Instalación de energía solar térmica

Planta de energia solar
Termoeléctrica

Sistemas solares por termosifón

Sistemas solares por termosifón

Los sistemas solares por termosifón son equipos de energía solar que presentan una circulación natural del fluido de trabajo. Esta circulación se basa en las corrientes de convección que se forman en los fluidos a temperaturas diferentes.

El termosifón es el fenómeno físico por el cual en un circuito hidráulico se establece una circulación convectiva debido a la única diferencia de densidad entre los volúmenes de fluido a diferentes temperaturas. El principio del termosifón se usa en algunos sistemas de energía solar térmica, cuando la estructura de las tuberías lo permite, es decir, cuando la ruta del refrigerante está en varios niveles y no es demasiado larga (como en la instalación presentada). El desplazamiento del fluido de transferencia de calor, entre el colector solar y el tanque de agua caliente, se realiza únicamente por convección

Si calentamos un depósito de agua por la parte inferior, cuando el agua del fondo se calienta, pierde densidad y sube hacia la superficie donde se enfría. Entonces vuelve hacia el fondo del recipiente y así se genera una corriente de circulación natural.

Este es el principio de funcionamiento de un equipo termosifón, en el que será imprescindible que:

Funcionamiento del sistema de termosifón

Sistema de energía solar térmica por termosifónEl ciclo de un sistema de termosifón se inicia en el momento en que la radiación solar incide sobre el colector solar, con valores superiores a 200 vatios/m2. El fluido que se encuentra en los captadores solares aumenta de temperatura. Debido a este aumento de temperatura varía ligeramente la densidad del flujo. Esta variación es suficiente para que el fluido circule a través del circuito primarios hasta el acumulador. El fluido frío es más denso y tiende a bajar, del mismo modo, el fluido caliente tiende a subir. Una vez el fluido está en el acumulador se realiza un intercambio de calor mediante proceso termodinámico de convección.

El funcionamiento en el circuito primario de este sistema de energía renovable es por termosifón. La diferencia de temperatura habitual a las bocas del captador (T2-T1) suele ser de 5 a 15 grados Celsius, en función del nivel de insolación.

A medida que se calienta, el agua del acumulador se estratifica por temperatura, es decir, la parte alta es ocupada por agua caliente y en la parte baja queda el agua más fría. En acumuladores verticales, este diferencial de temperaturas puede llegar a ser de 15ºC. En acumuladores horizontales, este diferencial baja a sólo 4-5 grados Celsius.

El agua acumulada en el acumulador aumenta su energía térmica y ya está disponible para ser usada como calefacción o agua caliente sanitaria principalmente.

Termosifón horizontal y termosifón vertical

Debido a que el funcionamiento del sistema de termosifón depende de la estratificación del agua en el tanque de almacenamiento, los tanques verticales son más efectivos. También es preferible tener el calentador auxiliar lo más alto posible en el tanque de almacenamiento, para calentar solo la parte superior del tanque con energía auxiliar cuando sea necesario. Esto es importante por tres razones:

Sin embargo, para reducir la altura total de la unidad, se utilizan con frecuencia tanques horizontales. El rendimiento de los sistemas de termosifón de tanque horizontal está influenciado por la conducción entre la zona auxiliar de alta temperatura en la parte superior del tanque y la zona solar y por la mezcla de los puntos de inyección de flujo.

El rendimiento de estos sistemas se puede mejorar utilizando tanques solares y auxiliares separados o separando las zonas auxiliares y de precalentamiento con un deflector aislado. Una desventaja de los dos sistemas de tanques o tanques segmentados es que la entrada no puede calentar la zona auxiliar hasta que haya una demanda.

Elementos básicos de un sistema de termosifón

Los sistemas solares térmicos por termosifón presentan una configuración muy simple con pocos elementos. Los elementos más importantes son el captador solar y el acumulador. 

En estos sistemas, la circulación del agua que circula a través de los captadores solares no es forzada. Al no ser una circulación forzada conviene que la pérdida de carga sea mínima, es decir, que los tubos que forman la parrilla del captador, sean del máximo diámetro posible.

En cuanto al número de colectores solares conectar, no se recomienda conectar más de 10 m2 de captadores. La razón de no conectar demasiados colectores solares es evitar la pérdida de carga del circuito de captación y evitar una reducción considerable del rendimiento de la instalación.

El acumulador empleado en los equipos con funcionamiento por termosifón en circuito indirecto suele ser de tipo doble envolvente. Los acumuladores de doble envolvente presentan una superficie de intercambio termodinámico más grande con la mínima pérdida de carga en el circuito.

La disposición del depósito acumulador facilitará la circulación natural. En este caso, la mejor configuración sería poder emplear acumuladores verticales para aprovechar la estratificación de la temperatura. Sin embargo, los condicionantes de integración estética hacen que la mayoría de los equipos incorporen acumuladores horizontales.

Otra cualidad a considerar es que las tomas de agua de los componentes del circuito primario, sean de un diámetro similar al de la tubería de unión con el fin de evitar las pérdidas de carga que representan las reducciones de caudal.

Es importante también que la entrada de agua fría esté situada en la parte inferior del tanque con el fin de evitar que esta enfríe la zona de agua caliente cuando se produce la entrada de agua nueva.

Elementos de seguridad de un sistema solar por termosifón

Para proteger el circuito primario de sobrepresiones es obligatorio instalar una válvula de seguridad (VS) que no tenga ningún elemento de seccionamiento o corte que aísle hidráulicamente de la instalación.

Este es el único elemento necesario de seguridad en las instalaciones que trabajen a presión ambiente. En las instalaciones presurizadas es imprescindible añadir un vaso de expansión (VE) y un manómetro.

Por las características específicas de estas instalaciones, no resulta viable instalar elementos activos de protección contra bajas temperaturas (heladas) o contra altas temperaturas (sobrecalentamientos).

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Referencias

Última revisión: 16 de septiembre de 2019