ES2455815B1 - Dispositivo captador solar térmico - Google Patents

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Abstract

El dispositivo captador solar térmico comprende una primera superficie (1) transparente a una radiación solar (4) incidente que confina al menos parcialmente un fluido caloportador (3), comprendiendo la primera superficie (1) un recubrimiento (6), transparente a la citada radiación solar (4) de forma que el fluido caloportador (3) recibe directamente parte de la radiación solar (4). El recubrimiento (6) tiene una emisividad inferior a 0,4. El dispositivo puede comprender medios absorbe3dores (5) de la radiación solar (4) incidente que aumentan la energía absorbida por el fluido caloportador.

Description



DESCRIPCIÓN
Dispositivo captador solar térmico
Campo de la invención 5
La presente invención se engloba dentro del campo de la energía solar térmica y más concretamente dentro de los captadores solares térmicos destinados a recoger energía de la radiación solar.
Antecedentes de la invención 10
Un captador solar térmico (también denominado habitualmente colector solar) es un dispositivo que trata de calentar un fluido a partir de la radiación solar. Los fluidos utilizados se denominan habitualmente fluidos caloportadores porque son capaces de absorber energía y aumentar su temperatura y transportar el calor a otro lugar.
15
Un captador solar suele estar compuesto por una primera capa (la capa exterior más próxima a la radiación solar) generalmente de vidrio que aloja en su interior un absorbedor en cuyo interior se aloja o circula el fluido caloportador, de forma que el absorbedor absorbe la energía de la radiación solar y a su vez calienta el fluido caloportador. La primera capa es generalmente de vidrio por que este material es transparente al espectro visible (deja pasar la radiación solar hasta el absorbedor) y opaco al infrarrojo (no deja pasar la radiación infrarroja producida como 20 consecuencia del calentamiento del elemento absorbedor) produciendo un efecto invernadero.
De cara a aumentar la eficiencia en la captación energética los absorbedores suelen incluir complejos recubrimientos selectivos que buscan obtener alta absortividad de la radiación solar y baja emisividad. Un problema de los captadores conocidos es precisamente la necesidad de utilizar estos recubrimientos complejos. 25
Es conocida también la posibilidad de que algunos de los colectores solares utilizados actualmente realicen un vacío en el espacio definido entre la capa de vidrio y el absorbedor para minimizar las pérdidas por convección.
Descripción de la invención 30
Es objeto de la presente invención un dispositivo captador solar térmico que comprende una primera superficie transparente a una radiación solar incidente que confina al menos parcialmente un fluido caloportador comprendiendo la primera superficie un recubrimiento, transparente a la citada radiación solar, de forma que el fluido caloportador recibe directamente parte de la radiación solar. El recubrimiento tiene una emisividad inferior a 0.4 (y que por tanto reduce 35 las perdidas por radiación hacia el exterior de dicha superficie).
El término transparente a la radiación solar quiere decir un material con alta transmisividad solar. Preferentemente la transmisividad conjunta de la primera superficie y del recubrimiento es mayor de 0.7.
40
Así mismo se entiende por fluido caloportador un fluido capaz de aumentar su temperatura y transportar el calor.
En una realización el fluido caloportador puede absorber energía de la citada radiación solar incidente. El fluido caloportador puede tener preferentemente una absortividad mayor de 0.8. El fluido caloportador puede ser por ejemplo un fluido negro, agua, difenileter, 45
El recubrimiento esta dispuesto preferentemente en la cara externa de la primera superficie, entendiendo por cara externa la más cercana a la radiación solar.
El dispositivo puede comprender medios absorbedores de radiación solar incidente que aumentan la energía absorbida 50 por el fluido caloportador.
Los medios absorbedores de radiación solar pueden comprender elementos dopantes del fluido caloportador.
Estos elementos dopantes pueden comprenden una pluralidad de nanopartículas preferentemente metálicas, carbonosas u óxidos metálicos. 55
Alternativa o simultáneamente los medios absorbedores de radiación solar pueden comprender mallas o aletas configuradas para absorber radiación solar que están al menos parcialmente inmersas en el fluido caloportador.
La primera superficie puede ser una superficie de vidrio. También se contempla la posibilidad de que la primera 60 superficie sea de plástico.
De forma preferente, la primera superficie tiene una conductividad térmica inferior a 3
W/(
K·
m)
De acuerdo a la presente invención la radiación solar incidente atraviesa la primera superficie y es recibida directamente 65 por el fluido caloportador que absorbe energía de la radiación solar incidente, aumentando su temperatura. Los medios
absorbedores pueden aumentar la cantidad de radiación incidente que es absorbida por el fluido caloportador o bien el fluido caloportador puede ser un fluido trasparente (no absorbe energía de la radiación solar) siendo los medios absorbedores los que captan la energía de la radiación solar y se la transmiten al fluido.
De esta forma se consigue un efecto de selectividad espectral por una parte gracias a la alta absortividad del fluido 5 caloportador ( o a través de los medios absorbedores) que atrapa la energía procedente de la radiación solar directamente en su seno, donde es convertida en energía térmica y por otra mediante el recubrimiento de baja emisividad que dificulta de manera significativa la transmisión de energía térmica contenida en el fluido hacia el exterior del captador, maximizando su eficacia. Esta forma de separar los dos efectos es potencialmente más barata que la implementación de ambas propiedades en un complejo recubrimiento como en el estado de la técnica anterior. 10
De esta forma la temperatura máxima se obtiene en el propio fluido caloportador y no en elementos absorbentes auxiliares como en los dispositivos captadores o colectores solares utilizados en la actualidad en los cuales la máxima temperatura se alcanza en la superficie externa del tubo absorbedor. De esta forma la temperatura de la primera superficie es menor que la temperatura del fluido. Como las pérdidas son mayores cuanto mayor es la temperatura de la 15 primera superficie; y tomando como realización preferente el material de vidrio, siendo que éste es un mal conductor (tiene una resistencia térmica mayor que los metales) las pérdidas térmicas en el dispositivo captador solar objeto de invención son potencialmente menores.
Como se ha dicho, a diferencia de los sistemas solares convencionales, la trasferencia de la energía solar al fluido 20 caloportador se hace directamente en dicho fluido caloportador por absorción, ya sea por la absorción de la radiación solar en el mismo fluido o por la inclusión dentro de este de sustancias dopantes o materiales sumergidos en él, por ello las temperaturas máximas se alcanzan en el propio fluido caloportador. La baja conductividad térmica de la primera superficie transparente que contiene el fluido caloportador impone un gradiente térmico entre la superficie interior en contacto con el fluido caloportador y la superficie exterior, estando la superficie exterior del material que contiene el 25 fluido caloportador a menor temperatura y siendo, por tanto, las pérdidas térmicas de éste sistema menores. En los colectores o captadores convencionales el procedimiento habitual para calentar el fluido caloportador, consiste en el calentamiento del recipiente o tubo absorbedor que lo contiene y en la transferencia de calor por conducción y convección desde éste hasta el fluido caloportador, siendo necesario por tanto que la temperatura exterior del tubo absorbedor que lo contiene sea mayor que el fluido caloportador para que la transferencia térmica se produzca, éste 30 mismo proceso físico, implica necesariamente unas pérdidas térmicas mayores (por radiación y convección) del recipiente o tubo absorbedor que contiene el fluido y finalmente del sistema total.
El dispositivo puede comprender opcionalmente una segunda superficie transparente a la radiación solar y que confina, al menos parcialmente, a dicha primera superficie definiéndose entre ambas primera y segunda superficie una cámara, 35 que puede ser atravesada por la radiación solar incidente. En esta realización la radiación solar incidente primero atraviesa la segunda superficie, después la cámara y a continuación la primera superficie para incidir finalmente sobre el fluido caloportador.
Esta segunda superficie puede ser de vidrio, preferentemente un vidrio con alta transmisividad, preferentemente mayor 40 de 0.85.
La segunda superficie puede comprender un recubrimiento transparente a la radiación solar (preferentemente con una transmisividad mayor de 0.85) y de baja emisividad, por ejemplo inferior a 0.4.
45
Se contempla la posibilidad de realizar el vacío en la cámara para evitar las perdidas térmicas por convección. También se ha previsto la posibilidad de llenar esta cámara con un material transparente de baja conductividad térmica como por ejemplo gas argón, gas xenón o con un material plástico transparente de baja conductividad que rellene total o parcialmente la cámara y evite la convección.
50
En una realización de la invención la primera superficie es una superficie plana. El dispositivo captador puede conformar un recinto de geometría cerrada perimetralmente con una configuración prismática, por ejemplo un prisma de sección rectangular o similar, de forma que el fluido caloportador discurre por el interior del prisma de material transparente. De forma opcional los medios absorbedores pueden estar adosados o conformar la superficie trasera (la más alejada de la radiación solar) del captador solar. 55
En otra realización la primera superficie presenta una configuración cilíndrica. Normalmente la segunda superficie tendrá una configuración similar a la de la primera superficie, es decir plana o cilíndrica, según sea la primera superficie. En este último caso la segunda superficie es exterior, es decir la primera superficie está contenida dentro de la segunda superficie, sin contacto entre ambas, de forma que el fluido circula por el interior de la primera superficie y existe un 60 espacio intermedio definido por el volumen de la segunda superficie menos el volumen de la primera superficie.
El dispositivo colector solar de la invención puede comprender medios de concentración de la radiación solar incidente.
El dispositivo captador de la invención podría tener diversas aplicaciones como por ejemplo: 65
- Colectores solares de placa plana para agua caliente sanitaria. La fabricación integral del colector en vidrio podría ser potencialmente más barata.
- Integrado en fachadas acristaladas o como ventana de edificios. En este caso la primera superficie y una tercera superficie (interna del edificio) serian transparentes. En función de las condiciones de luz se podría regular la luminosidad de la habitación y conseguir agua caliente. Se podría hacer pasar un fluido tintado 5 (aumenta la ganancia solar) de forma que se obtendría una persiana líquida, muy útil por ejemplo en latitudes con mayor radiación. También podrían funcionar por convección natural. El sistema puede permitir la producción de agua caliente para distintos usos o regular la temperatura de la fachada para controlar las temperaturas del edificio. Otro modo de uso consistiría en vaciar el fluido caloportador y generar tiro natural con aire y echarlo al exterior. 10
- La configuración tubular o cilíndrica sería de interés en sistemas de baja temperatura pero también en sistemas con concentración (sistemas fresnel o cilindroparabólicos CCP).
Descripción de las figuras
15
Para complementar la descripción que se está realizando, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
20
La figura 1 muestra una representación esquemática de un captador solar según el estado de la técnica anterior.
La figura 2 muestra una representación esquemática del captador de la invención.
La figura 3 muestra una representación esquemática del captador de la invención, con una segunda superficie 25 transparente a la radiación.
La figura 4.- Muestra una vista esquemática de una primera realización del colector solar térmico objeto dela invención, observándose una primera superficie de forma prismática con el fluido caloportador circulando por su interior.
30
La figura 5.- Muestra una vista esquemática de una segunda realización del colector solar térmico objeto de la invención, observándose una primera superficie de forma prismática con el fluido caloportador circulando por su interior de acuerdo a la figura 4, y una segunda superficie también de configuración prismática.
La figura 6.- Muestra una vista esquemática de una tercera realización del colector solar térmico objeto de la invención, 35 observándose una primera superficie de forma cilíndrica con el fluido caloportador circulando por su interior; y una segunda superficie también cilíndrica y concéntrica con respecto a la primera y situada externamente respecto a dicha primera superficie.
Realización preferente de la invención 40
Tal y como se observa en la figura 2 el dispositivo captador solar comprende una primera superficie (1) transparente a la radiación solar (4) incidente, ya sea radiación solar (4) directamente incidente o radicación solar (4) concentrada y un fluido caloportador (3) confinado por dicha primera superficie (1). La primera superficie (1) comprende un recubrimiento (6), transparente a la radiación solar (4) y de baja emisividad maximizando la captación de la energía solar y 45 minimizando las pérdidas por radiación.
El fluido caloportador (3) puede comprender medios absorbedores (5) de la radiación solar (4) que están dispuestos dentro del fluido caloportador (3), bien sea disueltos en el fluido (elementos dopantes o tintes) o inmersos dentro del fluido (mallas o aletas), tal y como se observa en la figura 2. 50
Tal y como se ha representado esquemáticamente en la figura 2 la radiación atraviesa la superficie (1) para incidir directamente sobre el fluido caloportador (3), frente a lo que ocurre en el estado de la técnica anterior, ver figura 1, en el cual la radiación (4) incide y calienta un elemento absorbedor (7) y este a su vez calienta por radiación y convección (8) el fluido caloportador (3). 55
El dispositivo mostrado en la figura 3 comprende también una segunda superficie (2) que confina al menos parcialmente a dicha primera superficie (1) definiendo una cámara (12) entre ambas primera y segunda superficie, estando dicha segunda superficie (2) configurada para ser atravesada por la radiación solar (4) hacia el fluido caloportador (3) a través de la primera superficie (1). 60
En la figura 4 se ha representado una realización (correspondiente a la figura 2) en la cual la primera superficie (1) configura en un recinto de geometría cerrada perimetralmente y prismática.
En la Figura 5, puede observarse un diseño más complejo (correspondiente a la figura 3) donde el dispositivo captador 65 solar comprende una segunda superficie (2) también de geometría prismática.
En la figura 6 se ha representado una realización según la solución descrita en la figura 3, en la cual la primera superficie (1) se configura en un recinto de geometría cerrada perimetralmente y cilíndrica. De similar manera la segunda superficie (2) presenta una configuración cilíndrica que confina, al menos parcialmente, a dicha primera superficie (1) definiendo un espacio hueco (12) anular entre ambas primera y segunda superficie, estando dicha segunda superficie (2) configurada para ser atravesada por la radiación solar (4) hacia el fluido caloportador (3) a través 5 de la primera superficie (1).
En cuanto a distintos usos que se le pueda dar al dispositivo colector solar objeto de estudio, cabe destacar la posibilidad de que el fluido caloportador (3) sea aire exterior a un recinto, de forma que el aire entre por un primer hueco y sea expulsado por un segundo hueco situado en una zona de altura superior al primer hueco y mediante le fenómeno 10 conocido de tiro natural, de forma que el fluido caloportador (3) circula a través de la primera superficie (1) refrigerando la estancia de dicho recinto.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La 15 invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims (17)



  1. REIVINDICACIONES
    1.- Dispositivo captador solar térmico caracterizado por que comprende una primera superficie (1) transparente a una radiación solar (4) incidente que confina al menos parcialmente un fluido caloportador (3), comprendiendo la primera superficie (1) un recubrimiento (6), transparente a la citada radiación solar (4) de forma que el fluido caloportador (3) recibe directamente parte de la radiación solar (4) y porque el recubrimiento (6) tiene una emisividad inferior a 0.4. 5
  2. 2. Dispositivo captador solar térmico según reivindicación 1 caracterizado por que el fluido caloportador (3) puede absorber energía de la citada radiación solar (4) incidente.
  3. 3.- Dispositivo captador solar térmico según cualquiera de las reivindicaciones a 1 o 2 caracterizado por que el fluido 10 caloportador (3) tiene una absortividad mayor de 0.8.
  4. 4.- Dispositivo captador solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende medios absorbedores (5) de radiación solar (4) incidente que aumentan la energía absorbida por el fluido caloportador (3). 15
  5. 5.- Dispositivo captador solar, según la reivindicación 4, caracterizado por que los medios absorbedores (5) de radiación solar (4) comprenden elementos dopantes del fluido caloportador (3).
  6. 6.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por que elementos 20 dopantes comprenden una pluralidad de nanopartículas metálicas, carbonosas u óxidos metálicos.
  7. 7.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por que los medios absorbedores (5) de radiación solar (4) comprenden mallas o aletas configuradas para absorber radiación solar (4) que están al menos parcialmente inmersas en el fluido caloportador (3). 25
  8. 8.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la primera superficie (1) es una superficie de vidrio.
  9. 9.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera 30 superficie (1) tiene una conductividad térmica inferior a 3
    W/(
    K·
    m).
  10. 10.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una segunda superficie (2) transparente a la radiación solar (4) y que confina, al menos parcialmente, a dicha primera superficie (1) definiéndose entre ambas primera y segunda superficie una cámara (12), que puede ser atravesada por la 35 radiación solar (4) incidente.
  11. 11.- Dispositivo captador solar, según la reivindicación 10, caracterizado por que la segunda superficie (2) comprende un recubrimiento con emisividad inferior a 0.4.
    40
  12. 12.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones 10 o 11, caracterizado por que la segunda superficie (2) es una superficie de vidrio.
  13. 13.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la primera superficie (1) es una superficie plana. 45
  14. 14.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la primera superficie (1) presenta una configuración cilíndrica.
  15. 15.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado por que en la cámara 50 (12) se ha realizado el vacío.
  16. 16.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque la cámara (12) se rellena con un material transparente de baja conductividad térmica.
    55
  17. 17.- Dispositivo captador solar, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende medios de concentración de la radiación solar (4) incidente.
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