Instal·lació d'energia solar tèrmica

Planta d'energia solar
termoelèctrica

Sistemes solars per termosifó

Sistemes solars per termosifó

Els sistemes solars per termosifó són equips d'energia solar que presenten una circulació natural del fluid de treball. Aquesta circulació es basa en els corrents de convecció que es formen en els fluids a temperatures diferents.

El termosifó és el fenomen físic pel qual en un circuit hidràulic s'estableix una circulació convectiva causa de l'única diferència de densitat entre els volums de fluid a diferents temperatures. El principi del termosifó s'usa en alguns sistemes d'energia solar tèrmica, quan l'estructura de les canonades ho permet, és a dir, quan la ruta del refrigerant està en diversos nivells i no és massa llarga (com en la instal·lació presentada). El desplaçament del fluid de transferència de calor, entre el col·lector solar i el tanc d'aigua calenta, es realitza únicament per convecció

Si escalfem un dipòsit d'aigua per la part inferior, quan l'aigua del fons s'escalfa, perd densitat i puja cap a la superfície on es refreda. Llavors torna cap al fons del recipient i així es genera un corrent de circulació natural.

Aquest és el principi de funcionament d'un equip termosifó, en què serà imprescindible que:

  • El captador solar (focus de calor) estigui situat sempre a un nivell inferior al de l'acumulador.
  • El circuit primari de la instal·lació solar tèrmica sigui el més curt possible i amb un pendent contínua que faciliti la circulació natural.

Funcionament del sistema de termosifó

Sistema d'energia solar tèrmica per termosifóEl cicle d'un sistema de termosifó s'inicia en el moment en què la radiació solar incideix sobre el col·lector solar, amb valors superiors a 200 watts / m2. El fluid que es troba en els captadors solars augmenta de temperatura. A causa d'aquest augment de temperatura varia lleugerament la densitat del flux. Aquesta variació és suficient perquè el fluid circuli a través del circuit primaris fins l'acumulador. El fluid fred és més dens i tendeix a baixar, de la mateixa manera, el fluid calent tendeix a pujar. Un cop el fluid està a l'acumulador es realitza un intercanvi de calor mitjançant procés termodinàmic de convecció.

El funcionament al circuit primari d'aquest sistema d'energia renovable és per termosifó. La diferència de temperatura habitual a les boques del captador (T2-T1) sol ser de 5 a 15 graus Celsius, en funció del nivell d'insolació.

A mesura que s'escalfa, l'aigua de l'acumulador s'estratifica per temperatura, és a dir, la part alta és ocupada per aigua calenta i en la part baixa queda l'aigua més freda. En acumuladors verticals, aquest diferencial de temperatures pot arribar a ser de 15ºC. En acumuladors horitzontals, aquest diferencial baixa a 4-5 graus Celsius.

L'aigua acumulada a l'acumulador augmenta la seva energia tèrmica i ja està disponible per a ser usada com calefacció o aigua calenta sanitària principalment.

Termosifó horitzontal i termosifó vertical

A causa que el funcionament del sistema de termosifó depèn de l'estratificació de l'aigua en el tanc d'emmagatzematge, els tancs verticals són més efectius. També és preferible tenir l'escalfador auxiliar el més alt possible en el tanc d'emmagatzematge, per escalfar només la part superior del tanc amb energia auxiliar quan sigui necessari. Això és important per tres raons:

  • Millora l'estratificació.
  • Les pèrdues de calor del tanc augmenten linealment amb la temperatura d'emmagatzematge.
  • El col·lector solar funciona amb més eficiència a una temperatura d'entrada del col·lector més baixa.

No obstant això, per reduir l'alçada total de la unitat, s'utilitzen amb freqüència tancs horitzontals. El rendiment dels sistemes de termosifó de tanc horitzontal està influenciat per la conducció entre la zona auxiliar d'alta temperatura a la part superior del tanc i la zona solar i per la barreja dels punts d'injecció de flux.

El rendiment d'aquests sistemes es pot millorar utilitzant tancs solars i auxiliars separats o separant les zones auxiliars i de preescalfament amb un deflector aïllat. Un desavantatge dels dos sistemes de tancs o tancs segmentats és que l'entrada no pot escalfar la zona auxiliar fins que hi hagi una demanda.

Elements bàsics d'un sistema de termosifó

Els sistemes solars tèrmics per termosifó presenten una configuració molt simple amb pocs elements. Els elements més importants són el captador solar i l'acumulador. 

En aquests sistemes, la circulació de l'aigua que circula a través dels captadors solars no és forçada. Com que no és una circulació forçada convé que la pèrdua de càrrega sigui mínima, és a dir, que els tubs que formen la graella del captador, siguin del màxim diàmetre possible.

Pel que fa al nombre de col·lectors solars connectar, no es recomana connectar més de 10 m 2 de captadors. La raó de no connectar massa col·lectors solars és evitar la pèrdua de càrrega del circuit de captació i evitar una reducció considerable del rendiment de la instal·lació.

L'acumulador emprat en els equips amb funcionament per termosifó en circuit indirecte sol ser de tipus doble envoltant. Els acumuladors de doble envoltant presenten una superfície d'intercanvi termodinàmic més gran amb la mínima pèrdua de càrrega en el circuit.

La disposició del dipòsit acumulador facilitarà la circulació natural. En aquest cas, la millor configuració seria poder emprar acumuladors verticals per aprofitar l'estratificació de la temperatura. No obstant això, els condicionants d'integració estètica fan que la majoria dels equips incorporin acumuladors horitzontals.

Una altra qualitat a considerar és que les preses d'aigua dels components del circuit primari, siguin d'un diàmetre similar al de la canonada d'unió per tal d'evitar les pèrdues de càrrega que representen les reduccions de cabal.

És important també que l'entrada d'aigua freda estigui situada a la part inferior del tanc per tal d'evitar que aquesta refredi la zona d'aigua calenta quan es produeix l'entrada d'aigua nova.

Elements de seguretat d'un sistema solar per termosifó

Per protegir el circuit primari de sobrepressions és obligatori instal·lar una vàlvula de seguretat (VS) que no tingui cap element de seccionament o tall que aïlli hidràulicament de la instal·lació.

Aquest és l'únic element necessari de seguretat en les instal·lacions que treballin a pressió ambient. A les instal·lacions pressuritzades és imprescindible afegir un vas d'expansió (VE) i un manòmetre.

Per les característiques específiques d'aquestes instal·lacions, no resulta viable instal·lar elements actius de protecció contra baixes temperatures (gelades) o contra altes temperatures (sobreescalfaments).

valoración: 3 - votos 6

Referències

ICAEN - Institut Català d'Energia

Última revisió: 16 de setembre de 2019