Colector solar de vacío: principio de funcionamiento + cómo montarlo uno mismo

Se gastan considerables recursos en el suministro de agua caliente y la calefacción de los espacios. Pero existe una fuente de energía alternativa: el colector solar de vacío. ¿Ha oído hablar de él? Permite reducir significativamente los costes financieros de mantener el confort, proporcionando el máximo efecto de calentamiento con mínimas pérdidas de calor.

Este dispositivo se puede comprar a fabricantes de equipos domésticos o montar usted mismo en casa. Para elegir el modelo adecuado, tendrá que estudiar bastante información. Le ayudaremos a decidir los principales criterios de compra.

En el artículo se hablará sobre el principio de funcionamiento y la estructura del colector de vacío. Le contaremos las características de diseño de varios modelos, examinaremos los pros y los contras de estas instalaciones. Además, describiremos en detalle cómo fabricar e instalar un colector solar de vacío por su cuenta.

El material se acompaña de vídeos, de los cuales podrá conocer las características importantes y los principios de funcionamiento de los colectores de vacío.

Principio de funcionamiento de la unidad de vacío

A diferencia de los sistemas solares comunes, el colector solar de vacío se distingue por la forma de procesar la energía solar. El panel clásico simplemente recibe la luz y la convierte en electricidad. El colector, en cambio, está compuesto por tubos de vidrio con vacío creado en su interior. Se unen en un solo sistema mediante nodos de conexión especiales.

Dentro de cada tubo hay un canal de una o dos varillas de cobre con un fluido caloportador. Al captar los rayos solares, el elemento activo calienta el material del fluido caloportador, asegurando así el funcionamiento del colector.

Gracias a esta estructura, el nivel de rendimiento energético aumenta significativamente y las pérdidas de calor se reducen sustancialmente, ya que la capa de vacío permite conservar aproximadamente el 95% de la energía solar captada.

El colector solar de vacío, ubicado en el techo de una casa particular, proporcionará agua caliente a los residentes durante todo el año y, en la temporada de frío, permitirá calentar cómodamente el espacio sin incurrir en grandes gastos financieros.

Además, se reduce la dependencia del rendimiento del colector de la estacionalidad, la temperatura ambiente y diversas condiciones climáticas, como ráfagas de viento, nubosidad variable, precipitaciones, etc.

¿Cómo está estructurado el colector de vacío?

Los modernos dispositivos de vacío que proporcionan calor y agua caliente a los espacios mediante energía solar difieren tecnológicamente.

Los colectores se clasifican en los siguientes tipos:

• tubular sin cubierta protectora de vidrio;
• módulo de conversión reducida;
• variante plana estándar;
• dispositivo con aislamiento térmico transparente;
• unidad de aire;
• colector de vacío plano.

El colector solar de vacío es capaz de proporcionar agua caliente y calefacción en cualquier época del año y en cualquier clima (+)

Todos ellos tienen una similitud estructural común, ya que constan de:

• tubo exterior transparente del cual se ha extraído completamente el aire;
• tubo de calentamiento ubicado dentro del tubo grande, por donde circula el fluido caloportador líquido o gaseoso;
• uno o dos distribuidores colectores a los que se conectan los tubos de mayor calibre y por donde entra el circuito de circulación de los tubos delgados ubicados en el interior.

En su conjunto, la estructura recuerda a un termo con paredes transparentes, en el que se mantiene un nivel de aislamiento térmico sin precedentes. Gracias a esta característica, el cuerpo del tubo interior adquiere la capacidad de calentarse de manera eficiente y ceder plenamente el recurso energético al fluido caloportador que circula en su interior.

Particularidades de construcción y clasificación

Los colectores de tipo vacío se clasifican según el tipo de tubos de vidrio instalados en la estructura, o según las características de los conductos térmicos. Los tubos suelen ser coaxiales y de pluma, y los conductos térmicos son de tipo U de flujo directo y de tipo heat pipe.               .

Descripción de los tubos coaxiales

Los tubos coaxiales consisten en un doble matraz de vidrio tipo termo con un espacio de vacío creado artificialmente entre las paredes. La superficie interior del tubo tiene una capa de revestimiento especial absorbente de calor, por lo que la transferencia real de calor se produce directamente desde las paredes del matraz de vidrio.

Los tubos coaxiales se fabrican con vidrio de alta resistencia a base de borosilicatos, con una alta capacidad de transmisión de luz. Los elementos, según el fabricante, tienen hasta tres capas de recubrimiento por magnetrón, muestran una excelente resistencia y capacidad para soportar diversas condiciones atmosféricas (lluvia, granizo, etc.), soportan una presión de 1 Mpa y funcionan de manera confiable durante 15 años.

Como elemento absorbente, se suelda un tubo de cobre que contiene una composición de éter dentro del tubo de vidrio. Durante el calentamiento, se evapora, transfiere eficazmente su calor, se condensa y fluye hacia la parte inferior del tubo. Luego, el ciclo se repite, creando así un proceso continuo de intercambio de calor.

Características de los tubos de pluma

Los tubos de pluma de vacío tienen un mayor grosor de pared que los coaxiales y consisten en un solo matraz, no en dos. El elemento absorbente interno de cobre está equipado en toda su longitud con un reforzador resistente – una placa corrugada con un recubrimiento de alta absorción de energía.

Gracias a esta característica estructural, el vacío se ubica directamente en el canal térmico, parte del cual, junto con el absorbente, se integra directamente en el matraz.

El tubo de vacío de pluma contiene en su interior una placa que por su forma recuerda a una pluma. En términos de eficiencia, supera las capacidades de su análogo coaxial, pero tiene un costo significativamente más alto y es difícil de reemplazar en caso de daño a la integridad del matraz o falla del elemento calefactor.

Los colectores fabricados con tubos de vacío de pluma se consideran los más eficientes en su clase, cumplen excelentemente con las tareas asignadas y funcionan de manera confiable durante muchos años.

Principio de funcionamiento del canal térmico heat pipe

Los canales térmicos heat pipe consisten en tubos cerrados que contienen un compuesto líquido que se evapora fácilmente. Bajo la acción de los rayos solares, se calienta, pasa a la parte superior del canal y se concentra allí en un colector térmico especial (manifold).

En ese momento, el fluido de trabajo cede todo el calor acumulado y vuelve a descender para reanudar el proceso.

El manguito del intercambiador de calor heat-pipe se conecta al intercambiador de calor del manifold mediante un enchufe especial soldado al intercambiador de calor de 1 tubo, o bien es rodeado por un intercambiador de calor de 2 tubos.

El elemento de trabajo del canal térmico heat pipe se fabrica de cobre, en casos más raros, de aluminio. Muestra una alta resistencia a las cargas operativas, funciona de manera confiable durante 15 años, tiene un costo razonable y es uno de los elementos más populares de los sistemas solares de vacío de tipo tubular modernos.

El fluido caloportador extrae la energía acumulada del depósito térmico y la transporta a lo largo del sistema, asegurando así la disponibilidad de agua caliente en los grifos y radiadores de calefacción. El sistema heat pipe se monta fácilmente y demuestra una alta eficiencia en funcionamiento.

Los colectores equipados con tubos de vacío heat pipe se caracterizan por un buen nivel de fiabilidad y son adecuados para su uso no solo en el hogar, sino también en sistemas solares térmicos de alta presión.

En caso de avería o fallo, existe la posibilidad de reemplazar el componente dañado por uno nuevo sin ninguna dificultad, sin tener que reconstruir todo el sistema.

Los trabajos de reparación se pueden realizar fácilmente en el lugar donde se encuentra el colector, sin desmontar el equipo y sin realizar esfuerzos innecesarios.

Descripción del intercambiador de calor de flujo directo en forma de U

El tubo del intercambiador de calor de flujo directo tiene forma de letra U. En su interior circula agua o el fluido caloportador del sistema de calefacción. Una parte del elemento está destinada al fluido frío, y la otra desvía correctamente el ya calentado.

Al calentarse, el compuesto activo se expande y pasa al tanque de almacenamiento, creando así una circulación natural del líquido en el sistema. Un revestimiento selectivo especial, aplicado a las paredes internas, aumenta la capacidad de absorción de calor y mejora la eficiencia general del sistema.

En comparación con los tubos de tipo heat-pipe, los productos en forma de U tienen una mayor resistencia hidráulica, imponen mayores requisitos al fluido caloportador y son considerablemente más caros. Los colectores que funcionan con tubos en U de flujo directo no pueden trabajar a alta presión y solo proporcionan una transferencia de calor de calidad durante la temporada cálida.

Los tubos en forma de U demuestran un alto rendimiento y proporcionan una sólida transferencia de calor, pero tienen un inconveniente importante. Constituyen una única estructura integral con el manifold y siempre se montan junto con él.

No es posible reemplazar un tubo individual que haya fallado. Para la reparación, será necesario desmontar todo el conjunto por completo y colocar uno nuevo en su lugar.

Comparación de las diferentes modificaciones

En la fabricación de dispositivos solares, los conductos térmicos y los tubos de vidrio al vacío para colectores solares se combinan en las más variadas configuraciones.

Los modelos coaxiales con conducto térmico heat pipe son los más populares entre los consumidores. A los compradores les atrae el precio asequible de los dispositivos y un mantenimiento muy sencillo y accesible durante toda la vida útil.

El colector solar de vacío con conducto de trabajo heat pipe se repara fácilmente. La sustitución de los tubos dañados se realiza en el lugar y no implica desmontar el sistema ni trasladarlo a otro lugar. Sin embargo, el intercambio de calor en estos modelos es complejo, por lo que la eficiencia de salida no supera el 65%.

Los dispositivos de vacío con conductos heat pipe demuestran una alta fiabilidad y no tienen restricciones de uso incluso en sistemas solares térmicos de alta presión.

Los dispositivos con ampolla coaxial que contienen conductos rectos en forma de U también están en la lista de los más demandados. Se caracterizan por parámetros como baja pérdida de calor y una eficiencia del 70% o más.

Para un funcionamiento correcto, el dispositivo de vacío con conducto en forma de U debe instalarse adecuadamente. Es recomendable que el ángulo de inclinación mínimo sea de al menos 20°. Solo así se podrá garantizar el máximo rendimiento.

La situación se ve algo perjudicada por: el complicado proceso de reparación, el mantenimiento específico durante la operación y la imposibilidad de reemplazar un componente dañado individual. Si ocurre algo con el dispositivo, se desmonta y se coloca un colector completamente nuevo en su lugar.

Los tubos de pluma estructuralmente consisten en un único cilindro de vidrio con paredes gruesas y resistentes (según el fabricante, de 2,5 mm o más). La inserción interna de absorbedor de pluma se ajusta firmemente al conducto de trabajo, fabricado de metal conductor de calor.

El espacio de vacío dentro de la ampolla de vidrio crea un aislamiento casi perfecto. El absorbedor transmite el calor absorbido sin pérdidas y proporciona al sistema una eficiencia de hasta el 77%.

En caso de avería, los colectores equipados con tubos de calor pueden repararse. No es necesario cambiar todo el sistema, basta con localizar el módulo dañado, desmontarlo y colocar uno nuevo en su lugar.

Los modelos con elemento de calor son algo más caros que los coaxiales, pero gracias a su alta eficiencia proporcionan un confort total en la estancia y se amortizan rápidamente.

Las más eficaces y productivas son las ampollas de calor con canales de flujo directo internos. Su rendimiento real a veces alcanza cifras récord del 80%.

Al montar los tubos de calor en el marco, se coloca una tuerca de engaste resistente con anillo y junta termorresistente en el vástago de cada pieza. Esto garantiza la estanqueidad de todo el conjunto y permite que el colector funcione correctamente en cualquier condición.

El precio de los productos es bastante elevado, y al realizar reparaciones es necesario drenar todo el fluido térmico del sistema para luego proceder a solucionar los problemas.

¿Cómo debe ser el colector térmico?

El recolector de calor es otro elemento de trabajo muy importante del colector de vacío. A través de este componente se realiza la transferencia del calor acumulado desde los tubos hasta el fluido térmico.

El recolector de calor se coloca en la parte superior del dispositivo. Uno de sus componentes, el núcleo de cobre, recibe la energía y la transmite al fluido térmico principal, que circula en el sistema cerrado «intercambiador de calor del tanque-colector».

El funcionamiento correcto está garantizado por la bomba de circulación conectada al sistema. El sistema automático que controla el complejo de calefacción supervisa estrictamente el nivel de temperatura en los canales y, en caso de que descienda por debajo del mínimo crítico permitido (por ejemplo, durante la noche), detiene el funcionamiento de la bomba.

Esto evita el calentamiento inverso, cuando el fluido térmico comienza a tomar calor del agua caliente acumulada en el tanque de almacenamiento.

Ventajas e inconvenientes de los colectores de tipo vacío

La principal ventaja de los equipos es su prácticamente nula pérdida de calor durante el funcionamiento. Esto lo proporciona el entorno de vacío, que es uno de los aislantes naturales más eficaces. Pero la lista de ventajas no termina ahí.

Los dispositivos tienen otras ventajas claramente marcadas:

• eficiencia de funcionamiento a bajas temperaturas (hasta -30°C);
• capacidad de acumular temperatura hasta 300°C;
• máxima absorción posible de energía térmica, incluido el espectro invisible;
• estabilidad operativa;
• baja susceptibilidad a las inclemencias atmosféricas agresivas;
• baja resistencia al viento, debido a las características estructurales de los sistemas tubulares, capaces de dejar pasar masas de aire de diferente densidad;
• alto nivel de eficiencia en regiones de clima templado y fresco con pocos días despejados y soleados;
• durabilidad si se siguen las reglas básicas de funcionamiento;
• facilidad de reparación y posibilidad de reemplazar no todo el sistema, sino solo un fragmento defectuoso.

Entre las desventajas se incluyen la incapacidad de los colectores para autolimpiarse de escarcha, hielo, nieve y el alto precio de las piezas necesarias para montar el equipo en casa.

El colector solar es un dispositivo eficaz que permite convertir la energía solar en energía térmica prácticamente sin pérdidas.

Montaje de la unidad por sí mismo

El proceso de montaje del colector de vacío comienza con la fabricación de un bastidor base para los elementos de trabajo. Se instala directamente en el lugar designado para el equipo.

El tamaño y las dimensiones del bastidor dependen completamente del modelo que se planea construir y, por lo general, se especifican en las instrucciones que se encuentran entre los documentos adjuntos a los componentes.

El bastidor terminado se fija en el tejado de modo que ocupe una posición firme y no se tambalee. Si el tejado es de pizarra, se utiliza una viga de listón y tornillos gruesos de gran calibre. Para otros materiales de cubierta se emplean anclajes comunes.

Los puntos de contacto del bastidor con la superficie del tejado se fijan adicionalmente con sellador para evitar que en el futuro entre agua en la casa a través de los orificios. Luego, se lleva el tanque de almacenamiento al lugar de instalación y se fija con tornillos en la parte superior del bastidor.

En la siguiente etapa, se ensamblan el elemento calefactor, el sensor de temperatura y el purgador de aire automatizado. Todos los componentes auxiliares y piezas relacionadas se colocan sobre las juntas de amortiguación incluidas. Para fijar el sensor de temperatura se utiliza una llave de vaso.

A continuación, se instala la conexión de las tuberías de agua. Para ello se utilizan tuberías de cualquier material resistente a bajas temperaturas y capaz de soportar hasta 95°C. Han demostrado un buen rendimiento las tuberías y accesorios de polipropileno.

Las tuberías de polipropileno son ideales para conectar el colector solar al sistema de agua de una vivienda. Los accesorios presentan buenas propiedades físicas y resistencia operativa, funcionan de manera confiable durante muchos años y se reemplazan fácilmente en caso de grietas o desgarros.

Tras conectar la tubería de agua, se llena el depósito de acumulación y se prueba su estanqueidad. Si en un plazo de 3 a 4 horas se detectan fugas en algún lugar, se reparan.

Al final, se instalan los elementos calefactores. Para ello, se envuelve un tubo de cobre con una lámina de aluminio y se coloca dentro de un tubo de vidrio al vacío. En la parte inferior del matraz se coloca una copa de fijación y un guardapolvo de goma resistente y flexible.

El extremo superior de cobre del tubo se inserta hasta el tope en el condensador de latón. No se retira la grasa viscosa de contacto térmico de los tubos. Se enclava el mecanismo de fijación en el soporte y, siguiendo el mismo principio, se montan todos los tubos de vidrio restantes.

Los colectores solares tubulares requieren un mantenimiento regular y una limpieza obligatoria, especialmente durante los períodos de fuertes nevadas. Si se siguen estas sencillas reglas, funcionarán durante mucho tiempo y mantendrán un alto nivel de eficiencia durante toda su vida útil.

Se coloca un bloque de montaje en la estructura, se le suministra alimentación eléctrica de 220 voltios y se conectan al sistema tres bloques auxiliares: el calentador, el purgador de aire y el sensor de temperatura.

Por último, se conecta el controlador, diseñado para gestionar correctamente el conjunto. En el menú del controlador se introducen los parámetros de funcionamiento deseados y se pone en marcha el sistema en modo estándar.

La instrucción paso a paso para la construcción del colector solar se encuentra en este artículo.

¿Cómo colocar correctamente el aparato?

Para que un colector de vacío funcione correctamente y suministre de manera eficiente la energía necesaria a una vivienda, es necesario encontrar la ubicación más adecuada y orientar correctamente el dispositivo con respecto a los puntos cardinales.

Los colectores solares de tipo vacío son mucho más prácticos que sus análogos planos. Cuando uno de los tubos de trabajo se daña y falla, es muy fácil reemplazarlo por uno nuevo. Después de eso, el sistema continúa funcionando en el mismo modo. Si no es posible colocar inmediatamente un elemento nuevo en lugar del dañado, no importa. La unidad podrá cumplir con sus «funciones», incluso si tiene un conjunto con un elemento dañado.

Para las localidades del hemisferio norte, es recomendable ubicar el colector en la parte sur del tejado de la casa o en el lado soleado del terreno. Es deseable que el plano del dispositivo tenga la mínima desviación.

Si no es posible orientar la superficie hacia el sur, se debe elegir entre el oeste y el este el ángulo más luminoso en un espacio abierto.

La alta eficiencia de trabajo del colector de tipo vacío también se debe a que actúa según el principio de un espejo y ajusta su potencia térmica según la altura actual del sol.

El complejo solar energético no debe ser obstruido por chimeneas, fragmentos decorativos del revestimiento del tejado, ramas extendidas de árboles y edificios residenciales o técnicos altos. Esto reducirá la eficiencia de trabajo y disminuirá el nivel de calentamiento de los elementos activos.

Si el equipo está ubicado correctamente, proporcionará una transferencia de calor casi igual durante todo el año, independientemente de la temporada.

Si no se tiene una gran experiencia en la realización de trabajos complejos de reparación, montaje y fontanería, no es racional realizar el vacío de los tubos en casa. Este proceso es muy laborioso y requiere conocimientos especializados y equipo profesional.

Además, los elementos de tipo vacío hechos por uno mismo tienen un nivel de eficiencia mucho más bajo que las piezas de fábrica. Por lo tanto, lo más razonable es adquirir el producto de un fabricante especializado y luego, en casa, intentar ensamblar algunas secciones.

En el sitio web hay una selección de artículos sobre la instalación de un sistema de calefacción solar, le recomendamos que los consulte:

1. Sistemas solares de calefacción: análisis de tecnologías para la instalación de calefacción basada en sistemas solares térmicos
2. Calefacción de una vivienda unifamiliar con paneles solares: esquemas y diseño
3. Paneles solares flexibles: tipos, características + particularidades de conexión

Conclusiones y video útil sobre el tema

Descripción detallada y minuciosa del tubo de vacío, su principio de funcionamiento y las particularidades del funcionamiento del colector solar en general. El autor habla de algunos matices interesantes y muestra que la instalación puede convertirse en una alternativa real a la caldera de gas.

Información interesante sobre el funcionamiento del colector solar en el período invernal.

Cómo instalar correctamente un colector solar de vacío con sus propias manos en casa. Todos los matices del proceso, recomendaciones y consejos útiles.

Conociendo el principio básico de funcionamiento del colector solar de vacío tubular, se puede ensamblar el equipo personalmente. La instalación se adaptará completamente a sus requisitos y necesidades individuales.

No es una tarea demasiado difícil, sin embargo requiere mayor atención, minuciosidad y ciertas habilidades, de lo contrario el riesgo de dañar la integridad del bulbo y comprometer su hermeticidad aumenta significativamente.

A todos los interesados en la selección, instalación o montaje propio del colector solar, les invitamos a dejar comentarios y hacer preguntas. El formulario de contacto se encuentra en el bloque inferior.