Estudio técnico económico comparativo de colectores de placa plana y colectores con tubos de vacío

Abstract

El presente proyecto compara técnica y económicamente la tecnología de los colectores de placa plana y de los colectores con tubos de vacío para instalaciones de energía térmica solar. Los captadores con tubos de vacío han sido ampliamente desarrollados en Norteamérica y Alemania, pero no están muy extendidos en España, en donde se están comenzando a utilizar para instalaciones de refrigeración. Primero se describe el fundamento teórico en que se basan las instalaciones de energía solar (captación terrestre de la radiación solar), la tecnología de colectores de placa plana y la de colectores con tubos de vacío, y a continuación se analizan las ventajas e inconvenientes de ambas. Los colectores con tubos de vacío presentan como ventajas frente a los colectores de placa plana las siguientes: • El vacío elimina las pérdidas de calor por conducción y convección, ya que ambas formas de transmisión de calor necesitan materia para propagarse • Reducción de las pérdidas por reflexión debido a su geometría, ya que el sol impacta sobre ellos siempre perpendicular a su superficie, tanto en verano como en invierno a lo largo de todo el día • Pueden colocarse con un ángulo de inclinación variable entre O y 90º. • Admiten un rango de temperaturas de trabajo superior al de los captadores de placa plana (10-130º C frente a 10-60º C), alcanzando así las temperaturas requeridas en instalaciones de calefacción y refrigeración (los colectores de placa plana solo alcanzan la temperatura requerida en instalaciones de agua caliente sanitaria) • El vacío contribuye también a disminuir la influencia de las condiciones climáticas (condensación, humedad, etc.) sobre los materiales de los captadores. • Reducción considerable del coste de reposición por rotura frente a los colectores de placa plana, al poderse reponer solamente el tubo dañado independientemente del resto de los tubos del colector. La inversión inicial es sin embargo, aproximadamente el doble en los colectores con tubos de vacío que en los colectores de placa plana. En cuanto al rendimiento, la siguiente gráfica es sumamente indicativa del mismo para ambos tipos de captadores. Para un valor alto de (tm-ta)/G (diferencia entre la temperatura media de la placa y la temperatura ambiente dividida por la irradiación solar), alrededor de 1, el rendimiento es bastante menor en colectores de placa plana que en colectores con tubos de vacío (50% frente a 75%). Para conseguir un rendimiento del 75% con colectores de placa plana es necesario disminuir (tm-ta)/G hasta un valor aproximado de 0,30, el cual puede alcanzarse aumentado G (irradiación solar) y/o disminuyendo la diferencia de temperaturas (tm-ta). El proyecto concluye con un estudio para A.C.S. de una vivienda unifamiliar en Ferrol con 5 habitantes, teniendo en cuenta sólo el precio de los colectores y no el del resto de la instalación. Del estudio se concluye lo siguiente: • La inversión inicial es aproximadamente el doble para captadores con tubos de vacío que para captadores de placa plana. Según los cálculos realizados, para ambos tipos de tecnología y para los modelos elegidos, se han de instalar 3 captadores en ambos casos (el área por captador de placa plana es mucho mayor que la de los captadores con tubos de vacío) • El rendimiento de los captadores con tubos de vacío supera en un 20% al de captadores de placa plana con las características mencionadas de la instalación. Es por ello que a lo largo de los 20 años estimados de vida útil para los colectores, se va a obtener un ahorro mayor en energía convencional, aproximadamente de 1000 € • La instalación de los colectores de placa plana se amortiza en 3 años, mientras que la de colectores con tubos de vacío se amortiza en 7 años. Se concluye a grandes rasgos que los captadores con tubos de vacío son más aconsejables en condiciones de clima desfavorables (baja irradiación solar y baja temperatura ambiente), y que en cualquier caso el ahorro energético puede ser importante a pesar de tener una inversión inicial mayor. Más concretamente, los captadores de placa plana son más indicados para instalaciones: • En zonas donde la temperatura media es suave (como en el Sur y Sur-Este de España donde el frío no suele ser extremo y hay un clima cálido) ya que son más económicos y cumplen con los objetivos deseados para la producción de agua caliente sanitaria. • En zonas próximas al ecuador donde la temperatura y la radiación tenderá a hacerse más uniforme a lo largo del año, siendo así el número de colectores más ajustado y cumpliendo perfectamente con la demanda a lo largo del año Por el contrario, los colectores con tubos de vacío son más indicados para instalaciones: • En las que se necesiten temperaturas de trabajo que giren en tomo a los 80º e (instalaciones de calefacción o refrigeración) • En zonas con condiciones meteorológicas más desfavorables: temperaturas bajas, vientos moderados o fuertes, con predominio de días nubosos y baja irradiación solar. • Cuando por algún motivo, sea necesario instalar los paneles con un azimut o inclinación muy desfavorables.

The objective of this project is to compare both technically and economically the technologies of the flat pi ate collector and the vacuum tu be collector for solar energy installations. The vacuum tube collectors have been used widely in North America and in Germany but are not in Spain although they are beginning to be utilized for refrigeration installations. After describing the theoretical phenomenon on which are based these solar energy installations (land based captioning of solar radiation) and the technologies of the flat plate collectors and the vacuum tube collectors, we will analyze the advantages and inconveniences of both. The vacuum tube collectors present advantages as compared to the flat plate collectors the following: • The vacuum between the tubes can eliminate the heat transfer by conduction and convection, so the fluid temperature will be higher than with flat plate collectors • The reflection is almost zero because of the tu bes geometry and beca use the sun impacts over them always ata perpendicular angle to its surface in winter as in summer and during the entire day • They can be placed at an angle that varíes in inclination from O to 90 degrees. • They have a range of working temperatures superior to the flat plate collectors (10-130 C as compared to 10-60 C), in this manner reaching the temperatures required in heating installations and air conditioning (the flat plate collectors only reach the temperatures required in installations for heating sanitary water). • The vacuum contributes also to lower the influence of climate conditions (condensation, humidity, etc.) over the materials ofthe collectors. • There is a considerable lowering of the cost ofreplacement for breakage as compared to the flat plate collectors by replacing only the damaged tube independent to the rest of the tu bes in the collector The initial investment is approximately twice as much for the vacuum tu be collectors as compared to the flat plate collectors. According to their output, the following graphic is very indicative of both types of collectors. For a high value of (tm-ta)/G (the difference between the median temperature of the panel and the ambient temperature divided by the solar irradiation), about 1, the output is a lot less in the flat panel collectors as compared to the vacuum tube collectors (50% as compared to 75%). To achieve an output of 75% with flat plate collectors it is necessary to decrease (tm-ta)/G to a value of approximately 0.30 that can be achieved increasing G (solar irradiation) and/or lowering the difference in temperatures (tm-ta). The project concludes with a study of heating sanitary water for a single family home in Ferro! with five inhabitants, only considering the price of the collectors and not of the rest ofthe installation. We conclude from the study the following: • The initial investment is approximately double for vacuum tube collectors as compared to flat plate collectors. According to the calculations that were done, for both types of technologies and for the models that were used, there has to be 3 collectors in both cases (the area for flat plate collectors is much bigger that for vacuum tube collectors). • The output of the vacuum tu be collectors is 20% superior to the flat plate collectors with the above-mentioned characteristics. There will be achieved major savings of conventional energy, approximately 1000€, over the 20 years, which is the estimated useful life of the collectors. • The installation of the flat plate collectors pays for itself in 3 years while the vacuum tu be collectors pay for itself in 7 years. In conclusion, the vacuum tube collectors are more advisable in disfavorable climate conditions (low solar irradiation and low ambient temperature), and that in either case the energy savings could be important even though the initial investment is higher. More concretely, the tlat plate collectors are more indicated for installations: • In areas where the median temperature is mild (like the south and south east of Spain where the cold is not usually extreme and there is warmer climate) because they are more economical and they comply with the desired objectives for the production of heating water for sanitary purposes. • In areas closer to the equator where the temperature and radiation tends to be more uniform through out Iength of the year, making the number of collectors smaller and complying with the demand during the entire year. On the contrary, the vacuum tube collectors are more indicated for installations: • In those where working temperatures need to be around 80 C (heating and cooling installations ). • In areas where the climate conditions are less favorable: low temperatures, moderate or strong winds, with a majority of cloudy days and low solar irradiation. • When for sorne reasons, it is necessary to install panels with less favorable azimuth or inclination.