ES2224844A1

ES2224844A1 - Sistema de colectores solares planos.

Info

Publication number: ES2224844A1
Application number: ES200300905A
Authority: ES
Inventors: Jose Maria TORRENS RASAL
Original assignee: Konetsu S L; KONETSU SL
Current assignee: Konetsu S L; KONETSU SL
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2005-03-01
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: ES2224844B1; WO2004092660A1; CN1542380A; EP1666811A1

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.

Sector técnico de la invención

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.

Antecedentes de la invención

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.

Explicación de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Descripción detallada de los dibujos

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

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.