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II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y 1

RENOVABLES

ENERGIA SOLAR TÉRMICA I

SESIÓN 3:SESIÓN 3:COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR:

(I) EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

PROFESOR: ABRAHAM RUIZ [email protected]

1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

1.1. PROPIEDAS FUNDAMENTALES DE LOS LÍQUIDOS

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA I ‐ SESIÓN 3



El i i i bá i d f i i t l i3


El principio básico de funcionamiento es el que sigue:CAPTACION de la energía radiante para ser transformadaen energía térmica, con el aumento de la temperatura deg pun fluido de trabajo.INTERCAMBIO de la energía térmica desde un circuitoprimario o de captación hasta el circuito secundario o deprimario, o de captación hasta el circuito secundario o dealmacenamientoALMACENAMIENTO, de la energía térmica para su

t i tili ióposterior utilización.Estas funciones deben complementarse con la producción deenergía térmica mediante un sistema convencional, parag , pasegurar la satisfacción de la demanda energética enmomentos de escasa radiación. APOYO




S b i t d CAPTACION tá f d4


Subsistema de CAPTACION: está formado por uno ovarios colectores que transforman la radiación solarincidente en energía térmica, que es transferida al fluidog qde trabajo contenido en su interior.Subsistema de INTERCAMBIO: Realiza la transferenciade la energía térmica captada desde el circuito dede la energía térmica captada desde el circuito decolectores al circuito de acumulación.Subsistema de ALMACENAMIENTO o acumulación,,constituido por uno o mas depósitos que almacenan elagua caliente hasta que se precisa su uso. En el caso decalentamiento de agua para piscinas el sistema decalentamiento de agua para piscinas, el sistema dealmacenamiento es el propio vaso de la piscina.




S b i t hid á li C tit id t b í b b5


Subsistema hidráulico. Constituido por tuberías, bombas,válvulas…que se encargan de conducir el fluido calientedesde el sistema de captación al de acumulación y dep yahí, hasta la red de consumo.Subsistema de regulación y control, es responsable deasegurar el correcto funcionamiento de la instalaciónasegurar el correcto funcionamiento de la instalaciónpara proporcionar un adecuado servicio de agua calientey aprovechar la máxima energía solar posible.Subsistema de energía auxiliar, se utiliza paracomplementar el aporte solar suministrando la energíanecesaria para cubrir la demanda prevista y garantizandonecesaria para cubrir la demanda prevista y garantizandola continuidad del suministro.


2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

2.1 EL CAPTADOR SOLAR

El t d l l l t d d t f l6


El captador solar es el elemento encargado de transformar laradiación solar (radiación electromagnética) en energíatérmica (agua caliente, aire caliente, etc. ) en definitiva unfl id t t i l d l bi tfluido a una temperatura superior a la del ambiente.Existen diversos tipos y diseños de captadores con costes yrendimientos diferentes y se pueden utilizar en diversasy paplicaciones. Actualmente el más utilizado es el colector solarplano del cual existen muchas variantes.




S b d l l li

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Sabemos que todo cuerpo expuesto al sol se calienta ysimultáneamente se producen perdidas por radiación,convección y conducción que crecen con la temperaturaconvección y conducción que crecen con la temperatura.En equilibrio termodinámico, la potencia incidente(irradiancia solar) en un captador solar será igual a la(irradiancia solar) en un captador solar será igual a lapotencia perdida.El equilibrio se produce a 100ºC cuando G=1000W/m2.q pSi además de las perdidas que se producen, extraemosenergía útil del mismo (caso del captador solar ), setiene:




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2.1.1. ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR


En la siguiente figura se muestra un esquema de uncaptador solar plano para líquidos. En ella serepresentan los elementos más importantes delmismo.




D d l t d i t ét i t d l

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2.1.1. ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR


Desde el punto de vista geométrico , en un captador solar sediferencian los siguientes términos relativos a la superficie delmismo:

Área total: área máxima proyectada por el captador completo, excluyendocualquier medio de soporte y acoplamiento de tubos.Área de apertura: área proyectada máxima a través de la cual penetra laradiación solar sin concentración en el captadorradiación solar sin concentración en el captador.Área del absorbedor: área proyectada máxima de la proyección delabsorbedor. No incluye ninguna parte del absorbedor que no es alcanzadapor la radiación solar cuando su dirección es perpendicular al plano depor la radiación solar cuando su dirección es perpendicular al plano deproyección que define el área del absorbedor.




L di ió l t éti l i idi b d

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2.1.2. EFECTO INVERNADERO


La radiación electromagnética al incidir sobre un cuerpo puede sertotal o parcialmente absorbida, reflejada o transmitida. La mayorparte del espectro de la radiación solar esta comprendido entre 0.3y 3μm El vidrio es transparente entre 0 3 y 3μm y opaco fuera dey 3μm. El vidrio es transparente entre 0.3 y 3μm y opaco fuera deesas longitudes de onda.

La irradiación después de atravesar el vidrio incide sobre elabsorbedor, el cual se calienta y emite a su vez radiación conlongitud de onda comprendida entre 4.5 (370ºC) y 7.2 μm (129ºC)g p ( ) y μ ( )para la cual el vidrio es opaco.




La c bierta transparente plana E l l t t t l

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2.1.3. CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA


La cubierta transparente plana: Es el elemento transparente a laradiación solar y opaco a la radiación de onda larga que emite elabsorbedor (material selectivo trasmisivo), produciendo así elefecto invernadero en el interior del captadorefecto invernadero en el interior del captador.Algunos captadores llevan varias cubiertas transparentes quereducen las pérdidas pero aumentan mucho el coste de losequiposequipos.Funciones:

Protege los elementos internos del colector, absorbedor y aislamiento.Forma parte de los elementos de aislamiento del colector y permite lacreación del efecto invernadero. Reduce las pérdidas térmicas por conveccióny radiación en el absorbedor.Debe permitir que la radiación solar penetre fácilmenteDebe permitir que la radiación solar penetre fácilmenteDebe resistir los efectos del medio ambiente (estanqueidad)




C í i

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Características:Alto coeficiente de transmisión en el intervalo (0.3‐3μm).Bajo coeficiente de transmisión para longitud de onda > 3μmBajo coeficiente de transmisión para longitud de onda > 3μm.Bajo coeficiente de conductividad térmica.Alto coeficiente de reflexión en la cara interior de la cubiertaAlto coeficiente de reflexión en la cara interior de la cubiertapara longitudes de ondas largas.Rechazo a la suciedad por la cara exterior (facilidad de limpieza).Buena resistencia mecánica (viento, nieve, granizo, etc.).

M t i l tili dMateriales utilizados:Vidrio selectivo.Materias plásticasMaterias plásticas.




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2.1.3.1. Vidrio.Propiedades ópticas:La transmisión energética es función del espesor, delángulo de incidencia y del tipo de vidrio (composicióng y p pquímica). Podemos definir el coeficiente detransmisión de un vidrio como:




2 1 3 1 Vid i14



2.1.3.1. Vidrio.La composición química del vidrio tiene un gran influencia sobre τ. Unalto contenido en sales de hierro reduce notablemente latransmisividad de un vidrio Por ello lo recomendable es el uso detransmisividad de un vidrio. Por ello lo recomendable es el uso devidrios selectivos con bajo contenido en FeO.

Normalmente se fabrican vidrios especiales para cubiertas decaptadores solares tanto desde el punto de vista mecánico (templado,3‐4 mm espesor) y óptico (τ>90%). La distancia entre el vidrio y elp ) y p ( ) yabsorbedor esta comprendida entre los 2‐4 cm.




i l lá i15



2.1.3.2. Materiales plásticosHay plásticos con coeficientes de transmisión similaresl id i í i i i l lal vidrio, cuyas características principales laspodríamos resumir:Poca densidad (fácil mantenimiento)Poca densidad (fácil mantenimiento).Poca fragilidad.Baja conductividad térmica.jAlto coeficiente de dilatación lineal.Baja resistencia a temperaturas elevadas.Dureza poco elevada.Inestabilidad química y deterioro físico bajo la acción de




El absorbedor l l t f d t l d t d l

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2.1.4. ABSORBEDOR


El absorbedor: es el elemento fundamental de un captador solarplano, su misión es recibir la radiación solar, transformarla enenergía térmica y transmitirla al fluido caloportador.S l l b l i i E l d l fl idSe suele emplear cobre o aluminio. En el caso de que el fluido quepasa por el absorbedor sea el mismo que se utiliza en el sistema(ej. piscinas) se emplean absorbedores de acero o plástico.




E l d i t h di ñ d b b d17

2.1.4. ABSORBEDOR


En el mercado existen muchos diseños de absorbedorespara líquidos:

Dos placas metálicas separadas algunos milímetros entre lasp p gcuales circula el líquido caloportador.Placa metálica sobre la que están soldados o embutidos lostubos por los que circula el fluido.p q




El d t i l táli t d di i i l t

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2.1.4. ABSORBEDOR


El uso de materiales metálicos en captadores radica principalmenteen su elevada conductividad térmica y su baja emisividad. Por elcontrario, este tipo de materiales poseen una baja absortividad locual reduce la captación de energía electromagnética y sucual reduce la captación de energía electromagnética y sutransformación en térmica.Por ello es necesario cubrir el absorbedor con una superficieadecuada básicamente se utilizan dos tipos de tratamiento paraadecuada, básicamente se utilizan dos tipos de tratamiento paracubrirla.




T t i t l ti Pi t

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2.1.4. ABSORBEDOR


Tratamientos no selectivos. Pinturas:Coeficiente de absorción elevado,coeficiente de emisión elevado (α≈ε)Las perdidas por emisión son elevadas yLas perdidas por emisión son elevadas ycrecen con la temperatura.

Tratamientos selectivos:Coeficiente de absorción elevado (α ≈ 0 9)Coeficiente de absorción elevado (α ≈ 0.9)Coeficiente de emisión bajo (ε ≈ 0.1)Superposición de varias capas (metal ycompuestos metálicos). Normalmentecompuestos metálicos). Normalmentesuelen ser metales pulimentadosrecubiertos por una capa de pintura negraa base de oxido de cromo, níquel, hierro ocobrecobre.El cociente α/ε es el índice de selectividado efectividad de un absorbedor, a medidaque aumenta , aumenta la calidad delb b d d dabsorbedor de un captador.




Las características que definen un buen absorbedor destacamos:

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2.1.4. ABSORBEDOR


Las características que definen un buen absorbedor, destacamos:Perdida de carga

En termosifón inferior a 3mm por m2 de captador.En forzada la perdida de carga no es un factor críticoEn forzada la perdida de carga no es un factor crítico.

Corrosión internaNo utilizar uniones cobre‐hierro a fin de evitar la corrosión del hierro.Evitar que el fluido pueda llegar a ser corrosivoEvitar que el fluido pueda llegar a ser corrosivo.

Capacidad del absorbedorEs recomendable el uso de captadores con absorbedores de baja inercia térmica.

Homogeneidad en la circulación del fluido caloportador en el absorbedorHomogeneidad en la circulación del fluido caloportador en el absorbedorEl caudal debe ser el mismo en todas las partes del absorbedor.

Puentes térmicosResistencia a la presiónResistencia a la presiónTransmisión de calorDisposición de entradas y salidas




Ti d b b d

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2.1.4. ABSORBEDOR


Tipos de absorbedores:Los dos tipos principales deconfiguración del absorbedor delcolector son parrilla de tubos (arpa) ycolector son parrilla de tubos (arpa) yserpentín. El modelo empleadoprincipalmente es el primero, puestoque, aunque provoque un menortiempo de residencia y ciertotiempo de residencia y ciertodesequilibrio hidráulico, provoca unapérdida de carga muy baja, lo quefacilita la cantidad de colectores aconectar en paralelo y el dimensionadoconectar en paralelo y el dimensionadode los circuladores del circuitoprimario.Se disponen circuitos interiores cuandoplas condiciones del fluido a trasportaraseguren un pH entre 7.2 y 7.6, nosiendo válido el empleo del hierro. Si seusa aluminio se deben emplearpinhibidores de iones de Cu y Fe.




El I A M (M difi ió d l á l d i id i ) l l ió

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2.1.5. EL ÍNDICE I.A.M.


El I.A.M. (Modificación del ángulo de incidencia) es la relaciónentre el factor de eficiencia del captador medio diario y elfactor de eficiencia dado por el fabricante (máximo).p ( )Podemos decir que es el parámetro que mide como cambia lacapacidad de captación del captador conforme se modifica elá l d l d óángulo con que incide la radiación.Para captadores solares planos su valor eta entre 0,96(captadores cubierta simple) y 0 94 (captadores doble(captadores cubierta simple) y 0,94 (captadores doblecubierta).En la actualidad existen muchos captadores con valores I.A.Mpsuperiores a la unidad dependiendo de la configuración ygeometría del absorbedor y la cubierta plana transparente.




Para evitar la cesión de calor desde el interior del captador al exterior es necesario

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2.1.6. AISLAMIENTO TÉRMICO


Para evitar la cesión de calor desde el interior del captador al exterior es necesarioproveer al equipo de capas de aislamiento en el lateral y en fondo.Un buen aislamiento en estas zonas que no están expuestas generalmente al solcontribuye a disminuir el factor de pérdidas del captador, aumentando suy p p ,rendimiento. Los aislantes deben de poseer, entre otras, las siguientescaracterísticas:

Buen comportamiento a altas temperaturas.E V d l l 200ºC d t tEn Verano pueden alcanzarse los 200ºC de temperaturas.

Bajo nivel de desprendimiento de vapores.Con la acción del calor los aislantes pueden desprender vapores que pueden condensarse en lacubierta.

Bajo nivel de degradación con el tiempo.Resistentes a la humedad.

Por lo general los aislantes se degradan con rapidez ante la presencia de humedad, por lo que sedebe de evitar la penetración accidental de agua o la presencia de condensaciones en elp g pcaptador.

En el mercado existen diferentes tipos de aislantes, los más utilizados encaptadores planos son: Lana de vidrio, corcho expandido, XPS, EPS, resina demelanina (λ<0 05 W/mK a 50ºC)melanina…(λ<0,05 W/mK a 50ºC)




L j d l

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2.1.7. LA CARCASA


La caja o carcasa se encarga de encapsulartodos los elementos que componen elcolector, dotando al conjunto de rigidezmecánica. Es el elemento que sirve paraconformar el captador, fijando la cubierta. RACOR ABSORBEDOR

TUBOS DE COBRE DEL COLECTOR

CRISTAL PIRAMIDAL

MARCO ALUMINIO

ANODIZADO

p jHabrá que prestar atención a la corrosión ydeterioro debido a la radiación solar y a losagentes atmosféricos.Está realizada preferentemente en aluminio

RACOR CONEXIÓN ABSORBEDOR

Está realizada preferentemente en aluminioanodizado, si bien para soluciones de menorcalidad constructiva se utilizan materialescon una mas baja resistencia a laintemperie.

AISLAMIENTO DE LANA DE ROCA

TUBO DE COBRE DEL COLECTOR

∅ 22 mm

Como elemento fundamental de la caja seencuentra la junta de la cubierta. Es unelemento de material elástico cuya funciónes asegurar la estanqueidad de la uniónentre cubierta y carcasa Servirá a su vezentre cubierta y carcasa. Servirá a su vezpara absorber las diferencias en lasdilataciones entre la carcasa y la cubierta,para que no se produzca rotura en ningúnelemento del captador.




L d i l i t i d l b t d l b b d

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2.1.7. LA CARCASA


Las condensaciones en el interior de la carcasa, sobre todo en el absorbedor, sonpeligrosas ya que producen óxidos en los metales reduciendo su rendimiento y vidaútil. Para evitarlas los fabricantes utilizan varias técnicas:

Captadores completamente estancosp pSe les realiza un cierto vacio en el interior para evitar deformaciones por efecto de la temperatura.

Captadores estancos al agua pero no al aireSon más económicos que los anteriores y más resistentes. En contrapartida el rendimiento delcaptador disminuyecaptador disminuye.

La durabilidad de los captadores térmicos es, sin duda, un factor decisivoen la selección del mismo, más aún cuando se pretende que su vida útil seextienda mas allá de los 20 años.Las principales causas de fallo de un captador son:

Entrada de agua en el interior del captadorDegradación del tratamiento del absorbedorDegradación del tratamiento del absorbedorCorrosión del absorbedorDegradación y rotura de la cubiertaDegradación del material de las juntasg j




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2.1.8. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR


Balance energético en un captador:El flujo energético y las pérdidas que se producen en un captador solar:




L t i éti d l t d d t i di t

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Las prestaciones energéticas de los captadores se determinan medianteensayo de eficiencia energética descrito en la norma UNE‐EN 12975. Eneste ensayo se determina el calor útil que proporciona el captador solar enfunción de la temperatura del circuito primario y de la irradiancia solar.función de la temperatura del circuito primario y de la irradiancia solar.Los datos experimentales obtenidos se representan en una gráfica enforma de rendimiento en función de la temperatura característica:

Temperatura característica:Temperatura característica:




S b l j t d d t d li t

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Se observa que el ajuste de datos se puede realizar con una recta:

La norma indica que se debe realizar una aproximación cuadrática cuando las medidas recojan unatendencia cóncava. De esta forma se obtiene la siguiente curva cuadrática:g

Por lo tanto los datos que proporcionan los fabricantes son los siguientes:Coeficiente de rendimiento ηo (adimensional).Coeficiente de perdidas lineal a1 (W/m2K)Coeficiente de pérdidas cuadrático a2 (W/m2)

En algunos casos la curva del captador esta representada en función de la temperaturaEn algunos casos la curva del captador esta representada en función de la temperaturacaracterística expresada en función de la temperatura de entrada del captador:

Luego la curva de rendimiento queda expresada de la siguiente forma:

Donde:K0 es el factor de eficiencia óptica y k1 el coeficiente global de perdidas.El método de las curvas f (f‐chart) requiere la curva lineal del captador basada en la temperatura deentrada.




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Rendimiento instantáneo de un captador:Puntos significativos de la curva de rendimiento de un captador:

C l j d d d R di i ó i á iCorte con el eje de ordenadas: Rendimiento óptico o máximo.

Corte con el eje de abscisas: Rendimiento instantáneo nulo, bien por baja irradiancia solar, bien por que la temperatura en el interior del colector es tan alta que las perdidas térmicas son iguales a la energía absorbida. Temperatura de estancamiento. Según UNE EN12975 Testc /G=1000W y tamb=30º.

A raíz del balance energético de un captador, ¿Qué tipo de d i l d ? E f ió d lcaptadores existen en el mercado?, En función del

rendimiento ¿para qué tipo de instalaciones se utilizan?



2.1 EL CAPTADOR SOLAR2.1.. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR


30



2.1 EL CAPTADOR SOLAR2.1.8. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR


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¿Qué tipo de curva de rendimiento tendrán cada uno de los captadores vistos?





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Colectores solares de tubo de vacio:Los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas paredes se hace un vacío muy elevado (en torno a 0,005 pa), y el vidrio interior suele llevar un tratamiento a base de metal pulverizado para aumentar la absorción de radiación.

Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo fluorescente; en torno a los 60mm de diámetro y 180cm de largolos 60mm de diámetro y 180cm de largo

encaje

sellado con juntas

muelletubo muelletubo repartidorconexión

tubo-en-tuboENERGÍA SOLAR TÉRMICA I ‐ SESIÓN 3



C l t l d t b d i



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Colectores solares de tubo de vacio:Existen dos conceptos de funcionamiento diferentes:

SISTEMAS DE FLUJO DIRECTO: el fluido caloportador circula por elp ptubo expuesto al sol, calentándose a lo largo del recorrido.SISTEMAS HEAT PIPE: El concepto heat‐pipe es una evolución deltubo de flujo directo que trata de eliminar el problema deltubo de flujo directo que trata de eliminar el problema delsobrecalentamiento, presente en los climas más calurosos.En este sistema, se utiliza un fluido que se evapora alcalentarse ascendiendo hasta un intercambiador ubicado en elcalentarse, ascendiendo hasta un intercambiador ubicado en elextremo superior del tubo. Una vez allí, se enfría y vuelve acondensarse, transfiriendo el calor al fluido principal.Este sistema presenta una ventaja en los veranos de los climasEste sistema presenta una ventaja en los veranos de los climascálidos, pues una vez evaporado todo el fluido del tubo, ésteabsorbe mucho menos calor, por lo que es más difícil que los tubosse deterioren o estallense deterioren o estallen.





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Colectores solares de tubo de vacio:Tipos constructivos de tubos:

A)Tubo de vacío con absorbedor plano

B) Absorbedor doblado para incrementar el rendimiento en

C) Media aleta con reflector para reducir la pérdida

térmica del árearendimiento enradiaciones inclinadas

térmica del área

D) Tubo de cristal forrado fl t t S

E) Reflector interno: se i t l di i t

F) Tubo cristal con ti i t d fcon reflector externo. Se

evita el anillo de metal en el cristal

incrementa el rendimiento y se protege contra la

degradación

revestimiento de y formaoptimizada de de la

cubierta del tubo





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Colectores solares de tubo de vacio:




Inclinación de captadores:

2.1.9. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE


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Inclinación de captadores:En fotovoltaica, la inclinación óptima son 30º ya que es la que mayor captación solar acumula a lo largo del año.Sin embargo, en térmica no siempre interesa obtener el máximo anual. Pensemos, por ejemplo, en las necesidades de agua caliente para usos domésticos El consumo de ACS nopara usos domésticos. El consumo de ACS no difiere mucho del invierno al verano. Si situamos los colectores a 30º obtendremos la máxima cantidad anual de ACS pero repartida de la siguiente forma: poca en invierno yde la siguiente forma: poca en invierno y mucha en verano.Dependiendo del objetivo a lograr emplearemos una inclinación mayor o menor:

Captación lo más uniforme posible a lo largo del año: 45 º.Captación preferentemente en invierno: 55 º.Captación preferentemente en verano: 5 ºCaptación preferentemente en verano: 5 .



2.1 EL CAPTADOR SOLAR2.1.9. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE


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Orientación de los colectores

Estructura soporte

Determinación de las sombras.

Distancia mínima entre captadores.

IDEM que lo explicado para la energía solar fotovoltaica.


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