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INTRODUCCIÓN
En la actualidad estamos enfrentando los problemas ambientales causados por el
impulso de un desarrollo insostenible, por el uso irracional de recursos
energéticos. Algunos de estos problemas irreversibles, la mayoría causados por la
quema de combustibles fósiles para la generación de energía, que emiten
grandes cantidades de gases contaminantes a la atmosfera.
Por todo ello es imprescindible aprovechar las energías “limpias”, que no causan
daños en la ecología: como es la energía solar.
La radiación solar podemos aprovecharla como energía de muchas formas, en
este documento haremos el fundamento para el diseño de calentadores solares
de agua, aprovechando, además una importante característica del agua: el efecto
termosifón, que consiste en la circulación natural de esta al aumentar su
temperatura.
En esta investigación, principalmente se presentan brevemente las formulaciones
acerca de la teoría de calentadores solares de agua que describen los fenómenos
físicos que se producen en el aprovechamiento de la energía solar.
La recopilación de la información presentada está enfocada en un modelo de
calentador solar con colector plano tipo rejilla y de circulación natural. Antes, se
analizan algunos conceptos previos sobre radiación solar y balance de energía en
el calentador solar con el objetivo de ayudar a la comprensión de los conceptos
principales.
Se analizaran a lo largo del presente trabajo tres puntos: i) balance de energía en
el colector solar plano, ii) pérdidas de calor en las conexiones y en el depósito de
almacenamiento, y iii) circulación natural del líquido en el calentador solar. En el
análisis se tiene en cuenta los parámetros más importantes que influyen en el
diseño del calentador solar, tales como: radiación solar, temperatura ambiental,
etc.
Agradecemos anteladamente las sugerencias ya que nos servirán en la
realización de trabajos similares.
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CAPÍTULO I
CONCEPTOS PREVIOS
1.1.- Radiación solar
La energía solar, como recurso energético terrestre, está constituida
simplemente por la porción de luz que emite el Sol y que es interceptada
por la Tierra.
La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera,
considerando la distancia promedio entre la Tierra y el Sol, se llama
constante solar, y su valor medio es 1353 W/m2, la cual varía en un 0,2%
en un período de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la
superficie terrestre es menor que la constante solar, siendo alrededor de
1000 W/m2, debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que
origina la interacción de los fotones con la atmósfera. Esta porción de
energía se conoce como radiación directa.
Otra parte de la energía solar que llega a la superficie de la tierra se
denomina radiación difusa que es aquella energía solar reflejada por la
atmósfera terrestre, en especial por las nubes.
Además, a nivel del suelo se tiene la radiación reflejada que es parte de la
energía reflejada por los objetos terrestres. Por ejemplo, la proveniente de
una pared blanca, un charco de agua o un lago, etc.
Radiación total es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada que
se reciben sobre una superficie.
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De otra parte, en el diseño de calentadores solares, la radiación que
interesa es la que llega a la parte superior de la superficie horizontal del
colector solar. En este caso, se puede considerar la falta de radiación
reflejada y por lo tanto, la energía que recibe el colector solar se le
denomina como radiación global.
De este modo, la radiación global es la suma de las radiaciones directa y
difusa. Un caso particular, pero de mucho interés en el estudio de
calentadores solares, es la radiación total sobre una superficie horizontal
expuesto hacia el sol.
En este caso puede considerarse que no existe radiación reflejada y se
conoce también como radiación global.
Por tanto, la radiación global es la suma de la directa más la difusa, esta
radiación global es la que se aprovecha en colectores planos.
Tanque de almacenamiento
Agua caliente
Colector solar agua fria
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1.2.-Termosifón
El agua cuando se calienta por encima de los 4 grados centígrados, pierde
densidad. Este hecho hace que en un circuito cerrado el agua fría que se
encuentre en la parte alta de la misma tienda a ser sustituida por otra más
caliente que se encuentre en la parte baja. Ello origina un movimiento de
circulación que se denomina fenómeno de termosifón. Tal movimiento
responde a unas diferencias de presiones internas en el líquido.
Resumiendo, termosifón es un circuito con canalizaciones o conductos por
el cual circula un líquido sin necesidad de ser aspirado o impulsado con
bombas, simplemente utilizando el principio físico de que el agua caliente
"pesa" menos que el agua fría.
Esta propiedad del agua, es aprovechada en muchas instalaciones para
favorecer la circulación. Actualmente muchos equipos de producción de
energía solar térmica están calculados para utilizar el efecto termosifón y
almacenar el agua calentada por el sol en la parte alta de la instalación.
Pero el ejemplo más claro es en los acumuladores
Calentador de agua con
termosifón (esquemático):
1: hacia el grifo
2: depósito aislado
3: entrada de agua caliente
4: colector solar térmico
5: entrada de agua fresca
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Un termosifón es un aparato cuyo funcionamiento se explica con las
corrientes de convección naturales de los fluidos, en los que las partes
calientes de los mismos tienden a ascender. A este fenómeno se le conoce
también como sistema de circulación natural, aplicado a la producción de
agua caliente mediante captadores solares. El efecto del termosifón
también es utilizado en la arquitectura, para mover aire en un recinto.
1.3.-Tecnología solar activa
La tecnología solar activa es un término referido a aquellas tecnologías
utilizadas para transformar la energía solar en calor utilizable, para producir
corrientes de aire para ventilación o refrigeración o para almacenar el calor
para uso futuro, todo ello por medio de equipamientos mecánicos o
eléctricos tales como bombas y ventiladores. Los sistemas que captan y
utilizan la energía solar sin usar estos dispositivos se clasifican dentro de la
tecnología solar pasiva. Un ejemplo típico de solar pasiva sería una
chimenea solar para mejorar la ventilación natural de una vivienda.
Los sistemas de agua caliente sanitaria, excepto los basados en
termosifón, usan bombas o ventiladores para hacer circular el agua, una
mezcla anticongelante o aire a través de los colectores solares, razón por
la cual se clasifican dentro de la tecnología solar activa. Los colectores
solares pueden ser planos o con algún sistema de concentración. La
mayoría de los colectores solares térmicos suelen situarse sobre soportes
fijos, pero tendrían un rendimiento superior si pudieran seguir al Sol en su
recorrido. Los seguidores solares a veces utilizados para mejorar el
rendimiento de paneles fotovoltaicos que permanecen óptimamente
orientados al Sol, pueden diseñarse en base a una tecnología solar activa o
pasiva.
Como la tecnología solar pasiva no requiere energía adicional para
funcionar y, por tanto, coste de operación cero, no emite gases de efecto
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invernadero y los costes de mantenimiento son muy bajos, es una elección
muy interesante para tener en cuenta. Sin embargo, los sistemas solares
térmicos activos, que suelen usar ventiladores y bombas, ofrecen una
fracción solar mayor que los sistemas pasivos, debido a las mejoras en las
transferencias y el transporte del calor. Un sistema híbrido que utilizara la
energía solar fotovoltaica para alimentar esas bombas y ventiladores,
podría resultar de lo más interesante. Los análisis por ordenador con
programas como el F-Chart, pueden servir para comparar las distintas
tecnologías.
1.4.-Tecnología solar pasiva
La tecnología solar pasiva es el conjunto de técnicas dirigidas al
aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en
otro tipo de energía, para su utilización inmediata o para su
almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo
de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para
su regulación.
Las tecnologías que usan bombas o ventiladores consumen una
significativa cantidad de energía para su funcionamiento y por ello se
clasifican dentro de las tecnologías solares activas. Algunos sistemas
solares pasivos pueden, no obstante, consumir una pequeña cantidad de
energía necesaria para activar compuertas, relés, interruptores u otros
dispositivos que mejorarían el rendimiento de estos sistemas en la
recolección, almacenamiento y uso de la energía solar.
a) Aplicaciones
La tecnología solar pasiva incluye sistemas con ganancia directa e indirecta
para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua
basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio
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de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas
solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio
abrigo de la tierra. También incluye otras tecnologías como los hornos
solares o las fraguas solares, aunque estos requieren cierto consumo de
energía para alinear espejos concentradores o receptores e históricamente
no han demostrado ser muy prácticos o rentables para uso extensivo.
b) Beneficios
Los sistemas solares pasivos se caracterizan por requerir poco o ningún
coste para realizar su trabajo, muy reducido para su mantenimiento y no
emiten gases de efecto invernadero durante su funcionamiento. Esto no
impide que haya que seguir trabajando optimizando los sistemas para
obtener un mayor rendimiento y beneficio económico. El ahorro y la
eficiencia en el consumo de la energía reducen el tamaño de una
instalación (ya sea renovable o convencional) y redunda en un mayor
beneficio económico si son criterios que se consideran desde el principio.
Las tecnologías solares pasivas ofrecen importantes ahorros, sobre todo en
lo que respecta a la calefacción de espacios. Combinadas con tecnologías
solares activas, como la solar fotovoltaica, pueden convertirse, además, en
una excelente fuente de ingresos.
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CAPÍTULO II
CÁLCULOS EN EL DISEÑO DEL
CALENTADOR SOLAR.
2.1.- Balance de energía en el calentador solar
El balance de energía tiene como objetivo determinar el calor útil transmitido
al agua para establecer la eficiencia del calentador solar. El calor útil qútil,
empleado para calentar el agua del depósito de almacenamiento, es una
parte de la radiación global incidente sobre el colector solar HTAe; la otra
parte es calor disipado al ambiente: i) por el colector solar qcs, ii) por el
depósito de almacenamiento qda y iii) por las conexiones qcx. En la figura 1
se presentan las partes del calentador solar y en la figura 2 se muestra un
diagrama del balance de energía.
Este balance de energía se expresa analíticamente como:
H TAe = qutil + qcs + qda + qcx ...(1)
El calor útil introducido en la ecuación 1 está representado por el flujo de
agua m´ en el calentador y las temperaturas de entrada y salida del depósito
de almacenamiento Tfe, Tfs.
quti l= mCp( Tfe-Tfs) …(2)
Dónde: Cp = capacidad calorífica del agua
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La eficiencia del calentador se define, entonces, como el porcentaje de la
radiación solar global incidente sobre la superficie efectiva del colector y
que es aprovechado como
calor útil.
…… (3)
En la práctica la eficiencia se determina experimentalmente en un intervalo
finito de tiempo; para fines de diseño el período de evaluación t puede ser
de un día o un tiempo mayor. Así, los valores puntuales obtenidos durante
el periodo de evaluación son integrados mediante la siguiente ecuación:
…….(4)
Fig.-Diagrama del balance de energía en el calentador solar
2.2.- Pérdidas de calor en el depósito de almacenamiento y las conexiones
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2.2.1.- Depósito de almacenamiento
Las pérdidas de calor en depósito de almacenamiento se expresan
como:
2.2.2.- Conexiones
Por otro lado, el balance de energía en las conexiones se divide en
pérdidas en la conexión de agua fría y en la conexión de agua
caliente, así:
2.3.- Circulación natural del agua en el calentador solar
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La circulación natural o circulación por termosifón es un fenómeno que se
fundamenta en la variación de la densidad del agua, que es inversamente
proporcional al incremento de la temperatura, esto quiere decir por ejemplo,
que la densidad del agua a 60 ºC es menor que la densidad de agua a
20 ºC. Si se colocan en un tubo en U dos volúmenes iguales de agua a las
temperaturas mencionadas, el nivel de la columna de agua más caliente es
mayor respecto a la de agua más fría (ver figura 8), esto se explica porque la
columna de agua a 20 ºC tiene mayor masa que la columna de agua a 60ºC
Debido a que en estos tipos de calentadores solares se aprovecha la
circulación natural de agua, no se necesita de una bomba para la circulación
del agua. Un aspecto importante de la circulación natural es la ubicación del
depósito de almacenamiento respecto del colector solar.
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2.3.1.- Ubicación del depósito de almacenamiento respecto al colector
solar.
En la figura se muestra la disposición de las entradas y salidas de
agua tanto en el colector como en el depósito de almacenamiento,
así como las alturas o niveles en que se encuentran ubicadas dichas
entradas y salidas. A partir de esta figura, se definen los ángulos α1
y α2 de la siguiente manera:
2.3.2.- Altura de presión de la circulación natural
La altura de presión de circulación natural ΔPCN es la altura
resultante de la diferencia de la presión generada por la diferencia de
densidades del agua ΔP y la pérdida de carga por fricción en los
tubos hp.
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-Altura de presión debido al cambio de densidad del agua en el
colector solar
Para calcular la presión generada por el cambio de densidad del
agua, el calentador solar se representa como se muestra en la
siguiente figura.
La entrada del colector el agua tiene una densidad, ρe, mientras que a
la salida el agua tiene una densidad ρs, además se asume una
densidad promedio ρ. Aplicando la ecuación de Bernoulli se obtiene:
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CAPÍTULO III
APLICACIONES Y ASPECTOS AMBIENTALES
3.1.- Aplicaciones
La energía solar térmica de baja temperatura encuentra cada día nuevas
aplicaciones aunque la predominante con gran diferencia, es la producción
de agua caliente sanitaria (ACS). Otras aplicaciones con cierto peso
relativo son la calefacción y el calentamiento de piscinas.
A continuación se enumeran algunas de las posibles aplicaciones:
a) Producción de agua caliente sanitaria
Es la aplicación más extendida a nivel comercial. Se pueden realizar
instalaciones en circuito abierto y en circuito cerrado. La temperatura
deseada normalmente es de 45º. Se emplean colectores solares planos.
Fig. Equipo compacto termosifón para vivienda unifamiliar
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b) Instalaciones de calefacción
Existe la posibilidad de realizar el suministro de calefacción mediante
energía solar térmica. El rango de temperatura que se alcanza con energía
solar (en el entorno de los 50ºC) es especialmente indicado para su
utilización en sistemas de calefacción basados en el suelo radiante o en
“fans-coils”.
c) Climatización de piscinas
En el calentamiento de piscinas mediante energía solar térmica podemos
distinguir a grandes rasgos dos tipos de instalaciones: instalaciones en
piscinas descubiertas e instalaciones en piscinas cubiertas.
Instalaciones en piscinas descubiertas: En este caso se suelen
emplear sistemas muy simples, en los que la propia piscina actúa
como acumulador.
Constan de un sistema de captación (que puede estar basado en
colectores de plástico o paneles de vidrio, más económicos y
resistentes al cloro del agua de la piscina) que puede ser alimentado
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con la propia agua de la piscina, eliminando la necesidad del
intercambiador, instalándose la bomba para la circulación a la salida
de la depuradora, en la parte fría de la instalación.
Instalaciones en piscinas cubiertas: La ventaja es que el agua del
vaso de la piscina debe estar a una temperatura de 25ºC,
perfectamente compatible con los sistemas tradicionales de
aprovechamiento solar. Se emplean colectores planos normales, y el
sistema está formado por un circuito doble, con intercambiadores
para la producción de agua caliente sanitaria y calentamiento de la
piscina.
3.2.- Aspectos ambientales.
Al igual que el resto de las energías renovables, las aplicaciones térmicas
de la energía solar, presentan muchos beneficios medioambientales como
evitar la contaminación atmosférica, nula o escasa repercusión sobre el
suelo, el agua, la vegetación, etc.
La utilización de la energía solar térmica en muchas ocasiones va asociada
al entorno urbano, en el cual se presentan problemas medioambientales de
diferentes tipos y entre los que destaca la contaminación atmosférica
producida por vehículos, instalaciones térmicas domésticas, etc. Por tanto,
la aplicación de esta tecnología tiene como ventaja el disminuir
sensiblemente las emisiones gaseosas originadas por los sistemas de
generación de agua caliente, precisamente en aquellas localizaciones en
que este problema resulta más acusado.
La integración de los paneles solares térmicos de forma armoniosa con la
edificación puede paliar o enmascarar el posible efecto visual negativo.
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Adicionalmente la aplicación de energía solar térmica en sectores como el
hotelero puede ser un aspecto de interés fuera de campo estrictamente
energético ya que proporciona una imagen de respeto con el medio
ambiente, cuidado del entorno y calidad de vida.
Estas consideraciones adquieren especial relevancia para el caso de los
hoteles y apartamentos de Canarias, pudiendo realizar una pequeña
contribución a crear un determinado tipo de oferta turística.
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CONCLUSIONES
1) La energía solar térmica puede aprovecharse de muchas formas,
Constituyendo una manera muy efectiva de contribuir al desarrollo
sostenible.
2) Para el diseño de un calentador solar eficiente es necesario tomar en
cuenta algunos parámetros que caracterizan a los materiales que serán
utilizados, como capacidad calorífica, reflexión, conductividad calorífica,
etc.
3) En Los cálculos matemáticos debe considerarse las pérdidas de calor, las
cuales disminuyen la eficiencia.
4) Los diseños y Los materiales utilizados pueden variar según las
condiciones de la zona.
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BIBLIOGRAFÍA
1) ATECYR. Aplicaciones de la energía solar a baja temperatura. Editorial Index, 1984
2) BAITSELL George. Uso directo de la energía solar”. H. Blume ediciones, 1982
3) BECKMAN William A. Proyecto de sistemas térmico-solares. Editorial Index, 1984
3) MANRIQUE J.A. Energía solar, fundamentos y aplicaciones fototérmicas.
Industria editorial fototérmicas, reg. 723, 1984
4) VALERA, Aníbal. Energía solar. Lima, 1993
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