Temperatura de estancamiento de un colector solar térmico

La temperatura de estancamiento de un colector solar térmico es la temperatura máxima que puede alcanzar el colector cuando recibe radiación solar pero no se extrae calor de él. Esto ocurre cuando la bomba del circuito primario está parada porque el depósito de acumulación ya está a su máxima temperatura y no existe un sistema de aerotermo que extraiga el calor. En estas condiciones, toda la energía solar absorbida provoca un aumento de la temperatura del colector hasta el momento en que las pérdidas de calor hacia el aire que le rodea se equilibran con la energía solar que recibe.

La temperatura de estancamiento depende, por una parte, de la intensidad de la radiación solar, y por otra, de la temperatura ambiente, el diseño y la calidad del aislamiento del colector. el tipo de cubierta (vidrio simple, doble, etc.) y de las propiedades ópticas del absorbedor.

En los colectores planos se alcanzan valores máximos de entre 150 y 220 °C, y en los colectores de tubos de vacío de 200 a 350 °C.

En el caso de un colector plano con una temperatura de estancamiento de 190 °C. En un día soleado de verano, si la bomba del primario deja de funcionar porque el depósito acumulador está lleno y no se consume agua caliente, la temperatura del absorbedor aumentará progresivamente hasta acercarse a esos 190 °C. A partir de ahí, las pérdidas de calor al aire compensarán la energía solar recibida y la temperatura se estabilizará alrededor de ese valor.

Conocer la temperatura de estancamiento es importante para poder determinar la resistencia térmica que deben tener los materiales del colector (juntas, aislamiento, pintura, vidrio). A su vez define la temperatura máxima que puede alcanzar el fluido caloportador, lo que influye en la selección de mezclas de agua y glicol. Es fundamental para diseñar sistemas de protección frente al sobrecalentamiento, como disipadores de calor.

Temperatura dentro del colector de vacío en condiciones normales

Supongamos que el agua en el depósito acumulador está a 50 grados centígrados. Si la bomba del primario está circulando normalmente y hay un buen intercambio del calor el fluido dentro del tubo en U del tubo de vacío puede estar a una temperatura entre 55 y 70 °C. La superficie del absorbedor (el tubo interior con el recubrimiento selectivo) puede estar unos grados más caliente, aproximadamente entre 60 y 80 °C. Si la radiación solar es muy intensa y la circulación del fluido es baja el absorbedor puede alcanzar una temperatura de entre 80 y 120 °C, aunque el depósito acumulador siga a 50 °C. El exceso de temperatura se debe a que el calor no se está evacuando con suficiente rapidez.

¿Por qué el tubo puede estar mucho más caliente que el depósito?

El vacío entre los dos tubos de vidrio actúa como un excelente aislante, reduciendo enormemente las pérdidas de calor. El absorbedor puede alcanzar temperaturas muy elevadas, mientras que el calor se transfiere al agua solo a través del heat pipe o del tubo de circulación. Por eso siempre existe una diferencia de temperatura entre el absorbedor y el agua del acumulador.

En el caso de un colector de vacío aislado

Si un colector solar de tubos de vacío está expuesto a pleno sol, sin conectar al circuito y sin agua ni glicol en su interior, entonces alcanza prácticamente su temperatura de estancamiento máxima, ya que no existe ningún medio para extraer el calor.

Los valores típicos en los de tubos de vacío con heat pipe son de entre 200 y 250 °C en el condensador del heat pipe y el absorbedor. Algunos modelos de alta eficiencia: pueden llegar a 280–300 °C bajo una irradiación de 1000 W/m² y una temperatura ambiente de unos 30 °C. La superficie exterior del vidrio suele estar mucho más fría (40–80 °C), porque el vacío impide que el calor llegue fácilmente al vidrio exterior. 

Aunque no haya líquido, el absorbedor pierde calor por radiación térmica hacia el vidrio y el ambiente, conducción a través de los soportes y una pequeña cantidad de conducción por el vacío residual. Llega un momento en que la energía solar absorbida es igual a las pérdidas, y la temperatura se estabiliza. Ese equilibrio es la temperatura de estancamiento. Si se toca un tubo de vacío recién expuesto al sol (aunque esté vacío), existe un riesgo de quemaduras, ya que el absorbedor interno está a varios cientos de grados.

Captador BAESOL B20 T21

La temperatura de estancamiento de este colector según indica la etiqueta del fabricante es de 176 ºC. En cambio el vidrio exterior suele permanecer mucho más frío, normalmente entre 50 y 90 °C, gracias al vacío entre ambos tubos. El colector o cabezal metálico también se calentará mucho, aunque generalmente por debajo de la temperatura de estancamiento del absorbedor.

Los tubos de vidrio y el absorbedor están diseñados para soportar esas temperaturas de estancamiento de 176 °C. Las juntas de silicona o EPDM que sellan la entrada de los tubos al cabezal no suelen estar a esa temperatura, porque el calor disminuye mucho antes de llegar al cabezal.

Si el captador permanece horas o días al sol sin fluido en el circuito, pueden aparecer problemas de envejecimiento acelerado de las juntas de goma. Si es posible, se ha de cubrir el colector con una lona opaca o cartón para reducir la radiación solar.