COLECTORES SOLARES PLANOSINTRODUCCION.Un colector solar es una
especie de intercambiador de calor que transforma la energa
radiante en calor. La transferencia de energa se hace desde una
fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente)
que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energa
radiante que finalmente intercepta el colector, proviene bsicamente
del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29
y 2.5 m) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones
ptimas podemos esperar como mximo, flujos de 1100 W/m2. De esta
forma, un anlisis de colectores solares presenta problemas
relacionados con radiacin y flujos de energa pequeos y variables.
Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores
solares planos son los ms comunes. Estos pueden ser diseados y
utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energa sea
liberada a bajas temperaturas, debido a que la temperatura de
operacin de este tipo de colectores, difcilmente pasa los 100 C.
Las ventajas que podemos obtener de este tipo de colectores con
respecto a los colectores de enfoque, que concentran la radiacin
solar; es que stos utilizan la energa solar directa y difusa, no
requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol,
prcticamente no necesitan mantenimiento y son mecnicamente de
construccin ms simple que los colectores concentradores. Las
principales aplicaciones de estos dispositivos son en el campo del
calentamiento de agua a nivel domstico e industrial,
acondicionamiento calorfico de edificios y secado de fruta y
granos. En este captulo se analizar detalladamente el
funcionamiento trmico terico de los colectores solares planos,
donde se ver que funcin juega cada una de sus partes. Aunque en
general el anlisis se hace para colectores que utilizan un lquido
como fluido de trabajo, haciendo pequeos cambios convenientes, este
tambin sirve para colectores que trabajan con gases. En general,
cuando se hable de un lquido, se tratar de agua fluyendo a travs de
un tubo y cuando se hable de un gas, entenderemos que es aire
fluyendo por un ducto que puede tener muy diversas formas.
DESCRIPCION GENERAL DE UN COLECTOR SOLAR PLANO.
El colector solar plano muestra un corte transversal de uno de
estos dispositivos que maneja un lquido como fluido de trabajo. la
energa solar incidente, tiene que atravesar una o varias capas de
vidrio o algn otro material transparente adecuado, antes de
alcanzar la placa de absorcin negra que es el elemento ms
importante del colector solar, al cual est unido el tubo o ducto.
En esta placa, es donde la energa radiante es convertida en calor.
Este calor, posteriormente es transferido por conduccin hacia el
fluido de trabajo (agua, aire), que es el que finalmente remueve la
energa trmica del colector y la transfiere al tanque de
almacenamiento trmico o al espacio o producto que va a ser
calentado, segn la aplicacin que se le est dando. El vidrio o su
equivalente, adems de permitir la entrada de la radiacin solar
hasta la placa de absorcin, sirve tambin para minimizar las prdidas
de calor por radiacin y conveccin hacia el medio ambiente por la
parte superior del colector. El aislante trmico (espuma de
poliuretano, poliestireno, lana de fibra de vidrio o algn otro)
colocado en la parte posterior y lados del colector, disminuye
tambin las prdidas de calor hacia el medio ambiente en esas partes.
Todas las partes mencionadas se encuentran dentro de una caja que
sirve como parte estructural del colector y que puede ser hecha de
diversos materiales como lmina metlica, madera o plstico. El diseo
de cada colector depende fundamentalmente de la aplicacin especfica
a la cual vaya a destinarse. Este debe ser diferente si por ejemplo
se trata de calentar agua para una alberca (22 - 30 C), agua para
uso domstico (40 - 60 C) o aire para el acondicionamiento calorfico
de edificios (90 - 100 C). Algunos de los parmetros ms importantes
que se tienen que tomar en cuenta para su diseo y funcionamiento,
son los siguientes: tipo de tubo o ducto, dimetro nominal,
longitud, nmero de tubos y espaciamiento entre ellos; material,
espesor y acabado de la placa de absorcin o aleta; nmero y tipo de
capas o cubiertas transparentes; tipo de aislante y espesor; tipo
de fluido de trabajo y flujo de masa del mismo; inclinacin y
orientacin del colector; condiciones ambientales como velocidad del
viento y temperatura del aire y, por supuesto, la intensidad de la
radiacin solar.
TIPOS DE COLECTORES SOLARES PLANOS.
Los colectores solares planos pueden ser divididos en dos
categoras bsicas: los que utilizan como fluido de trabajo un lquido
(agua) y los que
utilizan un gas (aire). En general los que calientan aire
manejan flujos mucho ms grandes que los que calientan agua. Tambin
podemos decir que cuando se trabaja con un lquido, este fluye
normalmente por un tubo adherido a la placa absorbedora o aleta;
mientras que cuando se utiliza un gas, este fluye por un ducto que
forma parte de la placa de absorcin y que adems puede tener muy
diversas formas.
1. Placas absolvedoras para calentamiento de lquidos. Las placas
de absorcin (tubo y aleta) utilizan un lquido como fluido de
trabajo. Pueden existir diversas configuraciones. El tubo puede
estar en la parte superior o posterior de la aleta o placa. Tambin
puede estar unido a ella mediante soldadura apropiada, algn
pegamento especial que contenga trozos de metal conductor como
bronce o simplemente adherido a la placa mediante una obstruccin
practicada a la misma para ese fin. Existen tambin otros tipos de
colectores planos que integran el tubo a la placa absorbedora y que
no es precisamente de seccin circular. En general las placas de
absorcin pueden estar formadas por tubos con aleta individuales o
bien, utilizando una sola placa de absorcin, a la cual se le
adhieren los tubos mediante los mecanismos antes mencionados.
2. Placas absorbedores para calentamiento de gases. Al igual que
en el caso anterior, pueden existir un gran nmero de
configuraciones de placas de absorcin para el calentamiento de
gases En general se pretende que dentro del colector haya una gran
rea de contacto entre la placa absorbedora y el aire circulando a
travs del colector, para asegurar una buena transferencia de calor.
Estudios de laboratorio indican que el rea de absorcin debe ser
entre 2 y 4 veces el rea de vidrio expuesto al sol. En este tipo de
colectores, la placa de absorcin se coloca unos cuantos centmetros
por arriba del aislante trmico, de manera que el aire fluya entre
estos dos componentes, aunque tambin podra fluir por el hueco que
queda entre la placa absorbedora y la cubierta de vidrio.
La placa absorbedora puede ser una simple lmina con aletas, una
lmina corrugada, una serie de ductos grandes hechos 0de lmina, un
relleno de metal o mallas de forma entreverada para formar una
matriz absorbedora o una lmina en forma triangulada para dar ms rea
de contacto al colector.Un captador solar, tambin llamado colector
solar, es cualquier dispositivo diseado para recoger la energa
irradiada por el sol y convertirla en energa trmica. Los colectores
se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja
temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domsticos de
calefaccin y ACS, y los colectores de alta temperatura, conformados
mediante espejos, y utilizados generalmente para producir energa
elctrica.Contenido[mostrar]
[editar]Tipos [editar]Captadores
de baja temperatura
captadores solares planos.
Captador solar plano, tambin llamado colector solar plano o
panel solar trmico,
consistente en una caja plana metlica por la que circula un
fluido, que se calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez:
Captador plano protegido: con un vidrio que limita las prdidas de
calor. Captador plano no protegido: sistema ms econmico y de bajo
rendimiento,
utilizado esencialmente para climatizacin de piscinas. Panel de
tubos de vaco, donde la superficie captadora est aislada del
exterior por un
doble tubo de vidrio que crea una cmara al vaco. Existen dos
sistemas: Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en
los captadores planos. Flujo indirecto o Heat pipe:1 el calor
evapora un fluido en el tubo, y ste transmite
su energa al condensarse en el extremo. [editar]Captadores
de alta temperatura
espejos planos en concentrador solar.
espejos parablicos en concentrador solar.
Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura
mediante
espejos parablicos. Pueden ser: Sistemas lineales (disposicin
cilndrica): el fluido se calienta al recorrer la lnea
situada en el foco de la parbola Sistemas puntuales (disposicin
esfrica): con forma de plato, utilizado para
concentrar ms los rayos y obtener as temperaturas ms altas
cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas. Espejos
planos o lentes Fresnel lineales,2 con idntica funcin que los
concentradores
solares lineales. Espejos en una central trmica solar, que
concentran la radiacin solar en un nico punto
situado en una torre, en donde se genera vapor de agua para
producir electricidad. Espejos en un horno solar, variante donde se
utilizan espejos planos y posteriormente
espejos parablicos para obtener muy altas temperaturas.
[editar]Colectores
planos protegidos
Son los ms utilizados por tener la relacin coste-produccin de
calor ms favorable. En ellos, el captador se ubica en una caja
rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y
120cm de ancho, los 150 y 200cm de alto, y los 5 y 10cm de espesor
(si bin existen modelos ms grandes). La cara expuesta al sol est
cubierta por un vidrio muy fino, mientras que las cinco
caras restantes son opacas y estn aisladas trmicamente. Dentro
de la caja, expuesta al sol, se sita una placa metlica. Esta placa
est unida o soldada a una serie de conductos por los que fluye un
caloportador (generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos). A
dicha placa se le aplica un tratamiento superficial selectivo para
que aumente su absorcin de calor, o simplemente se la pinta de
negro. [editar]Colectores
planos no protegidos
Son una variante econmica de los anteriores donde se elimina el
vidrio protector, dejando la placa expuesta directamente al
ambiente exterior. Carecen tambin de aislamiento perimetral. Dada
la inmediatez y simplicidad de este tipo de paneles, existen
multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales:
conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro
es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su
limitada eficiencia, necesitan una superficie ms grande para
conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo
coste. [editar]Tubos
de vaco
Los tubos de vaco suponen un concepto distinto: se reduce la
superficie captadora a cambio de unas prdidas calorficas menores.
La lmina captadora se coloca dentro de tubos al vaco, por tanto con
unas prdidas calorficas despreciables. Estos tubos presentan el
mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color
oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en
una estructura de peine. Las ventajas de este sistema son su mayor
aislamiento (lo que lo hace especialmente indicado para climas muy
fros o de montaa), y su mayor flexibilidad de colocacin, ya que
usualmente permite una variacin de unos 20 sobre su inclinacin
ideal sin prdida de rendimiento. La desventaja es un coste
significativamente mayor. [editar]Concentrador
Solar
El concentrador solar, como su nombre lo indica, concentra la
radicacin solar en un rea ms pequea, similar al principio de una
lupa. [editar]Funcionamiento Los colectores solares planos
funcionan aprovechando el efecto invernadero el mismo principio que
se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en
verano. El vidrio acta como filtro para ciertas longitudes de onda
de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es
menos transparente con las ondas infrarrojas de menor energa. El
sol incide sobre el vidrio del colector, que siendo muy
transparente a la longitud de onda de la radiacin visible, deja
pasar la mayor parte de la energa. sta calienta entonces la placa
colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiacin en
onda larga o (infrarrojos), menos energtica. Pero como el vidrio es
muy opaco para esas longitudes de onda, a pesar de las prdidas por
transmisin, (el vidrio es un mal aislante trmico), el recinto de la
caja se calienta por encima de la temperatura exterior.
Al paso por la caja, el fluido caloportador que circula por los
conductos se calienta, y transporta esa energa trmica a donde se
desee. El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la
temperatura de trabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la
caja (en relacin con la exterior), mayores sern las prdidas por
transmisin en el vidrio. Tambin, a mayor temperatura de la placa
captadora, ms energtica ser su radiacin, y ms transparencia tendr
el vidrio a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia del
colector. [editar]Aplicaciones Preparacin de agua caliente para
usos sanitarios, Calefaccin Climatizacin de piscinas.
Dependiendo de la estacin del ao, tanto en viviendas
unifamiliares como en edificios, las instalaciones de energa solar
trmica proporcionan habitualmente entre el 30% y el 100% del agua
caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-50%, por lo
que necesitan el apoyo de sistemas convencionales de produccin de
agua caliente. Utilizados para calefaccin slo son indicados para
sistemas de baja temperatura, como el suelo radiante, donde se
emplean para precalentar el agua de la caldera. Segn los diferentes
estudios que se consulten, la reduccin del consumo obtenida se
estima entre un 25-45%, aunque en la prctica no suele ser
econmicamente rentable dimensionar la instalacin para reducciones
de consumo mayores a un 30%. El problema con el uso para calefaccin
es que los das en que las necesidades de calefaccin son mayores, la
captacin y el rendimiento de los colectores son menores. Mientras
que cuando los paneles son ms eficientes, las necesidades de
calefaccin son menores. Para calefactar espacios se puede tambin
hacer circular aire a travs de paneles especialmente diseados para
ello, proporcionando calefaccin directa sin los riesgos operativos
que presenta el agua (aunque con menos eficiencia debido a la menor
capacidad caloportadora del aire). El uso de paneles solares
trmicos es particularmente adecuado para la climatizacin de
piscinas, pues la baja temperatura de trabajo requerida permite
incluso tipologas de colectores sin vidrio protector, lo que
abarata enormemente tanto los costes como el impacto ambiental de
la instalacin. Adems, no necesitan acumulador puesto que es la
propia agua de la piscina la que acta como tal. Est en desarrollo
el empleo de colectores para refrigeracin con mquinas de absorcin,
pues al contrario que en calefaccin, la mayor demanda de
refrigeracin coincide con el mejor rendimiento de los
colectores.
[editar]Perspectivas
de uso en calefaccin
Se estima que el 80% del consumo energtico de una vivienda se
produce en forma de agua caliente a baja temperatura (calefaccin y
agua caliente sanitaria). De este consumo, aproximadamente el 70%
se emplea en calefaccin. La calefaccin es por tanto uno de los
grandes caballos de batalla del ahorro energtico. Los colectores
solares planos no son tecnolgicamente complejos, por lo que su
margen de evolucin es muy limitado. No obstante, actualmente
consiguen captar en torno al 80% de la energa recibida del sol.
(Comprese con el 10-15% de los paneles solares fotovoltaicos
comunes). Por ejemplo, en Ciudad de Mxico, se obtienen 15MJ/da/m2
en verano, y 8-10MJ/da/m2 en invierno. Si bien hasta finales de
2006 su empleo en calefaccin era econmicamente discutible y su
viabilidad dependa de subvenciones estatales, hoy en da y debido
sobre todo al aumento del precio del petrleo, constituyen una
interesante inversin. Sin embargo, el principal escollo que tiene
que superar esta tecnologa es su escasa utilizacin a lo largo del
ao: la demanda anual de calefaccin, a diferencia del agua caliente,
no se reparte homogneamente, sino que se concentra en los meses ms
fros, que adems coinciden con los de menos luz solar. Por este
motivo, los paneles de calefaccin permanecen inactivos la mayor
parte del ao, dificultando su amortizacin en el tiempo. La
utilizacin masiva de paneles solares trmicos depender por tanto de
nuestra capacidad para dotarlos de uso en verano, por ejemplo para
refrigeracin. Otras mejoras menores incluiran qu hacer con el calor
sobrante en los meses en los que, aun disponiendo de ellos para
refrigeracin, no se utilicen los colectores (como en primavera o
otoo), ya que si no se disipa adecuadamente, el exceso de calor
puede destruir los colectores, por lo que hay que dotarlos de
sistemas de prevencin tales como pequeos radiadores exteriores, que
elevan el coste del panel.
Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol
para calentar alguna sustancia, como puede ser agua,
aceite,salmuera, glicol o incluso aire. Su uso ms comn es para
calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas,
lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domsticos como
hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida tilde
hasta 20 aos sin mayor mantenimiento. En muchos climas un
calentador solar puede disminuir el consumo energtico utilizado
para calentar agua. Tal disminucin puede llegar a ser de hasta
50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando
el consumo de gas o electricidad. Aunque en muchos
pases, por lo general en vas de desarrollo con climas muy
propicios para el uso de estos sistemas, no los utilizan debido al
costo inicial que se debe de cubrir para calentar la primera gota
de agua. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para
aumentar su eficiencia y vida til. La eficiencia para captar la
energa solar es muy elevada en los calentadores solares.
Dependiendo de la tecnologa y materiales implementados, puede
llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. No debemos confundirnos
con el panel fotovoltaico, el cual no se utiliza para calentar
substancias, sino para generar electricidad a partir de la luz.
(Vase Energa solar trmica).Contenido[mostrar]
[editar]Tipos
Componentes de un Calentador Solar plano.
De acuerdo con su funcionamiento los calentadores solares se
clasifican en dos tipos: Activos
Los calentadores solares activos son aquellos que utilizan una
bomba o algn tipo de energa externa para mover el agua dentro de su
ciclo. Pasivos
Los generadores solares pasivos no requieren de energa externa
para funcionar. Utilizan el principio de conveccin para mover el
agua dentro del sistema. [editar]Componentes Existen 4 componentes
bsicos en un calentador solar: [editar]Colector
Tambin llamado captador solar o panel termosolar. Es el
componente que se encarga de transferir la energa solar al agua.
Consiste en un arreglo de tuberas o conductos por donde fluye el
agua. El arreglo puede estar pintado de negro mate o cubierto con
pinturas selectivas como el cromo negro para evitar reflejar la luz
y as lograr una mayor absorcin de calor. El colector suele estar
contenido en una caja con paredes externas resistentes a la
intemperie y con paredes internas dotadas de aislamiento trmico. La
parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales
transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la
intemperie, utilizados para generar efecto invernadero dentro el
colector. Existen diferentes variantes de colector: (Vase colector
solar) Tubos y Placas
En el llamado colector plano, se disponen dos tubos horizontales
y se conectan con varios tubos verticales. Cada uno de estos tiene
acoplada una placa normalmente de lmina delgada. Las lminas sirven
para captar el calor y transmitirlo por conduccin a la tubera. El
arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una
inclinacin especfica dependiendo de la localidad terrestre. El agua
entra por uno de los extremos del tubo horizontal ms bajo, sube por
todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo
horizontal ms alto. Serpentn
Una manguera o tubo se dispone en una formacin de vaivn o
espiral. La superficie expuesta al sol recibir la energa
directamente sobre el conducto. Tubos de vaco
El colector utiliza tubos de vidrio al vaco. Dentro de los tubos
se encuentran los conductos del colector. El vaco previene los
fenmenos de conduccin y conveccin, aumentando la eficiencia pero
tambin el costo. Existen tambin otros tipos de colectores que
alcanzan mayores temperaturas: Concentradores parablicos,
consistentes en un arreglo de espejos en forma de cilindro
parablico que reflejan la energa solar hacia un solo conducto
lineal por donde pasa una substancia capaz de calentarse a
temperaturas alrededor de los 300 C. La variante llamada plato
parablico concentra la energa en un punto en lugar de una
lnea como en el caso del concentrador parablico. Las
temperaturas alcanzables con este colector pueden superar los 650
C.
(Vase concentradores solares) [editar]Contenedor Es el
recipiente de almacenamiento del fluido. Se conecta con la entrada
y la salida del colector. Durante el da, el agua se recircula una y
otra vez entre el colector y el contenedor. Despus de un tiempo y
dependidendo de las dimensiones de los componentes, el agua se
calentar para su uso posterior. La energa capturada en el colector
se guarda en el tanque en forma de agua caliente. En el momento de
requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fra. El
tanque est aislado trmicamente para evitar prdidas y mantener
caliente el agua por ms tiempo. En un sistema domstico, el
contenedor suele incorporar un calentador elctrico de apoyo, que se
activar en caso de no alcanzar la tempertura deseada. En los
calentadores solares de albercas o piscinas, el contenedor suele
ser la alberca misma, y la caja aislante del colector puede no ser
necesaria debido a la escasa diferencia entre la temperatura de
trabajo (temperatura del agua) y la temperatura ambiente.
[editar]Sistema El sistema son todas las tuberas, bombas, sistemas
de control, llaves de paso, y accesorios con las que cuente el
calentador solar. Conecta por medio de tuberas el colector con el
contenedor, as como tambin el calentador con las tuberas de una
casa. [editar]Substancia
de trabajo
Si la circulacin es directa, se emplea agua potable; la misma
que se utilizar en regaderas, lavabos, lavadoras, albercas, etc. En
este caso, el agua se hace pasar por el colector para ser guardada
en el contenedor. Si se utiliza circulacin indirecta existen dos
circuitos: uno con agua potable para el consumo, y otro con un
fluido caloportador, que usualmente es agua o una mezcla de agua y
glicol. Los dos circuitos se ceden energa mediante un
intercambiador de calor. En este sistema, el agua potable no pasa
por el colector, sino nicamente por el contenedor, que aloja un
intercambiador de calor donde se transfiere la energa captada por
el fluido caloportador. Este sistema es ms conveniente si el
calentador se encuentra en una localidad de clima fro, ya que el
fluido caloportador que circula por el colector tiene propiedades
anticongelantes, previniendo la ruptura de las tuberas por
congelamiento.
Rendimiento 30% mejor rendimiento que el calefactor solar plano,
fcil y rpido de montar ya que su estructura de aluminio muy
liviana, viene con las perforaciones y pernos adecuados.
Produccin de agua caliente
En verano la produccin de agua caliento es de 120 Lt/da a
98C.Debido a la disminucin de radiacin solar, la produccin en
invierno se reduce a la mitad; es decir 120 Lt/da a 50C.
[editar]Tipos
de circulacin
Calentador solar.
Circulacin directa
El agua que se calent en el colector se utiliza directamente por
el usuario. Circulacin Indirecta
Una substancia de trabajo se calienta y se enva a un
intercambiador de calor. ste utiliza el mismo principio que un
radiador. De esta manera se separa el fluido del sistema con el
fluido a utilizar. Esta opcin es conveniente cuando el sistema de
calentamiento se ubica en zonas propensas a congelacin, donde el
agua podra quebrar las tuberas al congelarse. [editar]Ubicacin
Los colectores estn instalados en lugares despejados, orientados
de tal manera que su superficie est lo ms perpendicular posible a
los rayos del sol. Si se encuentra en el hemisferio norte, el
colector deber estar orientado hacia el sur, con un ngulo
proporcional a la latitud del lugar. Debido a que la inclinacin
terrestre modifica el ngulo de la incidencia de los rayos del sol a
lo largo del ao, es conveniente ajustar la inclinacin del colector.
Se recomienda tener un margen de +15 y -15 con respecto al ngulo de
los rayos del sol en el equinoccio. (Vase Radiacin solar).
]Ventajas Costo mnimo en comparacin con calentadores a base de
gas. Mayor simplicidad con respecto a la temperatura del agua.
Facilidad de mantenimiento.
Desventajas Dependiendo el volumen y el momento en que se usa el
agua caliente, sta puede tener
o no la temperatura deseada. Depende de las condiciones
climticas Restriccin en hora de utilizacin del agua caliente.
Mantenimiento necesario.