SISTEMA SOLAR TÉRMICO VERSÁTIL DE PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE HASTA ALTA TEMPERATURA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva, tiene por objeto aprovechar la energía solar térmica generada en una instalación convencional mediante un sistema de regulación capaz de conseguir calentar tanto en un rango de temperaturas medias como elevadas agua u otro fluido.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el sector de las energías renovables, concretamente en el aprovechamiento de la energía solar térmica para generación de agua caliente en instalaciones industriales, instalaciones de calefacción, climatización por absorción y agua caliente sanitaria .

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR A LA INVENCIÓN

El Código Técnico de la Edificación, en la sección HE4 de Documento Básico HE, define una instalación solar térmica como aquella que está constituida por un conjunto de componentes encargados de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica cediéndola a un fluido de trabajo y, por último, almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo de los captadores, o bien transferirla a otro, para poder utilizarla después en los puntos de consumo. Dicho sistema se complementa con una producción de energía térmica por sistema convencional auxiliar que puede o no estar integrado dentro de la misma instalación. Una instalación solar térmica convencional está compuesta por los siguientes elementos:

- Un sistema de captación, formado por una batería de colectores solares, los cuales pueden tener una disposición variable, asociados a un sistema de tuberías, formando en su conjunto un circuito llamado primario. Por el interior de las tuberías y de los colectores circula un fluido primario, generalmente agua con adicción de un anticongelante, el cual será el encargado de captar la energía que han absorbido los colectores solares. Para un mejor rendimiento de la instalación, los colectores solares están revestidos de materiales selectivos que permiten el paso de la radiación en un sentido, pero no en el sentido contrario.

- Un sistema de acumulación, compuesto por uno o varios depósitos de acumulación de energía. Se almacena la energía captada de la radiación solar para su utilización en el circuito de consumo. Permite el empleo de la energía en un momento distinto al de su captación.

- Un sistema de intercambio, en donde se transfiere la energía procedente del sistema de acumulación a un fluido secundario, el cual podrá ser empleado directamente en los puntos de consumo o puede ser almacenado como fluido caliente, para almacenamiento de la energía.

- Un sistema de consumo, formado por todos los puntos de consumo de la instalación, que, unido al sistema de intercambio, componen un segundo circuito llamado circuito secundario.

- Un sistema de regulación y control, mediante el cual se regula el funcionamiento de todo el sistema, estableciendo unos parámetros de consigna que indicarán los limites de un funcionamiento correcto, tanto del circuito primario como secundario.

- Un sistema de energía auxiliar, para suministrar la energía en los momentos en los que la energía procedente del circuito solar no es suficiente para satisfacer las necesidades en los puntos de consumo.

- Un sistema de bombeo del fluido, que se encarga de provocar la circulación forzada del fluido (tanto en el circuito primario como en el secundario) que discurre por las tuberías. Dicho sistema de bombeo puede eliminarse en los casos de circulación por convección natural, en donde se aprovecha diferencia de cotas existente entre los distintos elementos de la instalación.

- Un sistema de seguridad para evitar excesivos sobrecalentamientos del sistema solar.

La energía captada de la instalación solar, será transmitida al fluido secundario generando pues agua caliente. Según la norma europea UNE-EN 12828 sobre sistemas de calefacción en edificios y diseño de los sistemas de calefacción por agua, que es aplicable también a los sistemas de ACS (agua caliente sanitaria) prohibe alcanzar en el circuito primario temperaturas en el fluido primario superiores a 105 ⁰ C, por los problemas descritos, con lo cual la novedad aportada por la presente invención abre el campo de utilización de instalaciones solares térmicas, en un rango de temperaturas de utilización de +4O ⁰ C hasta +15O ⁰ C, con un control absoluto de la temperatura del fluido, caudal, o ambos parámetros simultáneamente, garantizando una continuidad de dichos parámetros en los rangos de temperatura anteriormente indicados. La invención es de óptima aplicación en instalaciones industriales que requieran agua caliente a alta temperatura, siendo su mayor aplicación la producción de frió por absorción, entre otras. Sin embargo, considerando la seguridad de que dispone la presente invención, seria perfectamente válida y segura para su aplicación en instalaciones de ACS (agua caliente sanitaria) , calefacción, climatización u otras aplicaciones .

El fluido primario, que ha cedido toda o parte de su energía al fluido secundario, en el intercambiador de calor, retorna al campo de colectores, donde será de nuevo calentado. De la misma manera, el fluido secundario, que ha cedido energía en los puntos de consumo, retorna al intercambiador de calor, donde se calienta gracias a la presencia de fluido primario caliente.

Ejemplos de instalaciones solares térmicas convencionales se describen en los documentos de patente con N ⁰ de publicación ES497078 y ES2156837, entre otros. En dichas invenciones, no se tratan las temperaturas a las que pueden trabajar dichas instalaciones, ni los caudales disponibles .

Un factor importante a tener en cuenta en las instalaciones solares térmicas es la necesidad de disponer de un sistema de seguridad que sirva de protección frente a los sobrecalentamientos del sistema y riesgos de congelación .

Para la protección contra riesgos de congelación, se suele emplear agua mezclada con anticongelante para que la mezcla resultante tenga un calor especifico superior a 3 KJ/KgK en 5 ⁰ C por debajo de la temperatura mínima histórica registrada en la zona donde se localiza la instalación.

En el caso de protección contra sobrecalentamientos del sistema, la instalación irá dotada de dispositivos de seguridad manuales o automáticos que eviten los sobrecalentamientos de la instalación que puedan dañar los materiales o equipos y que penalicen la calidad del suministro energético. Ejemplo de estos dispositivos son un adecuado sistema de expansión y un sistema de drenaje al exterior de fluido sobrecalentado.

En el documento de patente ES2272171 se propone un novedoso sistema de seguridad para instalaciones solares térmicas destinadas a producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria, el cual evita que el fluido primario supere el valor limite de 105 ⁰ C. De igual forma, los documentos de patente ES2224844 y ES2272174 describen un sistema disipador de la energía calorífica en instalaciones solares.

Otro de los aspectos muy importantes tratados en las instalaciones solares térmicas es la necesidad en muchas aplicaciones de llegar a una elevada temperatura de utilización, en torno a 100 ⁰ C o mayores. Analizando el estado de la técnica actual, para alcanzar dichas temperaturas en el fluido caloportador del circuito primario, la gran mayoría de la tecnología desarrollada se centra en el desarrollo de sistemas de captación de la energía solar, bien mediante sistemas concentradores de energía solar, u otros colectores solares de fabricación especial. Un ejemplo se describe en el documento de patente CN1461927, en el cual se desarrolla una instalación solar empleando un sistema de colectores de fabricación especial, el cual asegura un rápido alcance de elevadas temperaturas de funcionamiento. En el documento de patente ES2035990 se hace referencia a un colector solar para la generación de altas temperaturas.

En otros casos, como se explica en la patente US4,021,895, se desarrollan instalaciones especiales. En dicha invención, se disponen distintas baterías o grupos de colectores, cada una de las cuales trabaja a distintas temperaturas de trabajo, entregando el fluido caloportador calentado a distintos tanques de almacenamiento, o a un mismo tanque estratificado. Para ello, se necesitan en cada batería colectores de características especiales. Sería por lo tanto deseable que las instalaciones solares térmicas estuvieran dotadas de un sistema que les permitiera generar el agua a temperaturas elevadas (más de 100 ⁰ C), sin necesidad de emplear colectores especiales ni concentradores solares en grandes campos, siendo además instalaciones lo suficientemente versátiles como para generar agua a más baja temperatura sin necesidad de realizar cambios de materiales en la instalación original. Con nuestro sistema de regulación y control que actúa sobre aquellas partes del sistema que afecten a la disposición de las baterías o grupos de colectores solares, o a la cantidad de fluido caloportador que circula a través de dichas baterías.

Los documentos de patente JP56068753, US4,474,169, JP57157958, DE102005008646 , entre otros, describen invenciones de instalaciones solares que alcanzan una elevada temperatura de utilización, sin especificar el rango de temperaturas posibles de trabajo. Todas estas invenciones se fundamentan en el empleo de un adecuado sistema de valvulería, el cual permite cambiar la configuración de la batería de colectores, disponiéndolos en serie, cuando se desea elevar la temperatura del fluido caloportador, o en paralelo, cuando la temperatura se desea mantener o reducir. Con este sistema se puede regular la temperatura a la salida de la batería de colectores, pero no el mantenimiento de un caudal constante en la instalación solar. Además, las posibles variaciones de temperatura a la salida de la batería de colectores se antojan elevadas. Otra característica a destacar en las presentes invenciones es la ausencia de información en cuanto a los colectores solares necesarios en las mismas, no indicando si se necesita disponer de colectores solares especiales o los comerciales actualmente existentes en el mercado son válidos. Otras invenciones, como se indica en los documentos de patente US4,257,395 y US4,130,110, permiten regular la temperatura del fluido caloportador gracias a un sistema de regulación y control que actúa sobre el motor de la bomba de circulación del circuito primario, para variar el caudal que discurre por dicho circuito. Aunque se permite regular la temperatura, el caudal no es constante.

El estado de la técnica anteriormente mencionado, presenta instalaciones solares térmicas que no permiten asegurar un correcto funcionamiento a elevadas temperaturas. Tampoco se asegura un caudal constante, ni temperaturas constantes de utilización, o ambos parámetros simultáneamente .

La presente invención, mediante un adecuado sistema de control y regulación, dota a una instalación de energía solar térmica de una versatilidad tal, que permite la generación de agua u otros fluidos en un amplio rango de temperaturas (desde +4O ⁰ C hasta +15O ⁰ C) . Lo consigue con total seguridad, sin necesidad de emplear colectores especiales ni concentradores solares, partiendo de un mínimo de dos unidades en adelante. Esta versatilidad se obtiene manteniendo unos aportes constantes de fluido caloportador al circuito secundario en cuanto a temperatura, caudal, o ambos parámetros simultáneamente.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas y limitaciones existentes en el estado de la técnica como se ha señalado anteriormente. Para ello, realiza unos oportunos cambios de configuración y disposición de los elementos existentes de una instalación solar térmica, logrando una gran versatilidad en el funcionamiento. Obtiene un fluido caloportador a la temperatura requerida en el circuito de consumo, tanto si se trata de temperaturas medias (+40, +8O ⁰ C), como de elevadas temperaturas (mayor de +8O ⁰ C hasta +15O ⁰ C), consiguiendo en el circuito primario, circuito por donde discurre el fluido caloportador, unas condiciones estables y continuas en cuanto a temperatura, caudal, o ambos parámetros de forma simultánea. Además, lo hace con un total control de todos los parámetros.

La invención es aplicable ventajosamente para cualquier uso que requiera energía térmica en un amplio rango de temperaturas de trabajo (de +4O ⁰ C hasta +15O ⁰ C) . Estas instalaciones podrán ser ejecutadas por empresas que dispongan de dicha tecnología.

Se evita que el sobrecalentamiento en la instalación sea un problema para la misma, como sucede actualmente, pudiendo trabajar a la vez a temperaturas más bajas y usuales .

El sistema trabaja a bajas y elevadas temperaturas (de +4O ⁰ C hasta +15O ⁰ C) de forma estable y automática, lo que abre un nuevo y extenso campo de aprovechamiento de la energía solar.

En las instalaciones solares térmicas actuales aparecen inconvenientes y problemas cuando se alcanzan temperaturas elevadas en el circuito primario (mayores de 100 ⁰ C) . Incluso, en muchos casos, las instalaciones solares térmicas existentes en la actualidad se protegen para no permitir alcanzar este rango de temperaturas elevadas. Esto es, su diseño contempla sistemas de seguridad que eviten temperaturas mayores de 105 ⁰ C.

Se pretende desarrollar una instalación solar térmica adaptada para funcionar correctamente a bajas y elevadas temperaturas, en función de la temperatura necesaria en el fluido secundario o de consumo, aprovechando al máximo toda la energía recibida a lo largo del año, para su aplicación en instalaciones industriales, siendo de gran utilidad para producir agua caliente sanitaria, agua para calefacción, climatización o instalaciones frigoríficas por absorción, etc . El estado de la técnica actual, contempla instalaciones solares térmicas que alcanzan elevadas temperaturas en el fluido primario, en las que es necesaria la instalación de dispositivos concentradores de energía solar u otros sistemas especiales de captación. En otros casos, se logra aumentar la temperatura del fluido, pero no se mantiene constante a lo largo del tiempo. De la misma forma, otros ejemplos de invenciones provocan variaciones en el caudal para alcanzar dichas temperaturas elevadas. La presente invención pretende alcanzar estas temperaturas elevadas (hasta 15O ⁰ C en el circuito primario), empleando como medio de captación solar captadores solares (2) planos o de tubos de vacío convencionales, asegurando además unas temperaturas y caudales constantes en el circuito primario.

Para alcanzar el objetivo de la presente invención, se diseña un sistema solar térmico, cuyas peculiaridades se encuentran en un adecuado sistema de control y regulación (6) . Dicho sistema de control y regulación (6), permite, en función de las temperaturas y caudales necesarios en el consumo, actuar en el circuito primario en dos aspectos fundamentalmente: por una parte, se puede controlar el caudal impulsado por la bomba del circuito primario (4), variando la velocidad de su motor; por otra parte, se puede variar la configuración y disposición de la batería (1) de colectores solares (2), para asegurar una temperatura de salida de la batería de colectores adecuada.

Otra característica de la presente invención es que todos los componentes de la instalación solar térmica cumplirán con los estándares necesarios para poder trabajar correctamente con temperaturas del fluido caloportador de hasta +18O ⁰ C.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

El dibujo acompañante se presenta a modo de ejemplo para mejorar la comprensión de la invención y no debe ser interpretado restrictivamente.

Figura 1.- Muestra un esquema de principio de la instalación térmica solar, donde se representa una batería de colectores solares (1), compuesto por dos o más colectores solares (2), sin limite de unidades. También se muestran sondas de temperatura, purgadores de aire, válvulas de paso y válvulas de retención, sistemas de expansión, etc., elementos todos ellos tipicos de una instalación solar térmica.

Referencias : batería de colectores solares colectores solares válvula de 3 vías bomba de circulación intercambiadores de calor 6: sistema de control 7: tubería de impulsión tubería de retorno sonda de temperatura a la salida de (1) 10: sonda de temperatura a la salida de (2)

En la figura 1 se muestra, mediante el fluido caloportador, cómo la energía captada por el circuito primario es transportada y cedida a un circuito de consumo o almacenada en depósitos de agua empleando intercambiadores de calor (5) . Para la regulación del sistema, se cuenta con una sonda de temperatura (9) a la salida de la batería de colectores (1) y sondas de temperatura (10) a la salida de cada uno de los colectores solares (2) . Mediante un sistema de válvulas de 3 vías (3), se permite tener en el campo de colectores una configuración u otra, según las necesidades, en el circuito primario. Una bomba de circulación (4) es la encargada de mover el fluido caloportador que circula por la batería de colectores (1) . Mediante un sistema de regulación y control (6) se actúa sobre los distintos elementos de la instalación para alcanzar las necesidades objetivo. El circuito primario del sistema solar se cierra con una tubería de impulsión (7) del fluido caloportador, la cual entra en todos los colectores solares (2) y una tubería de retorno (8), que recoge el fluido caloportador y lo dirige al consumo.

FORMA DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el objeto de llegar a una mejor comprensión del objeto de esta patente se expone una forma de realización preferente .

Se parte de una instalación solar térmica convencional, a la que se le realizarán los cambios oportunos para conseguir una adecuada versatilidad en su funcionamiento, así como alcanzar temperaturas de utilización elevadas y reducidas, según las necesidades.

Se cuenta con una batería (1) de colectores solares (2), siendo éstos en número de dos o más unidades, los cuales serán siempre colectores solares planos o de tubos de vacío, nunca sistema de concentración solar ni otro tipo de colector solar especial.

Mediante una bomba de circulación (4) se envía fluido caloportador a través de la tubería de impulsión (7) hacia la batería de colectores (1) . Los colectores solares (2) serán los encargados de ceder la energía procedente del sol al fluido caloportador. Mediante una tubería de retorno (8) se envía el fluido caloportador calentado al circuito de consumo empleando para la transferencia de la energía uno o varios intercambiadores de calor (5) .

Un sistema de control (6) será el encargado de regular la instalación en su totalidad. Para ello, actuará:

Sobre el sistema de válvulas de 3 vías (3) de la batería de colectores (1), para cambiar la configuración del mismo, disponiendo los colectores solares (2) con una configuración u otra, en función de la temperatura y/o caudal necesarios en el circuito de consumo. Sobre la bomba de circulación (4), la cual será la encargada de regular el caudal que circulará por la batería de colectores (1), en función del caudal necesario.

Sobre el resto de componentes de la instalación en su circuito secundario (no desarrollado en la presente invención) .

El resto de elementos de la instalación son convencionales (válvulas de seguridad, válvulas anti retorno, filtros, sondas de temperatura, manómetros, termómetros...) .

El sistema puede funcionar para alcanzar una temperatura de consigna en la salida del fluido caloportador, para mover un caudal de consigna en el circuito primario, o ambos parámetros simultáneamente.

En caso de querer alcanzar solamente una temperatura de consigna a la salida de la batería de colectores (1), el sistema inicia su funcionamiento poniendo en marcha la bomba de circulación (4) con un caudal inicial necesario. El fluido caloportador circula por el circuito primario y entra en la batería de colectores (1) mediante la tubería de impulsión (7), que abastece a todos los colectores solares (2) . El sistema de valvulería (3), se dispone inicialmente de tal forma que los colectores (2) tengan una configuración inicial. El fluido caloportador es calentado por los colectores solares (2) de tal forma que cuando alguna de las sondas (10) colocadas en la salida de cada colector solar (2) marca la temperatura de consigna, el sistema de valvulería (3) cambia la configuración de los colectores solares (2) para dirigir el fluido caloportador hacia la tubería de retorno (8) del circuito primario. Se emplearán así los colectores solares (2) necesarios para alcanzar dicha temperatura de consigna. En caso de que la temperatura sea mayor que la temperatura de consigna a la salida del primer colector solar (2) de la batería de colectores (1), se aumenta la velocidad de la bomba de circulación (4) para aumentar el caudal del fluido caloportador .

Cuando lo que se desea es tener un caudal constante en el fluido caloportador, el sistema de control (6) actúa sobre la bomba de circulación (4) para ajustar la velocidad de la misma y mover el caudal requerido.

En caso de necesitar un caudal y temperatura constantes a la salida de la batería de colectores (1), como por ejemplo instalaciones de refrigeración/climatización por absorción, el sistema de control (6) actúa sobre el sistema de valvulería (3) y sobre la bomba de circulación (4) . Para ello, el sistema de control (6) fija un caudal constante actuando sobre la velocidad de la bomba de circulación (4), al mismo tiempo que actúa sobre el sistema de valvulería (3) para disponer la batería de colectores (1) con una u otra configuración, según las temperaturas marcadas por las sondas de salida (10) de cada colector solar (2) y por la sonda de temperatura (9) situada en la tubería de retorno (8) del circuito primario. De este modo se asegura un caudal y temperatura constantes en todo momento a la salida de la batería de colectores (1) .

Esta configuración permite alcanzar un amplio rango de temperaturas a la salida de la batería de colectores (1), desde +4O ⁰ C hasta +15O ⁰ C.

El agua caliente podrá ser empleada directamente por un circuito de consumo (aplicación industrial preferentemente, producción agua caliente sanitaria, calefacción, frío por absorción) , cediendo la energía por medio de intercambiadores de calor (5) .

En función de su uso, hora y época del año será necesaria la aportación en un porcentaje determinado de una fuente de energía auxiliar, la cual dependerá del número de colectores solares (2) instalados. Mediante la presente invención se determina a priori el porcentaje anual que será necesario aportar de dicha energía auxiliar y, comparándolo con el costo de la instalación, ser capaces de optimizar la inversión.

Todos los componentes de la instalación solar térmica se caracterizan porque cumplirán con los estándares necesarios para poder trabajar correctamente con temperaturas del fluido caloportador de hasta 18O ⁰ C.