1. Intruducción
El interés por las energías renovables se ha incrementado por
la necesidad actual en materia de uso racional de la energía y preservación del
medio ambiente. La energía solar posee una capacidad inagotable para
aplicaciones a escala humana, es conocida por ser una de las fuentes renovables
más limpias y presenta una gran perspectiva de desarrollo a nivel mundial. En
los últimos años, las tecnologías de aprovechamiento de energía solar han
protagonizado una gran progresión debido a avances tecnológicos en todos sus
componentes, que han permitido una reducción importante en los costos de los
equipos.
A nivel mundial, el agua caliente sanitaria (ACS) se ha
convertido en el segundo uso energético a nivel doméstico después de la
calefacción y la refrigeración, por lo que el calentamiento solar de agua es
una alternativa tanto ecológica como un potencial mercado económicamente
atractivo. La aplicación de la energía solar térmica que ha tenido mayor uso y
divulgación es el calentamiento de agua para uso doméstico. Sin embargo, a
pesar de la reducción del costo de los captadores presentado en los últimos
años, la utilización de la térmica solar mundial sigue siendo muy baja. Esto se
debe en gran medida a las características de dispersión e intermitencia innatas
de la energía solar.
2.
Conceptos
básicos, definiciones y componentes en calentamiento de agua por energía solar
En esta sección se describe los componentes
fundamentales de los sistemas de calentamiento.
En
general, el aprovechamiento térmico de la energía solar se divide en tres áreas
[1]:
· Aprovechamiento de baja temperatura
(menos de 90ºC): aplicado para calentamiento de agua y preparación de
alimentos.
· Aprovechamiento de mediana
temperatura (menos de 300ºC): para aplicaciones industriales.
· Aprovechamiento de alta temperatura
(hasta 4000ºC): aplicado para la generación de electricidad.
En
este blog se presentarán inicialmente las aplicaciones de calentamiento de agua
domésticas con posibles adaptaciones a dispositivos industriales de baja
temperatura, información sobre aprovechamiento de mediana y alta temperatura se
publicará en una etapa posterior.
En
general toda instalación solar térmica de baja temperatura está formada por los
siguientes sistemas [2,3]:
Sistema de captación:
formado por uno o varios colectores o captadores solares conectados entre sí
que se sitúan en la parte exterior y más alta del edificio, convenientemente
orientados a los rayos solares. Es la parte de la instalación que transforma la
radiación solar incidente en energía térmica del fluido que circula por su
interior.
Sistema de acumulación o
acumulador: formado
por uno o más tanques de almacenamiento de agua caliente, encargado de
almacenar el agua caliente obtenida y adaptar en el tiempo la disponibilidad de
energía solar y la demanda térmica.
Sistema de intercambio o
intercambiador: realiza la
transferencia de calor entre los fluidos que circulan por circuitos diferentes.
Puede ir instalado dentro o fuera del acumulador.
Subsistema de distribución:
formado por las tuberías dotadas de aislamiento térmico, bombas, elementos de
seguridad como vaso de expansión, purgadores de aire, válvulas y otros
accesorios.
Sistema auxiliar de apoyo: es
una caldera o calentador convencional instalado para complementar el aporte de
calor en aquellos periodos de escasa radiación solar, o bien, cuando la demanda
de agua caliente sea superior a la que el sistema solar pueda proporcionar por
su diseño.
Sistema de control y regulación:
asegura el correcto funcionamiento del conjunto de componentes que conforman el
sistema.
La Figura 2.1 muestra
los componentes típicos de un sistema de ACS.
Figura 2.1. Instalación típica de aprovechamiento solar para producción
de agua caliente con apoyo instantáneo en línea [3]
En
el aprovechamiento de baja temperatura, los colectores realizan la captación de
forma directa, sin concentración de los rayos solares, por lo que no suelen
llevar asociado ningún sistema de seguimiento solar que modifique el
posicionamiento del colector en función de la situación del sol en cada instante
[2].
A
continuación se describen las principales configuraciones, componentes y
sistemas utilizados en equipos de ACS.
2.1
Tipos de calentadores según
circulación del agua
El
sistema de distribución es el que se encarga de transportar el fluido caliente
contenido en los captadores solares hasta el punto de consumo. Existen
diferentes circuitos de distribución, dependiendo de las necesidades o
condiciones climáticas del lugar donde se realiza la captación. Según el
sistema de circulación del agua, los calentadores solares de agua a baja
temperatura pueden clasificarse como:
2.1.1
Instalaciones de circuito abierto,
circulación directa o sistemas de un solo ciclo [4]
El
agua de red es también el fluido primario que pasa por los captadores solares
para ser calentada y luego ser consumida por el usuario como agua caliente. Estos
sistemas transfieren directamente el agua caliente producida en el captador
solar hacia el depósito de acumulación. La Figura 2.2 muestra un
esquema de una instalación de circuito abierto.
La principal
ventaja de los sistemas de estas características es que resultan más
económicos, más sencillos de fabricar, de instalar e incluso obtienen mejores
rendimientos energéticos que los circuitos cerrados. Por el contrario, el
principal inconveniente de las instalaciones de circuito abierto es que al utilizar
como único fluido de circulación el agua existe la posibilidad de graves
problemas de incrustaciones por la calidad de las aguas, que ocasionan
limitaciones en el funcionamiento, higiene y durabilidad. Por otra parte, se
corre el riesgo de rotura en periodos de heladas en locaciones muy frías. Por
este motivo, las instalaciones de circuito abierto son empleadas en lugares
donde no se dan heladas a lo largo del año.
2.1.2
Instalaciones de circuito cerrado,
circulación indirecta o sistemas de dos ciclos [4]
En
este caso existen dos circuitos independientes: el circuito primario del
sistema captador y el circuito secundario donde se encuentra el sistema de
almacenamiento. En el circuito primario se introduce un líquido especial que
circula por dentro del captador y transmite calor al agua del tanque de
almacenamiento por medio de un intercambiador de calor, de esta forma el agua
de consumo no pasa directamente por los colectores solares y ambos fluidos,
fluido caloportador de trabajo y el agua de red, no se mezclan nunca. Esta
opción es conveniente sobre todo en zonas propensas a congelación, para
asegurar la continuidad del servicio y evitar que el agua rompa las tuberías al
cambiar de fase, en este caso se coloca un componente anticongelante en el
circuito primario del sistema. La Figura 2.3 muestra un
esquema de una instalación de circuito cerrado.
2.1.3
Calentadores con sistema
termosifón
Utilizado
en lugares donde no hay posibilidades de congelación. La simplicidad del
principio de operación (circulación del agua entre colector y tanque por
gravedad) lo hace muy popular para utilización en casas. En contraprestación es
menos eficiente que el de circulación forzada [1].
El
movimiento del fluido de trabajo por el circuito se produce por el principio de
convección natural. El colector capta la radiación solar y por el efecto
termosifón, el agua caliente en el colector sube hasta el tanque y la más fría
baja al colector para ser calentada. Así se genera una circulación natural del
fluido, que se mantiene siempre que exista un gradiente de temperaturas entre
el fluido de los captadores y el que se encuentra en la parte alta de la
instalación dentro del acumulador. En muchos casos se instala un sistema
auxiliar para garantizar el suministro de agua nocturno. Son utilizados sólo
para pequeñas instalaciones [1,3].
Este
sistema hace que los equipos sean fáciles de instalar ya que sólo debe conectarse
a una toma de agua de la red y al circuito de ACS de la vivienda. No obstante,
en los sistemas por termosifón la fuerza impulsora del movimiento es pequeña,
por lo tanto se debe prestar especial atención al diseño y montaje de la
instalación para favorecer siempre el movimiento natural del fluido. Para ello,
el depósito de acumulación debe colocarse siempre en un nivel superior al de
los colectores solares para permitir la convección natural por diferencia de
temperatura. Por otra parte, estos sistemas funcionan sin ningún tipo de
control y/o regulación, y no consumen energía eléctrica, ya que no necesitan
bomba para la circulación del fluido, lo que los hace muy atractivos por su
autonomía [3]. La Figura 2.4 muestra
esquemas de funcionamiento de dispositivos que operan bajo el efecto de
termosifón.
2.1.4
Calentadores con sistema de
circulación forzado
Los
colectores son instalados sobre el techo y el tanque en un lugar bajo. Se
denomina forzado porque requiere una bomba de recirculación para transporte de
agua del tanque al colector.
El
sistema por circulación forzada es más eficiente que el de termosifón, pero
también más costoso. El movimiento del fluido caloportador se realiza a través
de una bomba que es capaz de establecer un caudal determinado según las
necesidades térmicas de cada momento y de vencer las pérdidas de carga del
circuito.
Un
regulador termodiferencial, a través de dos sensores (uno ubicado en la parte
más caliente del colector y otro en la más fría del tanque), enciende la bomba
de recirculación que regularmente consume menos que un bombillo incandescente. La
bomba lleva el agua más fría del tanque hacia el colector, para ser calentada y
una vez caliente regresa al tanque. Si la temperatura del colector es la misma
que la del tanque, el regulador apaga la bomba. El tanque debe estar bien
aislado para minimizar las pérdidas caloríficas y conservar la temperatura hasta
el consumo [1].
Al
emplear una bomba para la circulación del fluido de trabajo, ya no es necesario
que el intercambiador de calor se sitúe en la parte alta de los captadores, por
lo que el depósito de acumulación, que contiene en su interior el
intercambiador, no tiene por qué estar junto a los captadores solares sobre el
tejado. De este modo, el depósito acumulador se puede situar en un lugar
protegido del interior del edificio, esto permite emplear depósitos acumuladores
de mayor capacidad [3]. La Figura 2.5
esquemáticamente una instalación con circulación forzada.
2.1.5
Sistema integrado
La
gran diferencia entre los sistemas tradicionales y el sistema integrado es su
construcción. Mientras el termosifón cuenta con dos componentes (colector y
tanque), y el forzado con tres (colector, tanque y grupo hidráulico), el
integrado solamente utiliza un componente, el cual cumple las funciones de
absorber el calor y almacenar el agua. Este sistema sólo puede ser utilizado en
lugares del trópico con temperaturas promedio superiores a los 25ºC.
Dentro
de una caja aislada por sus costados y en su parte inferior, se instala un
cilindro metálico negro que recibe la radiación del sol directa y la reflejada
por los lados, los cuales están cubiertos con papel aluminio reflejante. De
esta manera se calienta el agua dentro del recipiente durante las horas de sol
y el cobertor térmico transparente reduce las pérdidas caloríficas durante las
horas sin sol.
El
sistema integrado tiene un costo significativamente menor que el termosifón y
el forzado, pero presenta el problema de grandes pérdidas de calor durante las
horas sin sol, a través del recubrimiento transparente, por la falta de un buen
aislamiento. La Figura 2.6 presenta
un esquema y fotografía de este tipo de despositivos.
2.2
Captadores solares
Una
de las partes más importantes en las instalaciones solares es el captador, en
su interior se calienta el fluido calor-portante, por los efectos de la
radiación solar. El más conocido y utilizado es el captador plano, pero existen
numerosos diseños, tamaños, formas y configuraciones diseñadas para cumplir
diferentes necesidades, en las que se destaca por su gran aplicabilidad los
captadores solares de tubo de vacío. A continuación se describen los
principales captadores solares utilizados en calentamiento de agua de baja
temperatura según los materiales y técnicas de captación empleadas.
2.2.1
Colectores solares plásticos o de
placa plana sin cubierta
Este
tipo de colectores son sencillos y económicos. Poseen un absorbedor, pero
carecen de la cubierta transparente. No incluyen ningún aislamiento adicional,
de manera que la ganancia de temperatura es limitada a unos 20 ºC sobre la del
aire ambiente, son los más adecuados para aplicaciones de baja temperatura.
Actualmente, son utilizados para la calefacción de piscinas al aire libre, pero
existen otros mercados, incluidos los de calefacción de agua para lavado de
vehículos y calefacción del agua utilizada en piscicultura. También existe un
mercado potencial de estos colectores para calentamiento de agua en lugares
remotos, como campamentos de verano [8]. Debido a las temperaturas bajas de operación
entre 20-28ºC trabajan con eficiencias muy altas.
Los
fabricantes usan colectores de material plástico negro que son resistentes a los
rayos ultravioleta del sol y a las condiciones climáticas. Los tres materiales
más usados son polipropileno, polietileno y un monómero de etileno propileno
conocido como EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) [1]. Debido a que estos
colectores no tienen cubierta exterior, aislante, ni carcasa, las pérdidas al
ambiente son considerables. La Figura 2.7 muestra
dos instalaciones de colectores solares plásticos.
2.2.2
Captador plano
El
principio de funcionamiento del captador plano se basa en una “trampa de calor”
que conjuga el “efecto de cuerpo negro” con el “efecto invernadero”. Gracias a
este sistema de captación se consigue absorber la mayor parte de la radiación
solar que llega hasta la superficie y devolver la menos posible. Los captadores
planos, destinados por lo general a la producción de agua caliente sanitaria,
están recubiertos de una caja herméticamente cerrada. En la cara superior de
esta caja se coloca una superficie acristalada que deja atravesar la radiación
solar e impide que se pierda la ganancia térmica obtenida [4]. De esta forma
este elemento es de material transparente a la radiación solar (radiaciones
electromagnéticas en onda corta), la cual atraviesa la cubierta de cristal e incide
sobre la superficie de la placa absorbedora, que absorbe una parte y aumenta su
temperatura, y otra parte de la radiación la vuelve a reflejar. Esta vez, la
radiación que es reflejada por la placa absorbedora se emite como radiación de
onda larga, que se corresponde con las emisiones de calor o infrarroja, la cual
no puede atravesar la cubierta de cristal que es parcialmente opaco a la
radiación de onda larga y queda atrapada en el interior del colector,
aumentando la temperatura de la placa absorbedora, así se reducen las pérdidas
y se produce el efecto invernadero. Además, la
cubierta transparente evita la transferencia de calor por convección debida al
viento.
Generalmente
la carcasa que envuelve al equipo de captación es fabricada con materiales de
aluminio y de acero galvanizado, aunque en algunos casos puede ser de plástico
especial o de algún otro material. Junto con el marco, la cubierta protege el
absorbedor de las condiciones meteorológicas adversas, aísla térmicamente y da
rigidez al colector.
En
el interior del sistema captador se encuentra la placa absorbedora, que es el
lugar donde se realiza la captación de la radiación solar propiamente dicha.
Fabricada con materiales altamente conductivos, esta placa tiene un
funcionamiento parecido al de un radiador: con una disposición de tubos que
cuentan con una toma por donde entra el fluido a calentar y otra de salida [4].
Las tuberías son normalmente de cobre y están soldadas por la parte trasera a
la placa absorbedora con métodos de ultrasonido o laser.
Se
ubica aislante térmico en la parte posterior del absorbedor y en las paredes
laterales para reducir las pérdidas de calor por conducción, como aislante se
utiliza normalmente espuma de poliuretano, lana mineral o fibra de lana de
vidrio [8].
Hoy
en día se utiliza el cobre en la mayoría de los absorbedores y los tipos más
habituales son los de tipo serpentín y los de tipo parrilla (o de tubos en
paralelo). En los de tipo parrilla todo el fluido pasa por un solo tubo, tiene
mayor pérdida de carga pero funciona con un caudal inferior, algunas de sus
ventajas son su fabricación sencilla, posibilidad de conexión en paralelo de
muchos colectores y posible funcionamiento con bajo flujo. Por su parte, la
configuración de tipo parrilla ha logrado una mayor cuota de mercado a pesar de
la mayor dificultad en su fabricación, en esta configuración varios tubos en
paralelo y de pequeño diámetro, unidos a tubos de distribución en cada extremo
del captador. Debido a su baja pérdida de carga, se emplean siempre para los
captadores de funcionamiento por termosifón [10]. La Figura 2.8 muestra
los componentes en captadores planos para las configuraciones de tipo serpentín
y parrilla.
2.2.3
Captadores de tubos de vacío o tubos
evacuados
Los
colectores solares de tubos de vacío, también llamados de evacuados, están
formados por hileras paralelas de tubos de vidrio transparente. Cada tubo
contiene a su vez otro tubo interior de absorción recubierto con pintura
selectiva para mejorar la absorción de calor, por donde circula el fluido
caloportador. En el espacio que queda entre el cristal protector del tubo
exterior y la superficie absorbente del tubo interior se induce un vacío muy
elevado (en torno a 0.005 Pa). Con este
cambio se consigue eliminar las pérdidas por convección y conducción interna,
dado que se elimina el aire que puede transferirlas, por lo que se puede
aumentar así la temperatura de trabajo (en el rango de 77 °C a 177 °C) y el
rendimiento de la instalación [3]. De esta manera, este tipo de colectores
resultan particularmente apropiados para aplicaciones de alta temperatura [8].
El
tubo exterior es transparente, fabricado típicamente de borosilicato
transparente de alta resistencia, y permite que pasen los rayos solares a
través de él con un mínimo de reflexión. El tubo interior está cubierto con una
capa especial de material selectivo a base de metal pulverizado para aumentar
la absorción de la radiación solar con mínimas cantidades de reflexión [8] y la
transfiere a un fluido caloportador. Típicamente, el tubo interior también está
hecho de vidrio de borosilicato con recubrimiento de nitrato de aluminio.
Por
su forma cilíndrica, aprovechan la radiación de manera más efectiva que los
colectores planos, al permitir que los rayos de sol incidan de forma
perpendicular sobre los tubos durante la mayor parte del día. Estos colectores
son hasta 30% más eficientes que los colectores planos, pero son mucho
más costosos, por unidad de superficie suelen costar aproximadamente el doble
que un colector de placa plana [9]. La Figura 2.9 muestra
los componentes típicos de los captadores de tubo de vacío.
Existen
dos tipos de colectores de tubos de vacío según sea el método empleado para el
intercambio de calor entre la placa y el fluido caloportador: de flujo directo
y con tubo de calor (heat pipe).
Colectores solares de tubos de
vacío de flujo directo: en
los colectores de tubos de vacío de flujo/corriente directa, el fluido de transferencia de calor es el
agua y se distribuye a través de las tuberías, una para la entrada del líquido
y el otro para la salida. Vienen en varias variedades de acuerdo al tipo de
tubería utilizada [8].
En
el diseño más tradicional, estos captadores están formados por 10 a 20 tubos de
vidrio en cuyo interior se ha inducido el vacío. En el interior de cada tubo
hay una tubería de cobre soldada a una placa rectangular, que absorbe la
radiación solar y cede calor al fluido que circula por la tubería. Las tuberías
de agua fría y caliente son coaxiales, de esta forma el agua fría baja por el
tubo interior y el agua caliente sube por el tubo exterior. Otra configuración
típica es la llamada de flujo directo conducido, en la cual el agua fluye por
el interior de una tubería en “U” en contacto con el absorbedor. Estas
configuraciones son mostradas en la Figura 2.10 y respectivamente
Figura
2.11. Captador
de tubo de vacío de flujo directo con tubo en U: Izq. Componentes [10] y Der.
Principio de funcionamiento [11]
Al
no existir un proceso de cambio de fase, los colectores solares de tubos de
vacío de flujo directo se pueden instalar totalmente horizontales. Esta
tecnología puede presentarse como equipos solares donde los tubos de vidrio
entran dentro de un tanque (tanque integrado), o en casos de volúmenes más
grandes, como equipos donde los tubos de vidrio entran a un cabezal que a su
vez se vacía a algún tanque por gravedad [11].
Colectores solares de tubos de vacío
con tubo de calor o heat pipe: en
este sistema los tubos de vacío llevan un fluido vaporizante (glicol, un
anticongelante con bajo calor específico) que no puede salir del interior del
tubo y que funciona como caloportador. Este fluido se evapora por efecto de la
radiación solar, asciende hasta el extremo superior del tubo que se encuentra dentro
del tanque (termotanque) en contacto con el agua a temperatura inferior, esto
hace que el vapor se condense, ceda su energía al agua almacenada y retorne a
su estado líquido cayendo por acción de la gravedad a la parte inferior del
tubo, donde al recibir más radiación, vuelve a evaporarse y comienza un nuevo
ciclo [8].
El
tubo de calor también lleva una placa de absorción, que se fabrica con un
recubrimiento semiconductor. Esta capa especial selectiva, apropiada para
operar al vacío, asegura una alta absorción de energía y bajas perdidas por
radiación, el resultado es un alto aprovechamiento de la energía disponible
[12].
Una
ventaja del sistema de tubos de calor sobre el de flujo directo es la conexión
"seca" entre el absorbedor y la cabecera, lo que hace más fácil la
instalación y también significa que los tubos se pueden cambiar sin vaciar el
fluido de todo el sistema. Un inconveniente de estos colectores con tubos de
calor es que deben ser montados con un ángulo mínimo de inclinación de alrededor
de 25 ° con el fin de permitir que el fluido interno de la tubería de calor
retorne a la zona de absorción de calor [8]. El calentamiento es un poco
menos efectivo que en los sistemas de flujo directo, pero es un sistema de uso
inmediato ya que se instala directamente a las redes de agua ya existentes
resistiendo altas presiones [11].
El
uso del tubo de calor está muy extendido en la industria y basándose en este
principio de funcionamiento se fabrican los actuales colectores de vacío con
tubo de calor [8]. La Figura 2.12 muestra el
principio de funcionamiento de un captador de tubo de vacío con heat pipe.
Referencias
[2] I. Zabalza, A.
Aranda, S. Scarpellini, E. Sastresa, A. Martínez, Las energías renovables en
Aragón. Confederación de Empresarios de Aragón, Caja de Ahorros de la
Inmaculada, Consejo Aragonés de Cámaras Oficiales de Comercio e Industria,
Zaragoza, 2009.
[8] C. Placco, L. Saravia
y C. Cadena, Colectores solares para agua caliente. INENCO, UNSa–CONICET, 1-6,
2006.
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