectores consecutivos, o entre el
último colector de la serie y otra válvula en "T" 1 cuyo
tercer ramal conectara con otro conducto de entrada 2 al disipador
de calor 5. además, el citado primer conducto 13 podría también
verter en la entrada de un colector solar 11 intermedio, distinto
del primero, o bien en un punto de un colector solar 11 diferente
del punto en que se recibe el flujo procedente de la
instalación.
Claims (13)
1. Sistema de colectores solares planos, por cuyo
interior circula un fluido térmico y que están dispuestos en series
(12) de al menos un colector en un campo de colectores solares
planos (11), el cual está a su vez en serie con una instalación
(15) de calefacción o agua caliente sanitaria, caracterizado
porque comprende un disipador de calor (5), dispuesto en paralelo
con toda o parte de la serie de colectores solares, estando dicho
disipador de calor conectado a su salida con un primer conducto
(13) que comunica con la entrada a los colectores solares, y con un
segundo conducto (14) que comunica con la tubería de ida (9) de la
instalación (15) o con la entrada de uno de los colectores
solares.
2. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende al menos un
obturador térmico (1) que une el extremo de salida de por lo menos
uno de los colectores (11) de la serie (12) de colectores con el
disipador de calor (5), a través de un conducto de entrada (2).
3. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 2, caracterizado porque dicho obturador
térmico es una válvula termostática en "T" (1), de
accionamiento por dilatación térmica.
4. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado porque
comprende una válvula de retención (6), dispuesta en el primer
conducto (13), que impide la entrada en el disipador de calor (5)
del fluido térmico procedente de la instalación (15).
5. Sistema de colectores solares planos, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho disipador de calor (5) esta constituido, al menos
parcialmente, por la propia estructura de soporte de los colectores
solares (11).
6. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 5, caracterizado porque dicho disipador de
calor (5) comprende un primer colector hidráulico (3), que comunica
hidráulicamente con la salida de la serie (12) de colectores
solares (11), y un segundo colector hidráulico (4), que comunica
hidráulicamente la entrada y la salida de la serie de colectores
solares.
7. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 6, caracterizado porque dicho primer colector
hidráulico (3) y dicho segundo colector hidráulico (4) de dicho
disipador de calor (5) están unidos hidráulicamente por al menos un
tubo (16) de unión.
8. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 7, caracterizado porque comprende una
pluralidad de dichos tubos de unión (16), teniendo cada colector
solar (11) de la serie (12) asociado al menos uno de dichos tubos
de unión (16).
9. Sistema de colectores solares planos, según la
reivindicación 6 ó la reivindicación 7, caracterizado porque
el primer colector hidráulico (3) es un tubo dispuesto en la parte
superior posterior de los colectores solares (11) y unido a los
mismos y porque el segundo colector hidráulico (4) es un tubo
dispuesto en la parte inferior posterior de los colectores solares
(11) y unido a los mismos.
10. Sistema de colectores solares planos, según
una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque los
tubos de unión (16) están curvados de tal modo que quedan
dispuestos en sendos y correspondientes teóricos planos que forman
una cierta angularidad con los colectores solares (11), todo ello
adaptado para que, en la posición operativa de montaje de los
colectores, los tubos de unión pueden quedar apoyados en una
superficie horizontal para el soporte de los colectores.
11. Sistema de colectores solares planos, según
una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado
porque dicho disipador de calor (5) es de acero inoxidable.
12. Sistema de colectores solares planos, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho disipador de calor (5) comprende al menos un tubo
aleteado (17) en paralelo con la serie (12) de colectores solares
(11).
13. Sistema de colectores solares planos, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho disipador de calor comprende un radiador de calor.
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