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Sistemas de Calentamiento de Agua Potable con Energía Solar (ACS)



Sistemas HEAT PIPE para Agua Caliente Sanitaria "ACS"
La transformación directa de la Energía Solar es bastante antigua.

Así como mediante una lupa es posible calentar un papel con la radiación solar hasta hacerlo arder, se pueden usar espejos adecuados para focalizar la radiación solar en recipientes con agua y calentarla.

También es posible calentar agua mediante sistemas llamados COLECTORES, es decir, grandes depósitos de agua que se calientan por la incidencia directa de la Radiación Solar.

El agua caliente resultante se puede utilizar para:
  • Uso Doméstico directo (ACS)
  • Para Calefacción, mediante difusión por radiadores
  • Para Climatización de áreas mediante intercambio Termo-Químico o Frío Solar
  • Para Generación de Energía Eléctrica mediante Turbinas de Vapor.




Entendiendo la Radianción Solar:

La radiación solar está constituida por una superposición de ondas electromagnéticas cuya longitud de onda están comprendidas entre 0,25 micras y 4 micras. Cuanto menor es la longitud de onda mayor es la energía asociada a la onda.

Los rayos infrarrojos calientan la materia en cuanto entran en contacto con ella, lo mismo que los ultravioletas, pero estos últimos son mucho menos en cantidad.

La cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre en menos de dos semanas, es equivalente a la de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles. Se estima que un total de 1,5 x 1015 megawatt por año, aproximadamente 2500 veces la energía generada por el hombre por medio de todas las formas convencionales, evitando los problemas de radiación que ellas provocan.


El Calentador Solar de Agua


Diagrama de Colector Plano
Aunque los sistemas investigados tienen grandes diferencias entre sí, todos poseen tres partes fundamentales:

Colector
Capta la energía solar y la transfiere al agua (es la parte más importante).

Acumulador
Allí es donde se deposita el agua caliente, para conservarla con la menor pérdida posible.

Sistema de Tuberías
Poseen la función de transportar el agua fría y el agua caliente a través de los elementos que forman el sistema. Estas deben ser de ALTA PRESION y estar RECUBIERTAS con un material aislante del calor para evitar quemaduras por contacto directo.

Diferentes tipos de colectores
Los colectores solares se clasifican según el grado de concentración de la energía solar captada

Índice de concentración = Área de captación del colector / Área de recepción del colector



Se pueden clasificar en colectores planos (índice de concentración igual a 1) y colectores de concentración (índice de concentración mayor que 1)

Colector plano
Consiste en un panel metálico plano que presenta una superficie absorbente de radiaciones solares. Se coloca sobre una estructura protectora (caja de madera o chapa galvanizada). En la parte superior se coloca una lámina de vidrio y por la parte inferior y los laterales se coloca material aislante.

Básicamente los colectores planos están formados por:
  • Cubierta transparente
  • Placa o aletas de metal
  • Tubos
  • Caja
  • Aislante térmico

La cubierta transparente (generalmente vidrio) es la encargada de producir un efecto invernadero dentro del colector, porque permite la entrada de la radiación solar incidente (de onda corta) impidiendo la salida de la energía de la placa al calentarse (de onda larga).


Fotografía de un Calentador de
Agua por Energía Solar Comercial
Las placas o aletas de metal generalmente son de una aleación de cobre ya que este material ofrece buena transmisión de calor, durabilidad y de fácil trabajo. Su función es aumentar la superficie de absorción de calor.

Los pequeños tubos es por donde circula el agua mientras se calienta. Suelen estar soldados sobre una placa metálica negra o en su defecto tienen aletas soldadas sobre sus bordes.

La caja es el soporte de todos los demás componentes. Suele ser de chapa galvanizada, ya que este material es económico y resistente a los fenómenos climáticos.

Colectores de concentración
En estos tipos de colectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una línea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.

El índice de concentración varía según las características constructivas, puede ir desde 2 hasta 1000 o más.

Estos colectores deben instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de precisión.

Concentración lineal alcanzan temperaturas de 200ºc a 300ºc

Concentración puntual alcanzan temperaturas de más de 300ºc

En los tres colectores se eligió utilizar comunmente en Venezuela, el colector solar plano por las siguientes razones:
  • Su eficiencia es la necesaria para las necesidades
  • Su costo es mucho menor
  • No necesita mantenimiento
  • No utilizan energía extra (como lo hacen los de concentración para seguir el movimiento del sol)
  • Su construcción es más simple

Además los colectores planos, aparte de utilizar las radiaciones directas, aprovechan las radiaciones difusas, aumentando su eficiencia en un 10% al 20%. Los colectores de concentración no pueden utilizar las radiaciones difusas porque salen del foco calculado.




Sistemas de Calentamiento de Agua Residencial, Comercial e Industrial

En esta tecnología, los colectores solares térmicos son capaces de captar la radiación solar y transmitírsela a un fluido "caloportador", para su posterior aprovechamiento.


Diagrama de Colector Plano
Esta tecnologia esta dividida en dos grandes grupos:

1. Colectores Solares sin concentración: Los cuales NO superan los 70º C aproximadamente, por lo que son usados en las aplicaciones de la Energía Solar Térmica de baja temperatura. Estos colectores se caracterizan por no poseer métodos de concentración, por lo que la relación entre la superficie del colector y la superficie de absorción es prácticamente la unidad.

- Colector solar de Placa Plana:
En general un colector de placa plana actúa como un receptor que recoge la energía procedente del Sol y calienta una placa. La energía almacenada en la placa es transferida al fluido. Usualmente, estos colectores poseen una cubierta transparente de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero, formado por una serie de tubos de cobre, los cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior. Su aplicación es la producción de agua caliente sanitaria, climatización de piscinas y calefacción.

- Colectores de Aire:
Son colectores de tipo plano cuya principal característica es tener como fluido caloportador el aire. No tienen una temperatura máxima límite (los procesos convectivos tienen una menor influencia en el aire) y trabajan mejor en condiciones de circulación normal, pero en contraposición poseen una baja capacidad calorífica y el proceso de transferencia de calor entre placa y fluido es malo. Su aplicación principal es la calefacción.

- Colectores de Vacío (Heat Pipe): Van dotados de una doble cubierta envolvente, herméticamente cerrada, aislada del interior y del exterior, y en la cual se ha hecho el vacío. Su finalidad es la de reducir las pérdidas por convección. Son más caros, además de perder el efecto del vacío con el paso del tiempo. Su aplicación principal es la producción de agua calienta sanitaria y climatización de piscinas.


Vista de Tubo al Vacío "HEAT PIPE"
- Tubos de Calor:
Poseen una simetría cilíndrica, formados por dos tubos concéntricos; uno exterior de vidrio y uno interior pintado de negro o con pintura selectiva. El fluido circula por el tubo del interno. Su aplicación principal es la calefacción.

- Colectores Cónicos o esféricos:
Su principal característica es que constituyen simultáneamente la unidad de captación y de almacenamiento. Su superficie de captación es cónica o esférica con una cubierta de vidrio de la misma geometría. Con estas geometrías se consigue que la superficie iluminada a lo largo del día, en ausencia de sombra, sea constante. Su instalación es sencilla, pero presentan problemas de estratificación del agua y la superficie útil de captación es pequeña. Su aplicación principal es la producción de agua caliente sanitaria.


Sistemas de Generación Eléctrica TermoSolar / TermoEléctricas
Uso Industrial / Gobierno

2. Colectores Solares de Concentración: Los cuales, haciendo uso de los métodos de concentración de la óptica, son capaces de elevar la temperatura de fluido a más de 70º C. Estos se aplican en la energía solar térmica de media y alta temperatura, llegando a valores superiores al punto de ebullición, por lo cual son utilizado por turbinas para la Generación Eléctrica en masa. Usan sistemas especiales con el fin de aumentar la intensidad de la radiación sobre la superficie absorbente y de este modo conseguir altas temperaturas en el fluido caloportador. La principal complicación que presentan es la necesidad de un sistema de seguimiento para conseguir que el colector esté permanentemente orientado en dirección al Sol.

- Concentradores cilíndricos: Su superficie reflectora es la mitad de un cilindro. Su aplicación principal es la producción de vapor en una central térmica

- Concentradores paraboloides: Su superficie reflectora presenta una geometría de paraboloide de revolución. Su aplicación principal es la producción de vapor en una central térmica.



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