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WO2010071394A1 - Colector solar plástico para fluidos - Google Patents

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WO2010071394A1
WO2010071394A1 PCT/MX2009/000135 MX2009000135W WO2010071394A1 WO 2010071394 A1 WO2010071394 A1 WO 2010071394A1 MX 2009000135 W MX2009000135 W MX 2009000135W WO 2010071394 A1 WO2010071394 A1 WO 2010071394A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
panel
wet
fluids
solar collector
heat
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/MX2009/000135
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English (en)
French (fr)
Inventor
José Luis MARTINEZ FERNANDEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2010071394A1 publication Critical patent/WO2010071394A1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/50—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates
    • F24S10/502—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates having conduits formed by paired plates and internal partition means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/50—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates
    • F24S10/501—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates having conduits of plastic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F24S80/52—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings characterised by the material
    • F24S80/525—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings characterised by the material made of plastics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the objective of the invention is to use solar energy, to heat water or fluids, in a simpler, light, economic and efficient way, facilitating its manufacture and installation, making this technology more accessible to the less favored population sectors.
  • the most important technical problems to solve when designing a solar collector system are: Define which exchanger system is going to be used, or in what way we will transfer the heat from the sun to the fluid, in the most efficient way possible, taking into account all the factors involved such as the daily solar path, the necessary flow that must circulate through the exchanger, the maximum temperatures to be achieved, the space available to place the systems.
  • the materials to use taking into account if cost, useful life, availability and efficiency. Solve in the most efficient way possible, heat losses, which can be generated by wind or rain or simply by the temperature differential between the system used and the ambient temperature. Give efficient solution to the joints between materials to avoid leaks of the fluid and to work with higher pressures, without causing leaks.
  • glass is a material with a good temperature conduction, and does not efficiently serve as a thermal barrier, which in this case is one of its functions and on the other hand its fragility, so that care must be taken in its manufacture and transport as well as in the place of installation, preventing them from being hit by objects that can break them, they are also used for manufacturing of solar collectors, metallic materials such as the coil itself, of copper or the fins attached to the tubes, which are made of materials that easily conduct heat through which they also easily lose it.
  • the present project was developed, because it was detected that existing systems could be perfected using common materials, easily accessible, making them lighter, facilitating transport, installation, improving efficiency and impact resistance, prolonging the useful life of the equipment.
  • a polycarbonate cellular plastic panel cover which fulfills the function of thermal insulation, since in addition to said material being a bad conductor of heat, it is made of two laminates joined by small perpendicular ribs , forming cells, which helps to retain the temperature inside the panel since the outer laminate is separated from the interior by the cells containing air, fulfilling the function of thermal barrier.
  • This cover panel, as well as the entire collector, must be sealed tightly, to avoid moisture ingress, which with condensation generates heat and, therefore, fogging of the transparent cover, this would prevent the efficient passage of solar radiation and affect The proper functioning of the equipment.
  • a cellular plastic panel is also being used as a heat exchanger, through which the fluid circulates, it carries the face towards the sun of black color and that is placed inside, of an aluminum frame, with thermal protection inside and inside a thermal panel in the rear part to avoid losses, the clear foam panel functions as thermal crowbar outward, separating the inside of the panel, between the two laminates' plastic, wherein the heating chamber is formed of wind currents or rain from outside.
  • the heating chamber is formed of wind currents or rain from outside.
  • the components used in the present invention are made of poly-carbonate or pet cellular laminated plastic due to the mechanical properties of these materials, such as for example the resistance to degradation and yellowing, important for the useful life of the collector and therefore They are low maintenance, also have high impact resistance.
  • many manufacturers use the glass, because of its transparency and resistance to yellowing, but due to their fragility, they use them tempered to increase their resistance, but this makes them expensive anyway, they are at latent risk of breaking since they are usually installed on roofs and roofs . .
  • Figure N 0 1.- exploded view of the collector where it is seen that it consists of:
  • Figure N 0 Detail of the coupling between the exchange panel and the fluid inlet and outlet tubes.
  • the present invention consists of a system for heating fluids using solar energy, based on a simple, efficient design, easy to manufacture as well as transport and install, made with common and economical materials, facilitating access to this technology, to sectors of The less favored population, thinking of satisfying the savings needs in the consumption of fuels used to heat the water that are increasing its price day by day.
  • This invention was designed primarily for domestic use, although it can also be used in industrial systems or for heating pools in sports clubs or private use, taking advantage of solar energy, which until now, is free.
  • This technology has had a relatively high cost, using the best known systems today such as vacuum glass tubes or copper tube coils, which are fragile and high-cost systems, far from the purchasing power of a large sector of the population of developing countries.
  • FIG 1 the exploded view of the collector formed by a first dry cover panel (1), separated from a second wet panel (2) that works is shown as an exchanger, with fluid inlet and outlet tubes. (6) and (7). Between the two plastic panels, although it is not visible in this figure, a heat chamber (3) is formed. On the rear part there is a panel of thermal material (4) to avoid loss of temperature, all these panels, framed by an aluminum channel (5) with thermal protection, assembling the solar collector in a single unit.
  • the dry cover panel (1) is made of transparent cellular plastic material, formed by a first dry sheet (1a) facing outwards, separated from a second dry sheet (1b) facing inwards, joined by dry ribs (1c) perpendicular, of ta! so that dry channels or dry cells (1d) of air are generated between said sheets, functioning as thermal insulator.
  • This dry panel is placed with the cells in a transverse position to structure in this direction and has the function of letting solar radiation pass to the black panel, where heat is generated, and preventing it from being lost by wind or rain.
  • This wet panel (2) is also made of cellular plastic material, and can be made of black or painted material, this is formed by a first wet sheet (2a) separated from a second wet sheet (2b) joined by wet ribs (2c ), in such a way that channels or wet cells (2d) are generated.
  • This wet panel is placed with the cells in longitudinal position and a fluid is circulated between the sheets (2a and 2b) and through the cells (2d), functioning as a heat exchanger, since the fluid circulating through its inside has a lower temperature, than that of the black panel exposed to the sun, so that the fluid circulating through them absorbs the temperature of the panel achieving a differential between the temperature of the fluid inlet and outlet.
  • the wet panel (2) is fed from the fluid by two tubes, one inlet (6) and one outlet (7) at the ends, placed transversely to the flow of the liquid through the wet cells, these tubes, can be of plastic or metallic material, each of said tubes is made a groove (6a, 7a) longitudinally in its central part with a length and thickness that coincides with that of the plastic panel so that it is inserted into the tube.
  • a seal (8) is formed, this can be made of different materials such as silicones, resins or glues, but considering that They must tolerate the working temperatures that can exceed 90 0 C.
  • the seal (8) is preferably made inside the inlet tubes (6) and the outlet tube (7), since the pressure generated by the fluid inside, keeps the seal (8) pressed against the wall internal of the tubes, against the joint groove and the material of the plastic panel, so that a better sealing is ensured; in the event that this seal (8) is placed on the outer side of the tube, the pressure generated by the fluid inside, would force the sealant material to detach from the surface of the tube or panel (2) more easily creating leaks of fluid
  • FIG 3 in assembly between said wet panel (2) and the outlet tube (7) It is exactly the same, but at the opposite end of the panel.
  • the wet panel (2) has a "V" shaped cut at its ends, these form bevels in the wet channels (2d) that
  • a heat chamber (3) is formed between the dry panel (1) and the second wet black panel (2).
  • the heat is generated, when the solar radiation affects, on the black surface of the wet panel, being trapped inside by the thermal barrier that forms the dry panel and the frame (5) having exit only by means of the fluid circulating inside the wet panel (2).
  • the solar radiation crosses the transparent transparent plastic panel (1) and affects the surface of the wet plastic panel (2) of black color where the heat that is trapped inside the chamber is generated of heat (3) since the plastic panel of the transparent cover, acts as a thermal barrier, preventing heat from escaping, giving it the main output of said heat, by means of the fluid that circulates inside the wet panel (2 ) by heating said fluid to temperatures that can exceed 90 ° c.
  • This wet panel (2) must be black, because it is the color that best transforms the energy of sunlight or solar radiation, into heat energy as it does not reflect it, it absorbs and retains it, generating a higher temperature than other colors, as can be seen with its extreme counterpart, the white color, these absorb light and reflect heat, therefore, they practically do not generate heat on its surface .
  • thermal plate (4) In the rear part of the collector carries a thermal plate (4).
  • This thermal plate, (4) can vary in its thickness because there are different materials that are more or less efficient, as well as different costs, but they all perform the function of thermal barrier, and it is placed to reduce temperature losses by
  • the rear part of the panel, by the part that faces the outside of this thermal plate, must be protected from the weather, being able to be with stainless steel sheet, galvanized or aluminum sheet, of some plastic panel or covering the surface exposed to Ia weathering with tarpaulin, simply for protection from degradation and damage caused by tears or bumps during storage, transport or installation.
  • the collector To assemble the collector, it is made with a four-sided aluminum frame in the form of a channel, to which a thermal protection layer is placed inside, where the transparent panel (1) is fixed and sealed in the upper part of the frame, in the central part of this, carries the wet black panel (2) and to the stringers holes are drilled from the aluminum frame so that the feed and outlet pipes (6 and 7) pass through, taking into account that the plastic material of the wet panel (2) has an important expansion and contraction with temperature changes On the one hand, the hole should be left elongated about 7 mm.
  • the collector is armed and closed forming a unit.
  • these collectors should be placed inclined with the front towards the path or daily path of the sun, taking into account that there are no objects such as constructions or trees that obstruct and generate shade on the collector (s) during the hours of solar incidence
  • the fluid must be fed through the tube (6) and the fluid outlet through the tube (7) on the opposite side of the feed, and with a slightly higher inclination towards the end of the outlet, this guarantees that the fluid, completely fill the wet channels (2d) and the inlet and outlet tubes (6 and 7) in this way, the fluid will be in contact on the entire surface of the cells (2d) and can efficiently absorb the heat generated in The wet panel plate (2a).
  • thermo-tanks can be installed with a thermo-tank in the upper part of the collector and by means of the principle of (THERMOSIFON) circulating the heated fluid inside the wet panel (2) towards the thermo-tank and taking the fluid at a lower temperature of the same, heating the fluid inside the thermo-tank without using any forced system as it would be with an electric pump, in this way the fluid heated during the hours of solar incidence, can be used during the hours where there is none, recovering temperature again when it exists again.
  • the thermo-tank can also be placed in any location, forcing the circulation of the fluid by means of a controlled electric pump with a thermostat device that orders the ignition to a determined temperature, as well as interrupt its operation when the temperature decreases, this system is also used for operation in swimming pools.
  • the present invention has elements that allow more effective use of solar incidence, this is achieved by the first panel (1) which is made of transparent cellular plastic material such as polycarbonate or pet, where the first dry sheet (1a) allows the passage of light through the first cells (1d), the second dry sheet (1b) and even the first dry ribs (1c), towards the exchanger panel (2), in which, at least its first wet sheet (2a) must be painted in matt black or preferably constructed entirely of material in black or matt black.
  • the dried ribs (1c) of the first panel (1) are inefficient heat conductors, since being of clear plastic material they do not absorb heat considerably, so the heat is retained in the sealed chamber (3) this increases the temperature of the second dry sheet (1b) of the first panel, but it is not sufficiently conducted or irradiated towards the first dry sheet (1a) of the same first panel (1), and the outside, so that temperature loss is largely avoided and a very good efficiency of this type of collector is achieved.
  • the main advantages of this design is its great efficiency, because although the plastic material does not have good thermal conductivity, it has a high rate of heat absorption, in this system, the total surface area of the panel, since each square centimeter of the panel (2) that is exposed to solar radiation, is in contact with the fluid inside and the thickness of the panel wall, for the exchange is only a fraction of a millimeter. Therefore, it is carried out in a homogeneous, fast and efficient way.
  • the finished collectors are easy to transport and their installation is simplified in high places, such as roofs and sloping slabs, in addition to being plastic panels, they resist without problem the hail blows, or small tree branches or stones and also allows to be easily manipulated during transport without risk of breaking.
  • the materials necessary for its manufacture are easy to obtain and assemble, these collectors can be interconnected in parallel or in series by means of union nuts or any known means and thus achieve large catchment surfaces for larger projects.
  • the useful life of these collectors can be greater than 10 years, since the plastic panel is guaranteed by the manufacturer, of course, that this depends on the type of fluid that circulates inside, which can be water and heat it directly or by means of a fluid, such as antifreeze, which if circulated through an exchanger, can heat the water, thus preventing possible damage due to blockage by tartar of the cells or rupture in case of frost and freezing.
  • a fluid such as antifreeze
  • This test indicates that the basic principle of the system, forming a heat chamber with a cellular plastic panel as a cover, a thermal panel as a backrest and a black plastic laminate inside, all framed by an aluminum profile in Channel form with thermal protection, it is a system where high temperatures can be achieved and can be used to heat fluids, with great efficiency, achieving a very simple system, easy to manufacture and with a cost well below existing systems.
  • This test was performed in the city of León Guanajuato Mexico at an ambient temperature of 30 ° c. With weak winds.

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Abstract

El invento consiste en un colector solar plano, que utiliza un panel de plástico celular de color negro como intercambiador de calor, un panel de plástico celular transparente como cubierta térmica protectora y un panel de material térmico en su parte posterior, todo esto contenido por un marco de canal de aluminio. Con este sistema, se logran equipos fáciles de fabricar, por la simplicidad de sus materiales. Por su ligereza, se simplifica su transporte y su instalación en zonas complicadas de techos y azoteas, también por usar materiales plásticos, son muy resistentes a los golpes de granizo, piedras o ramas, prolongando la vida útil del equipo, además de que estos equipos, tienen una gran eficiencia, logrando altas temperaturas en el fluido en poco tiempo, y tomando en cuenta, los relativos bajos costos de los materiales y de los procesos de fabricación, estos equipos se pueden comercializar a precios muy por debajo de los ya existentes, quedando al alcance económico de sectores más amplios de la población y disminuyendo considerablemente el consumo de otras fuentes de energía utilizadas para el calentamiento de agua, que cada vez tienen un costo más elevado, además de que dichas fuentes de energía, contribuyen al calentamiento global del planeta, emitiendo gases nocivos a la atmósfera durante su combustión.

Description

COLECTOR SOLAR PLÁSTICO PARA FLUIDOS
DESCRIPCIÓN:
OBJETO DE LA INVENCIÓN.
El objetivo de Ia invención, es el utilizar Ia energía solar, para calentar agua o fluidos, de manera más simple, ligera, económica y eficiente, facilitando su fabricación y su instalación, haciendo más accesible esta tecnología a los sectores de población menos favorecidos.
Según una investigación, se ha encontrado que algunos inventores, están utilizando sistemas similares, como el registrado en Moldavia Rusia por el Sr. Kovalenko Nikolae que tiene el registro N0. MD2802 con fecha del 2003 11 14 en donde utiliza un panel plástico, que forma canales interiores, por donde hace circular el agua, este panel plástico tiene una cara transparente y Ia otra de absorción de energía solar que permite su calentamiento por Io que el agua circula de un extremo al otro, aumentando su temperatura.
Otro sistema similar es el que utiliza el Sr. Helmstaedter Werner de Alemania, con registro N0. DE 20308205 U con fecha de 2003 05 22. Este es un sistema de lámina plástica o metálica estructurada para techos a Ia que se Ie fijan unos tubos y lleva un recubrimiento térmico por Ia parte inferior, de modo que dichos tubos se encuentran entre Ia lámina y el recubrimiento térmico, así que por los tubos se hace circular el fluido, que se calienta al pasar a través de estos, tomando el calor de Ia lámina expuesta al sol.
Otro sistema similar es el que utiliza el Sr. Jaques Bernier de Francia, con registro N0. FR 2699991 con fecha de 1992 12 28. Este es un panel con dos capas de lámina ondulada, soldadas o unidas formando unos tubos de forma ovalada, estas láminas pueden ser de metal o de material plástico, por debajo de los tubos lleva un material . ^
térmico y por encima lleva un panel transparente que cubre el colector; el agua se hace circular por el interior de los tubos, que con el panel expuesto al sol se calienta y Ie transfiere el calor al agua.
Otro más que encontramos es el que utiliza el Sr. Francois Savigny de Francia, con registro N0. FR 2689157 con fecha de 1992 03 31. Este es un panel plástico con celdas interiores por donde hace circular el fluido que se alimenta por los extremos, en estos paneles, se Ie deja Ia cara superior transparente y Ia inferior se pinta para captar Ia radiación solar este panel de plástico, se cubre con un cristal y se colocan en los techos de las casas para calentar el agua.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER.
Los problemas técnicos más importantes a resolver al diseñar un sistema de colector solar son: Definir que sistema de intercambiador se va a utilizar, o de que manera vamos a transferir el calor del sol al fluido, de Ia forma más eficiente posible, tomando en cuenta todos los factores involucrados como Ia trayectoria solar diaria, el flujo necesario que debe circular por el intercambiador, las temperaturas máximas a lograr, el espacio disponible para colocar los sistemas. Los materiales a utilizar, tomando en cuenta si costo, vida útil, disponibilidad y eficiencia. Solucionar de Ia manera más eficiente posible, las pérdidas de calor, que pueden ser generadas por el viento o Ia lluvia o simplemente por el diferencial de temperatura entre el sistema utilizado y Ia temperatura ambiente. Dar solución eficiente a las uniones entre materiales para evitar fugas del fluido y poder trabajar con presiones más altas, sin que se provoquen fugas.
En los sistemas que se investigaron nos encontramos con algunos detalles técnicos que no explican como se resolvieron, como en el invento del Sr. Helmstaedter Werner de Alemania, el proceso de fabricación para Ia fijación de los tubos en Ia parte posterior de las láminas puede ser complejo y pudiera tener fallas con el tiempo, pues estas uniones entre dos materiales diferentes, con Ia ,
contracción y dilatación de los cuerpos por los cambios de temperatura pueden provocar que se despeguen y estando en el
interior entre Ia lámina y el espumado, sería muy complicada su detección y su reparación.
En el sistema del Sr. Jaques Bernier de Francia, sería Ia unión entre las láminas onduladas, pues las presiones generadas en el interior pueden provocar que estas se despeguen originando que el fluido se acumule formando grandes bolsas en el interior, del mismo modo, que en el punto de unión donde se despegó de Ia otra lámina puede generar un orificio por donde se fugaría el fluido evitando así su correcto funcionamiento.
En los sistemas donde se cubre el panel con vidrio, se tiene el problema de que en principio, el vidrio es un material con una buena conducción de temperatura, y no cumple eficientemente como barrera térmica, que en este caso, es una de sus funciones y por otra parte su fragilidad, por Io que se debe tener mucho cuidado en su fabricación y transporte así como en el lugar de instalación, previniendo que no vayan a ser golpeados por objetos que los puedan llegar a romper, también se utilizan para Ia fabricación de colectores solares, materiales metálicos como el mismo serpentín, de cobre o las aletas adheridas a los tubos, que son de materiales que fácilmente conducen el calor por Io que también, fácilmente Io pierden.
La convexión de calor, es una variable importante de considerar para el aprovechamiento de Ia radiación solar, ya que las ráfagas de viento, a una menor temperatura, que hacen contacto con las superficies expuestas del colector, absorben algo de calor que se Ie debe transmitir o se Ie ha transmitido al fluido, causando que el equipo pierda eficiencia.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Se desarrolló el presente proyecto, por que se detectó, que los sistemas existentes, se podían perfeccionar utilizando materiales comunes, de fácil acceso, haciéndolos más ligeros, facilitando su transporte, Ia instalación, mejorando la eficiencia y resistencia a los impactos, prolongando Ia vida útil de los equipos.
En nuestra invención, se está utilizando una cubierta de panel plástico celular de poli- carbonato, que cumple con Ia función de aislante térmico, pues además de que dicho material es un mal conductor del calor, está hecho de dos laminados unidos por pequeñas costillas perpendiculares, formando celdas, Io cual ayuda a retener Ia temperatura en el interior del panel ya que el laminado exterior, se separa del interior por las celdas que contienen aire, cumpliendo con Ia función de barrera térmica. Este panel de cubierta, así como todo el colector, se debe sellar bien, para evitar Ia entrada de humedad, que con el calor genera condensación y por Io tanto empañamiento de Ia cubierta transparente, esto evitaría el paso eficiente de Ia radiación solar y afectaría el buen funcionamiento del equipo.
También se está utilizando como intercambiador de calor un panel plástico celular, por donde circula el fluido, este lleva Ia cara hacia el sol de color negro y que se coloca en el interior, de un marcó de aluminio, con protección térmica eri su interior y con un panel térmico en Ia parte posterior para evitar pérdidas, lá cubierta de panel plástico celular transparente funciona como barreta térmica hacia el exterior, separando el interior del panel, entre los dos laminados' plásticos, donde se forma Ia cámara de calor, de las corrientes de viento o lluvia del exterior. Utilizando materiales de baja conductividad térmica y alta absorción o retención de calor, se logra aumentar Ia eficiencia en estos equipos. Los componentes empleados en Ia presente invención, son de plástico laminado celular de poli-carbonato o p.e.t. debido a las propiedades mecánicas de estos materiales, como por ejemplo Ia resistencia a Ia degradación y amarillamiento, importantes par Ia vida útil del colector y por Io tanto son de bajo mantenimiento, además tienen alta resistencia a los impactos. En Ia práctica, actualmente, muchos fabricantes utilizan el cristal, por su transparencia y resistencia al amarillamiento, pero debido a su fragilidad, los utilizan templados para aumentar sui resistencia, pero esto, los encarece de todas formas, se encuentran en riesgo latente de romperse ya que por Io general se instalan en azoteas y techos . .
inclinados donde corren riesgo de ser impactados por objetos como piedras o ramas de los árboles.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura N0. 1.- vista en despiece del colector donde se ve que consta de:
(1) Panel de cubierta.
(2) Panel intercambiador.
(4) Placa térmica.
(5) Marco.
(6) Tubo de alimentación
(7) Tubo de salida
Figura N°. 2 - vista en corte seccional de un extremo del colector solar.
(1) Panel de cubierta.
(2) Panel intercambiador.
(3) Cámara de calor
(4) Panel térmico.
(5) Marco de aluminio.
(6) Tubo de alimentación de plástico o metal ranurado.
(8) Sello.
Figura N0. 3.- Detalle del acoplamiento entre el panel intercambiador y los tubos de entrada y salida del fluido.
(2) Panel intercambiador.
(6) Tubo de entrada de plástico o metal con ranura.
(8) Sello.
Figura N0. 4.- Detalle de panel laminado de cubierta (1) (1a) Laminado exterior (1b) Laminado interior ,
(1c) Nervaduras perpendiculares (1d) Canales o celdas secas
Figura N°.5.- Detalle de panel laminado de intercambiador húmedo (2) (2a) Laminado superior con superficie negra (2b) Laminado inferior (2c) Nervaduras perpendiculares (2d) Canales o celdas por donde circula el fluido a calentar
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN.
El presente invento consiste de un sistema para calentar fluidos utilizando Ia energía solar, basado en un diseño simple, eficiente, fácil de fabricar así como de trasportar e instalar, elaborado con materiales comunes y económicos, facilitando el acceso a esta tecnología, a sectores de Ia población menos favorecidos, pensando en satisfacer las necesidades de ahorro en el consumo de combustibles utilizados para calentar el agua que están incrementando su precio día con día.
Este invento fue concebido para uso domestico principalmente, aunque también puede ser utilizado en sistemas industriales o para calentamiento de albercas en clubes deportivos o de uso privado, aprovechando Ia energía solar, que hasta hoy, es gratuita. Esta tecnología, ha tenido un costo relativamente elevado, utilizando los sistemas más conocidos actualmente como son los de tubos de vidrio al vacío o de serpentín de tubo de cobre, que son sistemas frágiles y de alto costo, quedando lejos del poder adquisitivo de un gran sector de Ia población de países en desarrollo.
DESCRIPCIÓN DEL COLECTOR POR PARTES:
En Ia figura 1 , se aprecia el despiece del colector formado por un primer panel seco (1) de cubierta, separado de un segundo panel húmedo (2) que funciona como intercambiador, con tubos de entrada y salida de fluido. (6) y (7). Entre los dos paneles plásticos, aunque por ser despiece en esta figura no se aprecia, se forma una cámara de calor (3). Por Ia parte posterior lleva un panel de material térmico (4) para evitar pérdidas de temperatura, todos estos paneles, enmarcados por una canal de aluminio (5) con protección térmica, armando el colector solar en una sola unidad.
(1) PANEL PLÁSTICO DE CUBIERTA TRASPARENTE
El panel seco de cubierta (1) es de material plástico celular transparente, formado por una primera lámina seca (1a) con cara hacia el exterior, separada de una segunda lámina seca (1b) con cara hacia el interior, unidas por unas nervaduras secas (1c) perpendiculares, de ta! manera que se generan unos canales secos o celdas secas (1d) de aire entre dichas láminas, funcionando como aislante térmico. Este panel seco, se coloca con las celdas en posición transversal para estructurar en este sentido y tiene Ia función de dejar pasar Ia radiación solar hacia el panel negro, donde se genera el calor, e impedir que este se pierda por el viento o Ia lluvia que rodea el colector, por Io que se logra un gran diferencial de temperatura entre el exterior y Ia temperatura interior del colector, se puede aumentar Ia eficiencia, si en las celdas secas (1d) de este primer panel (1) se provoca un vacío o si se inyecta un gas, inerte como el Helio, de esta forma se mejoraría aún mas Ia barrera térmica.
(2) PANEL PLÁSTICO HÚMEDO COMO INTERCAMBIADOS
Este panel húmedo (2) es también de material plástico celular, y puede ser de material negro, o pintado, este es formado por una primera lámina húmeda (2a) separada de una segunda lámina húmeda (2b) unidas por unas nervaduras húmedas (2c), de tal manera que se generan unos canales o celdas húmedas (2d). Este panel húmedo, se coloca con las celdas en posición longitudinal y se hace circular un fluido entre las laminas (2a y 2b) y por las celdas (2d), funcionando como intercambiador de calor, ya que el fluido que circula por su interior tiene una menor temperatura, que Ia del panel negro expuesto al sol, por Io que el fluido al circular por estas absorbe Ia temperatura del panel logrando un diferencial entre Ia temperatura de entrada y de salida del fluido.
(2) PANEL PLASTJCO HÚMEDO ALIMENTACIÓN DEL FLUIDO Y SELLADO:
Al panel húmedo (2) se Ie alimenta del fluido por dos tubos, uno de entrada (6) y otro de salida (7) en los extremos, colocados transversalmente al flujo del líquido a través de las celdas húmedas, estos tubos, pueden ser de material plástico o metálicos, a cada uno de dichos tubos se les hace una ranura (6a, 7a) longitudinalmente en su parte central con una longitud y grosor que coincida con el del panel plástico para que éste se inserte en el tubo. Para evitar Ia salida de fluido, en Ia unión entre los tubos (6, 7) y los extremos del panel húmedo (2) se forma un sello (8) este puede ser de diferentes materiales como silicones, resinas o pegamentos, pero considerando que deberán tolerar las temperaturas de trabajo que pueden sobrepasar los 90 0C. deben tener resistencia a Ia degradación y al fluido con el que estará en contacto y de esta forma evitar fugas del fluido en esta unión. De Ia calidad de este sello, dependerá en gran parte Ia vida útil del equipo. El sello (8) se hace preferentemente en el interior de los tubos de entrada (6) y del tubo de salida (7), ya que Ia presión generada por el fluido en su interior, mantiene al sello (8) presionado contra Ia pared interna de los tubos, contra Ia ranura de unión y el material del panel plástico, de modo que se asegura un mejor sellado; en el caso de que este sello (8) sea colocado por el lado externo del tubo, Ia presión generada por el fluido en el interior, obligaría al material sellador a desprenderse de Ia superficie del tubo o del panel (2) mas fácilmente creando fugas de fluido. Aún cuando solamente se ilustra en Ia figura 3 el acoplamiento entre el panel húmedo (2) y el tubo de entrada (6) con Ia ranura (6a), en ensamble entre dicho panel húmedo (2) y el tubo de salida (7) es exactamente el mismo, pero en el extremo opuesto del panel. El panel húmedo (2) cuenta con un corte en forma de "V" en sus extremos, estos forman unos biseles en los canales húmedos (2d) que permiten Ia circulación del fluido aún cuando el panel sea insertado hasta el tope dentro de los tubos en sus extremos.
(3) CÁMARA DE CALOR:
En el interior del colector, se forma una cámara de calor (3) entre el panel (1) seco y el segundo panel negro húmedo (2). En esta cámara, se genera el calor, al incidir Ia radiación solar, en Ia superficie de color negro del panel húmedo, quedando atrapado en el interior por Ia barrera térmica que forma el panel seco y el marco (5) teniendo salida únicamente por medio del fluido que circula por el interior del panel húmedo (2).
Este efecto es igual a que se genera entre el espacio exterior y el interior de nuestra atmósfera terrestre, pues Ia radiación solar, viaja por el espacio sin generar calor, esta radiación solar pasa a través de nuestra atmósfera y al incidir en cuerpos o materiales opacos en Ia tierra, se genera el calor y este queda atrapado en el interior de Ia atmósfera, pues se sabe que en el espacio existe un vacío que hace Ia vez de barrera térmica que impide que el calor escape.
En el caso de este colector solar, Ia radiación solar atraviesa el panel plástico de cubierta transparente (1) e incide en Ia superficie del panel plástico húmedo (2) de color negro donde se genera el calor que queda atrapado en el interior de Ia cámara de calor (3) ya que el panel plástico de Ia cubierta transparente, hace Ia vez de barrera térmica, evitando que escape el calor, dándole Ia principal salida de dicho calor, por medio del fluido que circula por el interior del panel húmedo (2) calentando a dicho fluido a temperaturas que pueden llegar a superar los 90°c.
¿POR QUE EL COLOR NEGRO?
Este panel húmedo (2) debe ser de color negro, por que es el color que mejor transforma Ia energía de Ia luz del sol o radiación solar, en energía calorífica pues no la refleja, Ia absorbe y retiene, generando una mayor temperatura que otros colores, como se puede ver con su contraparte extremo, el color blanco, estos absorben Ia luz y reflejan el calor, por Io tanto, prácticamente no generan calor en su superficie.
Este principio se puede comprobar según Ia ley de Max Planck científico Alemán que en el año de 1900 descubrió que Ia longitud de onda generada por un color en Ia que se produce el máximo de emisión de calor, Ia generan cuerpos de color negro, en comparación con cuerpos de cualquier otro color, debido a Ia poca refracción de Ia luz por Io que los cuerpos de color negro absorben Ia radiación y generan Ia mayor temperatura transformando mas efectivamente Ia radiación solar en temperatura.
(4) PANEL TÉRMICO:
En Ia parte posterior del colector lleva una placa térmica (4). Esta placa térmica, (4) puede variar en su espesor pues las hay de diferentes materiales mas o i menos eficientes por Io tanto también de diferentes costos, pero todos hacen Ia ' función de barrera térmica, y se coloca para disminuir las pérdidas del temperatura por Ia parte posterior del panel, por Ia parte que da al exterior de esta placa térmica, se Ie debe proteger de Ia intemperie, pudiendo ser con lámina de acero inoxidable, lamina galvanizada o de aluminio, de algún panel plástico o recubriendo Ia superficie expuesta a Ia intemperie con lona ahulada, simplemente para protección de Ia degradación y daños provocados por rasgaduras o golpes durante su almacenamiento, transporte o instalación.
(5) MARCO:
Para armar el colector, se hace con un marco de cuatro lados de aluminio en forma de canal, al que se Ie coloca una capa de protección térmica en el interior, donde se fija y sella el panel transparente (1) en Ia parte superior del marco, en Ia parte central de este, lleva el panel húmedo de color negro (2) y a los largueros del marco de aluminio se Ie perforan unos orificios para que pasen los tubos de alimentación y salida (6 y 7) teniendo en cuenta que el material plástico del panel húmedo (2) tiene una dilatación y contracción importante con los cambios de temperatura por Io que por un lado, se Ie debe dejar el orificio de forma alargada de unos 7 mm. que es Ia diferencia de dimensiones entre el minimo y máximo de temperaturas de trabajo, entre el panel seco (1) y el panel húmedo (2) se forma Ia cámara de calor (3) en Ia parte posterior se fija el panel de material térmico (4) que como ya comentamos anteriormente se debe proteger de Ia intemperie y de golpes o rasgaduras durante el transporte e instalación con algún laminado o película. De esta forma queda armado y cerrado el colector formando una unidad.
COLOCACIÓN DEL COLECTOR:
Para su óptimo funcionamiento, estos colectores se deben colocar de forma inclinada con el frente hacia Ia trayectoria o recorrido diario del sol, tomando en cuenta que no existan objetos como construcciones o árboles que obstruyan y generen sombra sobre el o los colectores durante las horas de incidencia solar. Se debe alimentar el fluido por el tubo (6) y Ia salida del fluido por el tubo (7) por el lado opuesto de Ia alimentación, y con una inclinación ligeramente mas alta hacia el extremo de Ia salida, esto garantiza que el fluido, llene por completo los canales húmedos (2d) y los tubos de entrada y salida (6 y 7) de esta forma, el fluido estará en contacto en toda Ia superficie de las celdas (2d) y podrá absorber con eficiencia, el calor generado en Ia placa del panel húmedo (2a). Se pueden instalar con un termo-tanque en Ia parte superior del colector y por medio del principio de (TERMOSIFÓN) hacer circular el fluido calentado en el interior del panel húmedo (2) hacia el termo-tanque y tomando el fluido a menor temperatura del mismo, calentando el fluido en el interior del termo-tanque sin necesidad de utilizar ningún sistema forzado como sería con una bomba eléctrica, de esta forma el fluido calentado durante las horas de incidencia solar, puede ser utilizado durante las horas donde no Ia hay, recuperando temperatura nuevamente cuando esta exista nuevamente. También se puede colocar el termo-tanque en cualquier ubicación, forzando Ia circulación del fluido por medio de una bomba eléctrica controlada con un dispositivo de termostato que Ie ordene el encendido a una temperatura determinada, así como interrumpa su funcionamiento cuando disminuya Ia temperatura, este sistema también se utiliza para el funcionamiento en albercas.
Se pueden colocar interconectados en línea o en paralelo, para lograr un mayor flujo de circulación y calentar grandes volúmenes de agua, para albercas o grandes termo tanques para uso industrial.
MEJOR MANERA DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.
Aún cuando existen invenciones similares para el calentamiento de fluidos captando Ia radiación solar, Ia presente invención cuenta con elementos que permiten aprovechar con mayor efectividad Ia incidencia solar, esto se logra mediante el primer panel (1) el cual es de material plástico celular transparente tal como poli-carbonato o pet, en donde Ia primer lámina seca (1a) permite el paso de Ia luz a través de las primeras celdas (1d), Ia segunda lámina seca (1b) y hasta de las primeras nervaduras secas (1c), hacia el panel de intercambiador (2), en el cual, al menos su primer lámina húmeda (2a) deberá estar pintada de negro mate o preferentemente construido en su totalidad de material en color negro o negro mate. Por los efectos que ya se comentaron con anterioridad que los cuerpos de color claro absorben Ia luz, y repelen el calor, que en los cuerpos de color oscuro funcionan a Ia inversa, o sea que absorben el calor y su superficie se calienta, por Io que Ia radiación que incide en el segundo panel húmedo (2) calienta Ia primer lámina húmeda (2a), de modo que el calor es retenido por el material y a través de las nervaduras húmedas (2c) que hacen Ia función de aletas captadores de calor y de superficie de contacto para transmitir este, a Ia segunda lámina húmeda (2b) calentando Ia totalidad del cuerpo del segundo panel húmedo (2), así que el fluido que circula por los canales húmedos o celdas húmedas (2d) se conduce por superficies calientes asegurando que este absorba Ia temperatura del panel plástico, logrando así su calentamiento. La radiación que llegara a reflejarse del segundo panel húmedo (2) incide nuevamente en Ia cara interior del primer panel (1), pero ahora Io hace en Ia segunda lámina seca (1b) y por los fenómenos conocidos de absorción de luz y de calor, las ondas de calor ,
son reflejadas por dicha segunda lámina seca (1b) nuevamente hacia Ia primer lámina húmeda (2a) del segundo panel húmedo (2), de esta forma se logra Ia cámara de temperatura (3) entre Ia segunda lámina seca (1b) del primer panel (1) y Ia primer lámina húmeda (2a) del segundo panel (2) Ia temperatura en esta cámara se eleva considerablemente, y el calor generado es retenido en Ia cámara (3) y forzado a dirigirse a través del cuerpo del segundo panel húmedo (2) en su primer lámina húmeda (2a) y hasta Ia segunda lámina húmeda (2b) a través de las nervaduras (2c) obligando a transferir el calor principalmente al fluido que circula por las celdas húmedas del panel (2). Las perdidas de calor por convexión debido al contacto de las corrientes de aire, a Ia radiación térmica del mismo equipo y diferentes condiciones climáticas se disminuye, ya que existe al menos una barrera de aire que hace Ia vez de barrera térmica, que para aumentar su eficiencia podría ser de vacío o de algún gas en los primeros canales secos o celdas secas (1d) formados entre Ia segunda lámina seca (1b) y Ia primer lámina seca (1a) del primer panel (1). Las nervaduras secas (1c) del primer panel (1) son unos ineficientes conductores de calor, ya que al ser de material plástico claro no absorben calor considerablemente, así que el calor es retenido en Ia cámara sellada (3) esto hace aumentar Ia temperatura de Ia segunda lámina seca (1b) del primer panel, pero no es suficientemente conducido ni irradiado hacia Ia primer lámina seca (1a) del mismo primer panel (1), y el exterior, así que se evita en buena medida Ia perdida de temperatura y se logra una muy buena eficiencia de este tipo de colector.
VENTAJAS DE LA INVENCIÓN.
Las ventajas principales que tiene este diseño, es su gran eficiencia, pues a pesar de que el material plástico, no tiene buena conductibilidad térmica, cuenta con un índice elevado de absorción de calor, en este sistema, se utiliza el total de Ia superficie del panel, ya que cada centímetro cuadrado del panel (2) que se expone a Ia radiación solar, esta en contacto con el fluido en el interior y el grosor de Ia pared del panel, para el intercambio es de apenas una fracción de milímetro. Por Io que se lleva a cabo de forma homogénea, rápida y eficiente. Otra ventaja es que debido a Io ligero de los paneles, los colectores terminados son fáciles de transportar y se simplifica su instalación en lugares altos, como azoteas y losas inclinadas, además de que por ser paneles plásticos, resisten sin problema los golpes de granizo, o pequeñas ramas de árbol o piedras y también permite el ser manipulados fácilmente durante su transporte sin riesgo de romperse. Los materiales necesarios para su fabricación son fáciles de conseguir y de ensamblar, estos colectores se pueden interconectar en paralelo o en serie por medio de tuercas unión o cualquier medio conocido y de esta manera lograr grandes superficies de captación para proyectos mayores. La vida útil de estos colectores pude ser mayor a los 10 años, pues el panel plástico, está garantizado por el fabricante, desde luego, que esto depende del tipo de fluido que circule por su interior, que puede ser agua y calentarla directamente o por medio de un fluido, como anticongelante, que si se hace circular por un intercambiador, puede calentar el agua, previniendo así, el posible daño por bloqueo por sarro de las celdas o por ruptura en caso de heladas y congelamiento.
APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN.
Para ejemplificar Ia funcionalidad de Ia presente invención se presentan las siguientes notas obtenidas de pruebas realizadas:
Se realizó una prueba de máximos de temperatura, donde se armo un pequeño panel con un marco de aluminio al que se Ie colocó por Ia parte posterior un panel térmico y se tapo por Ia parte superior con un panel plástico celular transparente, y en su interior se coloco un laminado plástico negro, formando una cámara de calor. Colocando este pequeño panel hacia el sol, se obtuvieron temperaturas hasta de 100° C en el ambiente de aire interior de Ia cámara, y Ia temperatura en Ia cara exterior de Ia lamina de Ia cubierta fue de unos 70° C y en Ia lámina negra del interior Ia temperatura se elevo hasta los 118° C, esto claro, sin contener fluido en su interior, este diferencial de mas de 35° C entre el interior de Ia cámara de calor y el exterior del panel de cubierta, nos indica que el material laminado celular de poli-carbonato funciona como una barrera térmica, eficiente y que en teoría, se podría mejorar, logrando un vacío en el interior de las celdas o inyectando algún gas inerte en su interior, aunque esto elevaría el costo del equipo y tomando en cuenta que, uno de los principios primordiales, por Io que se llevó a cabo este proyecto, es Ia economía del mismo y que con Ia eficiencia que se está logrando con el procedimiento actual, es decir, con aire en las cámaras secas, es suficiente para lograr temperaturas en el fluido de hasta de 90° C por Io que no se cree necesario, el hacer estos procesos intentando mejorar aún mas Ia eficiencia ya lograda. Esta prueba realizada, nos indica que el principio básico del sistema, formando una cámara de calor con un panel plástico celular como cubierta, un panel térmico como respaldo posterior y un laminado plástico negro en su interior, todo esto enmarcado por un perfil de aluminio en forma de canal con protección térmica, es un sistema donde se pueden lograr altas temperaturas y puede ser utilizado para calentar fluidos, con una gran eficiencia, logrando un sistema muy simple, fácil de fabricar y con un costo muy por debajo de los sistemas existentes. Dicha prueba fue realizada en Ia ciudad de León Guanajuato México a una temperatura ambiente de 30°c. con vientos débiles.

Claims

REIVINDICACIONES.
1. Colector solar para fluidos, que comprende un marco conformado por cuatro largueros en forma de canal unidos entre si por sus extremos; dicho marco presenta en su parte superior, una cubierta transparente y en su parte posterior una base de placa térmica; en su interior un intercambiador de calor, con tubos de entrada y salida de fluido, dispuesto sobre Ia base de placa térmica; Caracterizado porque Ia cubierta transparente está conformada por un panel plástico que comprende una primer lámina seca unida a una segunda lámina seca mediante nervaduras longitudinales que definen una pluralidad de canales secos; el intercambiador de calor está conformado por un panel plástico negro, que comprende una primer lámina húmeda unida a una segunda lámina húmeda mediante nervaduras longitudinales que definen una pluralidad de canales húmedos; donde los tubos de entrada y salida de fluidos tienen una ranura longitudinal con sello, en el que se inserta el panel húmedo, manteniendo ambos tubos comunicación fluida con los canales del panel; una cámara sellada definida entre Ia segunda lámina seca y Ia primera lámina húmeda, formando una cámara de calor.
2. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque los canales del panel seco, pueden estar dispuestos transversalmente respecto a los canales del panel húmedo.
3. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque los tubos de entrada y salida de fluido, están dispuestos transversalmente respecto a los canales del panel húmedo.
4. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque los bordes del panel húmedo son biselados en "V", definiendo un ángulo que permite Ia salida para el liquido
5. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque Ia cubierta transparente y el intercambiador de calor son de plástico laminado celular.
6. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque los canales de Ia cubierta pueden contener aire o gas inerte.
7. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque el intercambiador de calor es de plástico laminado celular de color negro.
8. Colector solar para fluidos de conformidad con Ia cláusula 1. Caracterizado además porque el espacio que forma Ia cámara de calor puede contener aire o gas inerte.
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