Presentación del equipo
El sol es una fuente de energía inagotable y gratuita que puede satisfacer gran parte de nuestras necesidades si disponemos de los medios adecuados para hacerlo.
La irradiación solar que llega a la superficie terrestre es de unos 1,000 W/m2, lo que supone que la energía solar que incide anualmente sobre la tierra es aproximadamente 10,000 veces mayor que la que demanda la población mundial y además es superior a la que ofrecen todas las reservas de energía fósil y nuclear disponibles en la tierra.
México es un país privilegiado pues presenta uno de los niveles de irradiación solar más elevados del mundo, lo que significa que en nuestro país los colectores solares serán más eficientes y por ello, para una misma aplicación, podrán ser más pequeños y más económicos que en otras latitudes, amortizándose la inversión en menos tiempo.
En México la energía anual proporcionada por el sol en un metro cuadrado es equivalente a la producida por 200 litros de petróleo, lo que nos permitiría ahorros energéticos en torno a los 2,100 kWh/m2.año.
Descripción general
Ambos dispositivos (tubos al vacío y panel plano) calientan el agua por medio de la energía que proviene del sol, sin apoyo de ninguna otra fuente de energía.
Consta de un colector solar (elemento que capta la energía del sol y la transforma en calor), un depósito acumulador de agua caliente o termo tanque y una serie de tuberías para conducir el agua fría de la red al sistema solar y el agua caliente desde éste al lugar donde va a ser consumida.
Las aplicaciones de los colectores solares pueden ser:
• Obtención de agua caliente sanitaria en vivienda, restaurantes, hospitales, hoteles, etc.
• Climatización: calefacción y refrigeración de edificios o naves industriales.
• Procesos industriales: curtidoras, secadoras, desaladoras, destilación, procesos químicos, etc.
• Calentamiento de agua para albercas.
Sistema termosifón o de circulación natural
En este tipo de sistemas, también conocido como de convección natural, y que es el más sencillo y económico, el depósito de acumulación de agua caliente se encuentra en contacto directo con el colector, normalmente detrás y por encima de él. El agua circula naturalmente por diferencia de densidades del agua caliente y fría, por lo tanto no se necesita bomba o elemento de mecánico que le proporcione movimiento al agua con presión, por lo que puede ser utilizado en lugares donde no existe electricidad. El proceso de calentamiento se desarrolla de la siguiente forma: el agua fría del acumulador sale por la parte inferior de este, hacia el captador, por donde pasa lentamente por el circuito interior del mismo, hasta llegar al extremo superior del captador o en su caso a la parte alta del tubo, ya caliente, desde donde penetra directamente al acumulador. Las aportaciones de calor al depósito de acumulación se realizan en su parte superior, por donde también sale para su uso.
Para el buen funcionamiento del sistema termosifónico y las tuberías de conexión deben de ser lo más cortas posibles y presentar bajas perdidas de carga (diámetro adecuado). A efectos de reducción de pérdidas de calor del sistema conviene que la tubería presente aislamiento térmico.
El agua caliente para uso domestico se puede tomar directamente desde el depósito acumulador, o también se puede enviar el agua caliente a través de un calentador instantáneo a gas o eléctrico de apoyo, el cual solo encienda en caso que la temperatura del agua sea inferior a la requerida. Esto es valido cuando el consumo de agua caliente es superior al que puede proporcionar el equipo solar o cuando haya varios días nublados.
Sistema solar con circulación forzada
(Bomba circuladora)
En estos sistemas el elemento colector y el depósito acumulador no están ubicados cerca y por lo tanto la circulación del agua se consigue gracias a una bomba circuladora que la impulsa desde el depósito acumulador hasta el colector solar de tubos al vacio o panel plano cuando estos se encuentran expuestos a una cantidad suficiente de irradiación.
El control de la bomba se realiza mediante una centralita diferencial en función de las temperaturas en la salida de los captadores, y en el interior del depósito. El proceso de calentamiento se desarrolla de la siguiente forma: el fluido calo portador sale por la parte inferior del depósito hacia el captador, por donde pasa lentamente por el circuito interior del mismo, hasta llegar al extremo superior del captador, ya caliente, desde donde penetra directamente al depósito.
La ventaja de este sistema es que el depósito puede estar ubicado donde se desee, no necesariamente encima de los colectores y permite una mayor flexibilidad en el diseño de la instalación y en lugares fríos permite situar el depósito en un lugar protegido, para disminuir las perdidas térmicas.
Este sistema es más adecuado para instalaciones grandes que requieren de varios colectores y grandes depósitos acumuladores de agua.
Componentes principales y Funcionamiento
Calentadores Solares de Tubos al Vacío
A) Vaso de expansión o tanque chico:
Este tiene la función de admitir el agua del termo tanque cuando se calienta y aumenta la presión. También sirve para el llenado del termo tanque desde la alimentación.
B) Válvula expulsora de aire:
Esta es una válvula de seguridad que elimina la presión generada por agua caliente, permitiendo liberar aire y vapor.
C) Temo tanque:
Es el depósito donde se almacena el agua que es calentada por el colector, y tiene un aislante para no perder temperatura.
D) Base (soporte):
Consiste en una estructura metálica que sostiene al termo tanque y al colector; además de la inclinación necesaria con el respecto al sol para captar la mayor cantidad de calor.
E) Colector de tubos al vacío:
Se compone por unos tubos de doble capa, que tienen un vacío y una pared interior oscura para elevar la temperatura circula por los tubos y se calienta, ascendiendo nuevamente al termo tanque.
Principio de funcionamiento del colector solar de tubos al vacío
El elemento captador de la energía solar es el tubo de vacío, que consiste en dos superficies cilíndricas, concéntricas y fabricadas de un material cristalino llamado Borocilicato, entre las que se efectúa un vacío, de manera que éste evita la perdida de calor recibido del sol por un recubrimiento especial, de nitruro de aluminio, depositado en la pared exterior del tubo interior
Una vez efectuado el vacío dentro del tubo, el getter calienta a alta temperatura, reacciona con los gases residuales que puedan quedar y dejar un depósito metálico plateado en el fondo del tubo que nos sirve para verificar que dentro del tubo existe vacío, pues al perderse éste, dicho depósito plateado se vuelve blanco al reaccionar con el oxígeno.
Una ventaja de los tubos de vacío que son capaces de absorber hasta un 80% del total de la luz solar que les llega, de forma que la cantidad de energía disponible para calentar el agua es mayor.
Funcionamiento del colector de tubos al vacío
La superficie interior del tubo de vacío recibe agua fría de la parte inferior del depósito acumulador; esta agua se calienta gracias a la energía solar recibida por la capa selectiva de absorción del tubo y transformada en calor y asciende por el tubo, regresando de nuevo al depósito; nueva agua fría ocupa su lugar, comenzando de nuevo el ciclo. Este Efecto llamado termosifón o de convención natural es el que permite que el agua circule entre los tubos y el depósito sin necesidad de ningún dispositivo de bombeo.
Calentadores Solares de Panel Plano
1 Placa colectora
Las láminas de cobre soldadas ultrasónicamente a conductos de cobre, proporcionan una optima trasferencia del calor entre aleta y conducto. Una capa de cromo negro sobre la base de niquel claro, logra una excelente selectividad, altamente eficiente en el uso de energía solar.
2 Tubo vertical de CU
Conductos de cobre soldados a dos conductos principales con una relación optima entre diámetros.
3 Salida de CU
Conexión hembra de ¾” de bronce.
4 Marco de Al
Adherida al aislamiento, actúa como barrera contra perdidas de calor por el dorso del captador.
5 Vidrio solar
Un panel único de vidrio solar templado con bajo contenido de hierro de 3.2 mm de espesor, diseñado para reducir la reflectividad y para aumentar su resistencia y duración.
6 Aislamiento 40mm
Una plancha de lana de roca de 40 mm de espesor por debajo y alrededor de la superficie de absorción mantiene el calor en el captador por un largo periodo de tiempo.
7 Cubierta posterior de Al
Moldeada en aluminio para aprovechar al máximo la radiación solar.
8 Pegamento resistente a los rayos UV
Sellado con pegamento resistente a los rayos UV que absorbe la expansión del vidrio.
9 Pestaña cubierta
Equipos de apoyo
Porque no siempre la radiación solar es suficiente, es necesario contar con un elemento de apoyo a la instalación solar capaz de aportar la energía necesaria.
Los calentadores instantáneos de apoyo solar modulantes y de encendido directo al quemador, son para uso de apoyo a una instalación de energía solar térmica. Dichos calentadores tienen la función de detectar la temperatura proveniente del agua del panel solar, y en caso de haber una disminución en la misma, se encenderá el calentador para brindar una temperatura constante al consumidor.
En estos modelos la conexión habitual de agua fría (toma de la derecha) se convertirá en la conexión del agua proveniente del acumulador de la instalación de energía solar térmica. En la toma del centro se encuentra el gas y el agua caliente saldrá por la toma de la izquierda que incorpora una válvula mezcladora, a la cual se deberá fijar una toma extra de agua fría. El agua caliente saldrá a una temperatura constante.
