UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Escuela Profesional del Gas Natural y Energía

“COLECTORES SOLARES”

MONOGRAFIA

CURSO DE: ENERGIAS RENOVABLES Y BIOCOMBUSTIBLE

PRESENTADO POR:

- DUEÑAS PORRAS, Kevin Jeyson- Pocomucha Gallardo, Frank Sócrates

HUANCAYO - PERU

2 013

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DEDICATORIA

En primer lugar a dios por habernos permitido llegar hasta este punto y darnos salud, ser el manantial de vida y brindarnos lo necesario para seguir adelante día a día  para lograr nuestros objetivos, además de su infinita bondad y amor. 

A nuestras madres por habernos apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que nos ha permitido ser personas de bien, pero más que nada, por su amor. A nuestros padres por los ejemplos de perseverancia y constancia que los caracterizan y que nos han infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor, y a todos aquellos que ayudaron directa o indirectamente a realizar este documento 

a nuestro asesor por su gran apoyo y motivación para la culminación de nuestros estudios profesionales, por su apoyo ofrecido en este trabajo, por haberme transmitidos los conocimientos obtenidos y habernos llevado pasó a paso en el aprendizaje. 

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AGRADECIMIENTO

Agradecemos a Dios por protegernos durante todo el camino y darnos fuerzas para superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda la vida.

A nuestras madres, que con su demostración de madres ejemplares nos han enseñado a no desfallecer ni rendirnos ante nada y siempre perseverar a través de sus sabios consejos.

Al Ing. Beltrán Lázaro, Enrique, por su valiosa guía y asesoramiento a la realización de la misma.

Gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la realización de este proyecto.

Los Estudiantes

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INDICE

I.- RESUMEN

II.- INTRODUCCIÓN

III.- JUSTIFICACION

IV.- OBJETIVOS

V.- MARCO TEÓRICO

5.1.- Energía Solar

5.2.- Utilización pasiva de la energía solar.

5.3.- Utilización activa de la energía solar.

5.3.1.- Conversión térmica.

5.3.2.- Conversión térmica de baja y media temperatura

5.3.2.1.- Conversión térmica de baja temperatura

5.3.2.2.- Conversión térmica a media temperatura

5.3.2.3.- Conversión térmica de alta temperatura

5.3.3.- Conversión fotovoltaica

5.4.- Aplicaciones

5.5.- Clasificación de Instalaciones

5.6.- Tipos de Conexiones

5.6.1.- Conexión en serie

5.6.2.- Conexión en paralelo

5.6.3.- conexión serie-paralelo

5.7.- Instalaciones para la producción de agua caliente sanitaria (ACS)

5.7.1.- Colectores Solares

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5.7.2.- Depósitos de Agua

5.7.3.- Bomba de circulación y tuberías.

5.7.4.- Elementos de control y seguridad.

5.8.- Instalaciones para calefacción.

5.8.1.- Colectores solares.

5.8.2.- Depósito de agua.

5.8.3.- Intercambiador de calor.

5.8.4.- Bombas de circulación y tuberías.

5.8.5.- Elementos de control y seguridad.

5.9.- Calentamiento de piscinas.

5.9.1.- Colectores solares.

5.9.2.- Bombas de circulación y tuberías

5.9.3.- Elementos de control y seguridad

5.10.- Ventajas e Inconvenientes

5.11.- Expresiones matemáticas

necesarias para las aplicaciones prácticas.

VI. PARTE EXPERIMENTAL

6.1. Metodología (Materiales y Métodos)

6.2. Equipos e instrumentos

6.3. Materiales

6.4. Procedimiento

VII. TRATAMIENTOS DE DATOS Y DISCUSION DE RESULTADOS

7.1. Recolección de datos

7.2. Cálculos obtenidos

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7.3. Discusión de resultados

VIII. CONCLUSIONES

IX. RECOMENDACIONES

X. FUENTES BIBLIOGRAFICAS

XI. ANEXOS

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I. RESUMEN

El presente trabajo pretende resaltar la importancia de la energía solar, mediante el uso de colectores solares. Los usos que se les pueden dar a los colectores solares son principalmente estos cuatro:

como sistema complementario en el hogar

para calentar aguas de piscinas

para calefacción

para precalentamiento de agua para usos industriales.

Se debe ser muy claro en que estos sistemas no pretenden reemplazan los métodos tradicionales sino integrarse a ellos, para lograr un ahorro de las energías no renovables y generar así un beneficio ecológico y económico para el usuario.

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II. INTRODUCCION

El agua caliente constituye un consumo energético importante en una casa teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios de medida de este consumo. En general se considera que un consumo medio típico es del orden de los 40 litros por día y persona. En los países en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del consumo de energía de un hogar, este porcentaje es mayor que en los países desarrollados, donde el consumo de energía para producir agua caliente sanitaria (ACS) se supone del 26% del consumo total de la vivienda [15]. Pero, en general, a nivel mundial, se ha convertido en el segundo uso energético doméstico en importancia después de la calefacción y la refrigeración. Por esta razón, el calentamiento de agua mediante energía solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una tecnología económicamente atractiva y competitiva en muchos países.

En los últimos años se está produciendo un aumento notable de instalaciones de energía solar térmica en el mundo; los avances tecnológicos permitieron la fabricación de sistemas de mejor calidad y a menor costo y la sociedad está entendiendo la necesidad de sustituir los combustibles fósiles.

Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y transferir energía solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energía solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas de calefacción o para climatización de piscinas.

Desde su primera invención, hace 120 años, se han desarrollado diversas formas de colectores solares térmicos, que van de los colectores planos a los colectores parabólicos y helióstatos. Se estima que en todo el mundo, el área instalada de colectores solares supera los 58 x 106 m2. En Argentina el uso de colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros países como los europeos y China

Para calentar agua a temperatura media, para calefacción de espacios y para procesos industriales, las aplicaciones más utilizadas son los colectores planos, en los cuales el área de la superficie absorbedora es la misma que el área total del colector; o tubulares, en los que el absorbedor se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vacío. Estos últimos pueden incluir, ya sea dentro o fuera del tubo, espejos cilindro-parabólicos para centrar la energía solar en el absorbedor.

Temperaturas de 40 a 70 ºC son alcanzadas fácilmente por los colectores planos; el uso de superficies selectivas y reflectores junto a la retención de calor, hace que los colectores de tubos de vacío alcancen temperaturas significativamente más elevadas.

Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicación prevista y de acuerdo al clima del lugar en el cuál va a estar emplazado. Un colector diseñado para aplicaciones en las que se necesitan fluidos a alta temperatura no resulta más eficiente cuando operan a bajas temperaturas.

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III. JUSTIFICACION

Este trabajo se realiza con el fin de contribuir para crear conciencia medioambiental y conservar el medio ambiente, ya que el ser humano al emplear combustibles fósiles está dañando su capa de ozono y a la vez está provocando el efecto invernadero. 

Este trabajo quiere mostrar soluciones verdes, lo cual le ayudara al hombre como utilizar la energía solar e implementarla en su hogar y  lugares de trabajo. La energía verde está innovando el mundo para ayudarle al hombre en buscar formas de limpiar o reducir la contaminación ambiental.

IV. OBJETIVOS

General

- Demostrar la importancia del aprovechamiento de la energía solar pasiva de baja temperatura, mediante el desarrollo de la práctica de Laboratorio de colectores solares.

Específicos

- conocer los beneficios y ventajas de usar la energía solar.

- Explicar los aspectos favorables de la energía solar en la reducción de la contaminación ambiental.

- Conocer definiciones acerca de colectores solares.

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V. MARCO TEORICO

5.1. Energía solar

La energía solar es la que se aprovecha directamente de la radiación solar.

Algunos datos de interés:

Potencia del Sol = 4·1026 W

Energía del Sol que llega a la Tierra = 5,5·1024 J/año

Intensidad de radiación que llega en las capas altas de la atmósfera = 1’38 kW/m2

Intensidad de la radiación que llega a la superficie terrestre ~ 900 W/m2

¿De qué depende la incidencia del Sol?

- La hora

- La inclinación de la Tierra respecto del Sol, variable a lo largo del año.

- Condiciones meteorológicas

- Grado de contaminación

¿De qué formas podemos aprovechar la energía del Sol?

- Aprovechando el calor (conversión térmica)

- Aprovechando la luz (conversión fotovoltaica)

La energía solar presenta dos características que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales:

Dispersión: su densidad apenas alcanza 1 kW/m, muy por debajo de otras densidades energéticas, lo que hace necesarias grandes superficies de captación o sistemas de concentración de los rayos solares.

Intermitencia: hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento de la energía captada

El primer paso para el aprovechamiento de la energía solar es su captación, aspecto dentro del que se pueden distinguir dos tipos de sistemas:

Pasivos: no necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar, el aprovechamiento se logra aplicando distintos elementos arquitectónicos. Aquí, se introduce el concepto de arquitectura bioclimática con el diseño de edificaciones para aprovechar al máximo los recursos disponibles (sol, viento,…) reduciendo así, en lo posible, el consumo energético y minimizando el impacto ambiental.

Activos: captan la radiación solar por medio de un elemento de determinadas características, llamado "colector"; según sea éste se puede llevar a cabo una

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conversión térmica aprovechando el calor contenido en la radiación solar (a baja, media o alta temperatura), o bien una conversión eléctrica, aprovechando la energía luminosa de la radiación solar para generar directamente energía eléctrica por medio del llamado "efecto fotovoltaico"

5.2. Utilización pasiva de la energía solar.

Un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la distribuye de forma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados y en la utilización de fenómenos naturales de circulación del aire. Los elementos básicos usados por la arquitectura solar pasiva son:

Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor igual que un invernadero Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún

material acumulador específico (agua, tierra, piedras). Tiene como misión almacenar la energía captada.

Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la calefacción y la refrigeración. La refrigeración surge más bien como una necesidad de utilizar los sistemas de calefacción de forma continuada durante todo el año.

La integración de colectores de aire, la utilización de paredes internas como muros acumuladores de calor y la aplicación de ventiladores, aumenta la eficacia de los sistemas pasivos, y se les conoce como "híbridos", ya que utilizan ciertos sistemas mecánicos activos.

En los últimos años se han mejorado mucho los sistemas pasivos que permiten un considerable ahorro energético.

5.3. Utilización activa de la energía solar.5.3.1. Conversión térmica.

Se basa en la absorción del calor del Sol. Si el cuerpo es negro, la absorción es máxima y el cuerpo se calienta, y si es blanco refleja las radiaciones y el cuerpo no experimenta variación de temperatura. La conversión térmica puede ser de tres tipos: de baja, media y alta temperatura.

5.3.2. Conversión térmica de baja y media temperatura

Se utilizan colectores, que absorben el calor del Sol y lo transmiten a un fluido (suele ser agua).

5.3.2.1. Conversión térmica de baja temperatura

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Esta tecnología comprende el calentamiento de agua por debajo de su punto de ebullición. El conjunto de elementos para el suministro de agua caliente se conoce como "sistema solar activo de baja temperatura", distinguiéndose los siguientes subsistemas:

Subsistema colector: Capta la energía solar y está formado por los colectores llamados también "placas solares", "captadores" o "paneles”. Son planos, en forma de caja metálica, en la que se disponen una serie de tubos, pintados de color negro, por los que circula agua. El interior del colector está pintado, de color negro mate. Así se logra máxima absorción. En la parte superior se dispone de un cristal que permite el paso de los rayos y hace de aislante térmico, induciendo un efecto invernadero artificial.

Subsistema de almacenamiento: Depósitos que almacenan el agua caliente procedente de los paneles

Subsistema de distribución: Instalación de tuberías y accesorios que permite transportar el agua caliente desde el colector hasta los depósitos de almacenamiento y desde aquí a los puntos de consumo

Es de destacar que los equipos solares de baja temperatura no garantizan la totalidad de las necesidades energéticas, por lo que necesitan de un equipo convencional de apoyo (calentadores eléctricos o a gas, etc.) que suplan la carencia de energía solar, fundamentalmente debido a las condiciones climatológicas.

5.3.2.2. Conversión térmica a media temperatura

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Para obtener temperaturas superiores a los 100°C se debe concentrar la radiación solar, para lo que se pueden utilizar lentes o espejos. Canalizando la radiación hacia un punto o una superficie llamado "foco", éste eleva su temperatura muy por encima de la alcanzada en los colectores planos (200 a 500ºC.).

Aunque la superficie que recibe los rayos concentrados puede tener cualquier forma dependiendo de la técnica usada, en la actualidad la solución más favorable para una concentración de tipo medio (temperaturas menores de 300 °C) es el "colector cilindro-parabólico". Este colector consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto en la línea focal. Dentro del tubo se vidrio están el absorbedor y el fluido portador del calor.

Para que se puedan concentrar los rayos solares, estos colectores se montan igual que los planos, es decir, mirando al Sur (si estamos en el hemisferio norte) y con una inclinación igual a la latitud del lugar. Además necesitan un dispositivo que vaya haciendo girar los espejos a lo largo del día, sincronizado con el movimiento aparente del Sol.

Los colectores cilindro-parabólicos, aparte de poder operar a temperaturas superiores a las de los planos, tienen la ventaja de requerir depósitos de acumulación más pequeños y de tener menores superficies de absorción y menores pérdidas de calor. No obstante, son más caros.

Aunque los colectores cilindro-parabólicos son aplicables en la misma gama de necesidades que los paneles planos, al poder desarrollar temperaturas considerablemente superiores tienen interesantes posibilidades de utilización industrial. Así, se están usando asociaciones de un cierto número de estos colectores en las llamadas "granjas solares", pudiendo ser utilizados para la producción de calor o electricidad. La energía así obtenida se aplica a procesos térmicos industriales, desalinización de agua de mar, refrigeración y climatización.

5.3.2.3. Conversión térmica de alta temperatura

a) Centrales solares: Para conversiones térmicas superiores a los 500 °C, encaminadas a la producción de energía eléctrica a gran escala, es necesario concentrar la radiación solar mediante grandes paraboloides (captadores parabólicos) o un gran número de espejos enfocados hacia un mismo punto. El sistema más extendido es de receptor central, formado por un campo de espejos orientables, llamados "heliostatos", que concentran la radiación solar sobre una caldera situada en lo alto de una torre.

El calor captado en el absorbedor es cedido a un fluido portador circulando en circuito cerrado y que, debido a las altas temperaturas que ha de soportar (superiores a 500 °C) suele ser sodio fundido o vapor de agua a presión. Este fluido primario caliente se hace pasar a un sistema de almacenamiento, para luego ser utilizado en un sistema de generación de vapor, que se alimenta a una turbina. Esta actúa sobre un alternador, que permite obtener energía eléctrica.

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Los captadores tienen que estar constantemente orientados hacia el Sol, por lo que sus soportes han de ser móviles y cuentan con un sistema informático que determina de forma precisa la posición en cada momento del día.

b) Hornos solares: formados por un espejo parabólico que concentra en su foco los rayos provenientes de la reflexión de las radiaciones solares en un cierto número de espejos, llamados heliostatos, convenientemente dispuestos. Estos hornos permiten alcanzar temperaturas muy elevadas (hasta 6000 ºC). Suelen emplearse para generar energía eléctrica y con fines experimentales.

c) Concentrador con motor Stirling: Un sistema de concentrador disco Stirling está compuesto por un concentrador solar y por un motor Stirling (motor que funciona por medio de calor en lugar de funcionar con combustibles) o una micro turbina acoplada a un alternador. El funcionamiento consiste en el calentamiento de un fluido localizado en el receptor hasta una temperatura aproximada de unos 750º C. Esta energía se usa para la generación de energía por el motor.

5.3.3. Conversión fotovoltaica

La conversión de la energía solar en energía eléctrica está basada casi por completo en el denominado "efecto fotovoltaico", o producción de una corriente eléctrica en un material semiconductor como consecuencia de la absorción de radiación luminosa.

La luz del Sol se transforma directamente en energía eléctrica en las llamadas células solares o fotovoltaicas, constituidas por un material semiconductor, como, por ejemplo, silicio.

Al incidir luz (fotones) sobre estas células se origina una corriente eléctrica (efecto fotovoltaico), aunque el rendimiento de este proceso es muy pequeño, pues en el mejor de los casos sólo un 25% de la energía luminosa se transforma en eléctrica.

Para obtener suficiente amperaje, se conectan varias de ellas en serie. Son los llamados módulos o paneles fotovoltaicos.

Las células del panel están protegidas por un cristal y se construyen de forma que se pueden unir con otros paneles.

Las instalaciones fotovoltaicas han de ir provistas de acumuladores, capaces de almacenar la energía eléctrica no utilizada en forma de energía química. En algunos casos, también puede estar conectado en paralelo con la red, para emplear la energía de la misma cuando falte el Sol.

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5.4. Aplicaciones.

Aplicaciones remotas: lugares donde sólo se prevé un pequeño consumo de electricidad (repetidores de radio y televisión, radiofaros, balizas, etc.), y en los que es necesario una acumulación a base de baterías

Usos rurales: instalaciones aisladas de la red general que no suelen requerir acumulación (riego, molienda, descascarillado, etc.)

Autogeneración: centros de consumo conectados a la red, utilizando la energía solar como base y la de la red como complemento

Grandes centrales: generación masiva de electricidad, sólo posible en condiciones favorables de evolución de la tecnología fotovoltaica, el coste de las fuentes energéticas convencionales y las condiciones climáticas

Es necesario destacar que los costes de las células fotovoltaicas siguen siendo altos en la actualidad, debido principalmente a la complejidad de la fabricación de las mismas. Es por ello que se siguen realizando importantes investigaciones respecto a la reducción de costes de las células, centrados en dos facetas fundamentales:

Utilización de nuevos materiales: existen semiconductores con propiedades fotovoltaicas, cuyo coste de producción es mucho más bajo que el del silicio

Aumento de la radiación incidente: existen dos opciones al respecto; o utilizar células bifaciales, capaces de recibir la radiación solar por ambas caras, o utilizar concentración óptica por medio de lentes

5.5. Clasificación de instalaciones.

Dentro de este apartado debe distinguirse entre tres grandes tipos de aplicaciones independientes, que a pesar de contar con elementos comunes en lo que se refiere a su cálculo, diseño y materiales, son específicas en su tratamiento, el cuál las diferencia claramente:

- Producción de agua caliente sanitaria (ACS);

- Calefacción;

- Climatización de piscinas.

En todas ellas el modo básico de actuación es el calentamiento de agua por medio de colectores solares, a diferentes temperaturas, según la aplicación, utilizando esa agua como vehículo de transporte del calor; si bien en el caso de calefacción existe la posibilidad de calentar directamente aire u otros fluidos. En el presente apéndice sólo se tratarán los casos de utilización del agua como fluido caloportador haciendo al final un breve comentario acerca de otras opciones.

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Debe quedar señalado que en función de la temperatura que se desee alcanzar, habrán de ser utilizados un tipo u otro de colectores. La clasificación de los tipos de colectores utilizables en una instalación de tipo doméstico -instalación de aplicación no industrial- son:

- Colector de superficie negra normal sin cristal. Utilizado para aplicaciones de muy bajo nivel térmico (20 °C-30 °C).

- Colector de superficie negra normal con cristal. Para aplicaciones que ronden los

40 °C-45 °C.

- Colector de superficie negra normal con doble cristal. Consigue elevar el rango de temperaturas anterior en 10 °C aproximadamente. Son poco usados, normalmente se elige entre el anterior y el posterior.

- Colector de superficie negra selectiva (aunque usualmente se denomine así, lleva incorporado cristal). Aplicaciones cuyo rango de temperatura alcance los 75 °C-80 °C.

- Colector de tubos de vacío. Son utilizados cuando la temperatura habitual de funcionamiento supera los 80 °C. En el ámbito doméstico no es habitual su instalación.

Las temperaturas indicadas lo son a título orientativo, y pueden variar según fabricantes.

5.6. Tipos de Conexiones

El entramado y tendido de tubería de los colectores colares tiene importancia en el diseño de sistema, con un adecuado diseño, se puede minimizar costos de instalación, fugas, problemas de mantenimiento y perdidas de calor, se garantiza el flujo uniforme hacia todos los colectores para maximizar su rendimiento, se minimizan los requerimientos de potencia de bombeo y se facilita el purgado de aire.

5.6.1. Conexión se Serie

La disposición en serie está justificada para alcanzar temperaturas por encima de los 50°C, a costa de un menor rendimiento y de necesitar, en ocasiones, mayor longitud de conductor.Aunque el caudal no varía entre cada placa, el salto térmico sí que difiere, pues a medida que el fluido va recorriendo los captadores, su temperatura a la salida aumenta progresivamente y la eficiencia del último es bastante menor al tener más perdidas, de ahí que se limite la cadena a tres unidades.

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Conexión en serie, al máximo de colectores permisibles en este tipo de instalaciones es de tres.

El mayor inconveniente de la conexión en serie es que al ir pasando el fluido de un colector al siguiente, la temperatura va aumentando lo que produce una baja en el rendimiento de los colectores. La eficiencia de sistemas conectados en serie puede ser equivalente a la de los sistemas en paralelo, a condición de que los valores de flujo del mismo incremento de temperatura global. Los sistemas en serie usualmente presentan mayor resistencia y requieren mayor potencia de bombeo. La combinación en serie puede ser ventajosa para colectores que tengan resistencias de flujo relativamente pequeñas.

5.6.2. Conexión en paralelo

Con el alineamiento en paralelo lo que conseguimos es aumentar el caudal de agua caliente.

El balanceo de un entramado compuesto de muchos colectores, requiere en general del empleo de válvulas de balanceo. Las conexiones en serie deben ser empleadas solamente como ya se mencionó con un número limitado de colectores (3 a 6 colectores). El conexionado en paralelo proporciona funcionamientos térmicos similares en todos ellos; esto implica un mayor rendimiento general pero también incrementa la longitud y diámetro de tuberías al sumarse los caudales en cada uno de los colectores.

Finalmente señalemos que también se pueden hacer conexiones serie-paralelo.

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5.6.3. Conexión Serie-Paralelo

Para la distribución uniforme del caudal o flujo es preciso, además de que todas las filas cuenten con el mismo número de colectores para que la perdida de carga sea la misma en todas ellas, disponer de las conexiones en forma que se realice lo que se conoce como “retorno invertido”, a fin de que el circuito resulte hidráulica equilibrado (las distancias recorridas a través de los distintos colectores son equivalentes).Esto se ilustra en la figura siguiente, donde la fila superior de colectores tendera a desequilibrarse, necesitamos el empleo de válvulas reguladoras.

Esquema de una conexión si retorno, para lograr el equilibrio, es necesario el empleo de válvulas reguladoras.

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Esquema de conexión con retorno, el equilibrio se logra mediante un pequeño artificio mecánico.

5.7. Instalaciones para la producción de agua caliente sanitaria (ACS)

Los elementos que integran una instalación básica de aprovechamiento térmico de la energía solar para la producción de ACS son:

- Colectores solares;- Depósito de agua;- Bomba de circulación y tuberías;- Elementos de control y seguridad;

Instalación de energía solar para ACS

1. Panel solar 11. Bomba de circulación

2. Inter acumulador 12. Regulador

3. Calefactor eléctrico 13. Válvula de seguridad de manómetro

4. Red consumo ACS 14. Válvula de relleno, mezcla anticongelante

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5. Red agua fría 15. Purgador

6. Válvula de espera 16. Termómetro

7. Depósito de expansión cerrado 17. Tapón

8. Manómetro 18. Sonda térmica

9. Válvula de retención de muelle 19. Tubo de cobre calorifugado

10. Filtro 20. Tubo de cobre sin calorifugar

5.7.1. Colectores solares.

El colector solar utilizado para este tipo de aprovechamiento de la energía solar es el colector plano de cubierta de vidrio, dado que es el de mayor rendimiento o poder de captación real, en este rango de temperaturas –por debajo de 50 °C-. Si se pretende conseguir una temperatura mayor, pueden emplearse colectores de doble cubierta o colectores de superficie selectiva, que si bien tienen un rendimiento algo menor para bajas temperaturas del agua, permiten alcanzar mayores temperaturas.

5.7.2. Depósito de agua.

Dado que el empleo de agua caliente no tiene por qué coincidir con las horas en las que calienta el sol, será preciso calentar el agua y almacenarla en un depósito cuando luzca el sol, para su uso cuando sea necesario.

Por ello, respecto al depósito hay dos cuestiones esenciales a considerar:

- Dimensionamiento.

La capacidad del depósito deberá ser adecuada al uso que de él se va a realizar. No es lo mismo una instalación para una familia de cuatro miembros que una para un colegio de niños. Por ello las reservas de agua habrán de calcularse en función del fin de la instalación.

- El aislamiento térmico.

Como ya se ha señalado, no suelen coincidir en el tiempo los momentos en los cuáles luce el sol con los momentos de empleo del agua caliente, por ello se ha de conseguir que el agua del depósito se mantenga caliente el mayor tiempo posible. A este respecto recalcar que tanto o más importante es el tema del aislamiento que el de los colectores. De nada sirve conseguir captar mucha energía si no se ponen todos los medios posibles para conservarla.

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5.7.3. Bomba de circulación y tuberías.

Tal y como se ha indicado, el agua, para calentarse, ha de pasar por los colectores, que es donde se recoge la energía solar en forma de calor. Esta circulación puede llevarse a cabo de forma natural o forzada.

La circulación natural, llamada termosifón, se basa en que el agua caliente pesa menos que el agua fría -fundamento de la convección-. Así pues, si se coloca el depósito a mayor altura que los colectores, el agua de los colectores al calentarse tenderá a subir, y el vacío que deje en su desplazamiento será ocupado por el agua del depósito que está a menor temperatura. Lógicamente, al entrar a los colectores, ésta se calentará y tenderá a subir llevándose a cabo de esta manera un ciclo continuo, hasta que el sol deje de proporcionar energía.

Esta modalidad de circulación tiene la ventaja de un menor coste de inversión (se da un ahorro al no tener que comprar y mantener la bomba y algún elemento de control), pero por contra es más lento y de menor rendimiento.

El otro sistema, denominado circulación forzada, consiste en colocar una bomba que impulse el agua del depósito a través de los colectores. Esto implica un mayor coste de la instalación debido a que debe adquirirse la bomba y los elementos de control necesarios para decidir cuándo debe funcionar la bomba -como se ha indicado, el sistema de termosifón decide solo, aunque proporciona una mayor versatilidad a la hora de elegir la ubicación de los paneles y el depósito.

Las tuberías habrán de ser dimensionadas de forma que permitan el paso de un caudal de agua adecuado a la superficie de captación de la instalación. En las instalaciones con circulación por termosifón, el diámetro deberá de ser mayor que en las de circulación forzada, para evitar pérdidas de carga. De nuevo el tema de conseguir aislar bien las tuberías para no perder calor adquiere gran importancia.

5.7.4. Elementos de control y seguridad.

Ya se ha insinuado que se necesita algún elemento que haga funcionar la bomba cuando el sol caliente y la pare cuando deje de calentar. Para ello existen en el mercado controladores “inteligentes”, que mediante un termostato diferencial y dos sensores de temperaturas, al detectar una diferencia positiva de temperaturas entre la parte superior de los colectores y el depósito, accionan la bomba, deteniéndola si las condiciones de funcionamiento varían. Por ejemplo, pondrá en marcha la bomba si la temperatura del agua en los paneles es superior en 6 °C o más a la temperatura del agua del depósito, y, una vez en funcionamiento, si esa diferencia baja de 3 °C parará la bomba.

A la hora de valorar la protección de la instalación, se abordarán básicamente tres puntos:

- Protección contra altas temperaturas.

Aunque no es frecuente, puede darse el caso de que, por ejemplo, debido a un mal funcionamiento del controlador, el agua de los colectores entre en ebullición, provocando

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así una alta presión que puede llegar a reventar los colectores. Para evitarlo, se colocarán en la parte superior de los colectores válvulas de seguridad que eviten esta sobrepresión. Igualmente, el depósito deberá tener válvula de seguridad y, si la temperatura de trabajo es alta, cosa que en instalaciones de ACS no suele darse, se instalará un vaso de expansión.

- Protección contra bajas temperaturas.

En determinadas zonas es posible que durante las noches de invierno las temperaturas bajen varios grados por debajo de cero. Ello conlleva un serio riesgo para los colectores dado que si se congela el agua que contienen pueden reventarse. Existen tres soluciones:

o Hacer circular agua por los colectores. Este agua puede ser agua caliente

del depósito (con lo cual se enfriará) o, si la helada no es severa, agua fría, dado que el agua en movimiento congela a menor temperatura.

o Vaciar los colectores para llenarlos cuando cese la helada. Existe el riesgo

de no vaciar del todo el circuito. Tampoco es bueno desde el punto de vista de la corrosión interior del colector. Es necesario estar pendiente de si hiela o instalar un dispositivo automático de vaciado y llenado en función de la temperatura. Además durante el llenado se producirá alguna disfunción por acumulación de aire en el circuito. Pero en el otro lado de la balanza está su sencillez y bajo coste -si es de accionamiento manual.

o Colocar un intercambiador de calor en el circuito, de forma que los

colectores y el intercambiador formen un circuito cerrado separado del agua que se va a consumir como ACS. En él se podrá disolver algún tipo de anticongelante -etilenglicol-. Esta es quizás la más cara y la más cómoda y eficaz de las soluciones.

- Protección contra la corrosión.

Normalmente los elementos constitutivos de este tipo de instalaciones vienen protegidos contra la corrosión. No obstante, a la hora de ser adquiridos, debe exigirse que se proporcione un programa de mantenimiento contra la corrosión.

5.8. Instalaciones para calefacción.

Los elementos que integran una instalación básica de aprovechamiento térmico de la energía solar para calefacción son:

- Colectores solares;- Depósito de agua;- Intercambiador de calor;- Bomba de circulación y tuberías;- Elementos de control y seguridad.

5.8.1. Colectores solares.

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El colector a utilizar en una instalación de calefacción dependerá del tipo de instalación a diseñar.

Instalación de calefacción de alto nivel térmico. En una instalación tradicional de calefacción por radiadores de agua caliente, ésta suele circular a una temperatura de 90 °C en la ida y alrededor de 70 °C en el retorno en países del sur de Europa-. Si se quiere mantener este esquema los colectores habrán de ser de superficie negra selectiva o incluso colectores de vacío para alcanzar mayor rango de temperatura.

Instalación de calefacción de bajo nivel térmico. Existen dos tipos: la instalación tradicional de radiadores en la que el agua circula a temperaturas entre 40 °C y 60 °C -rango de temperatura usual en países centroeuropeos, y las de suelo radiante. El suelo radiante consiste en disponer debajo del suelo, un conjunto de tuberías por donde circula un fluido caloportador agua. Este está conectado a un sistema de circulación de agua caliente, y mediante conducción la superficie del suelo incrementa su temperatura que puede ser de 40 °C máximo se debe poder andar descalzo sin la sensación de quemarse los pies. Para el primer tipo de instalación, el colector apropiado es el de superficie negra selectiva, y para el segundo puede utilizarse el mismo o uno de cubierta de vidrio sencilla o doble.

5.8.2. Depósito de agua.

Hace las funciones de la caldera de las instalaciones tradicionales de calefacción por agua caliente. El papel del depósito es almacenar calor en forma de agua caliente- cuando éste pueda ser captado, y, cuando sea necesaria la calefacción, se hará circular el agua caliente del depósito por los radiadores de la casa cediendo así su calor al ambiente.

Los puntos clave a la hora de diseñar el depósito son:

- Dimensionamiento.

El depósito ha de ser capaz de almacenar suficiente agua caliente como para calentar la casa los días fríos. Hoy por hoy, en las latitudes del sur de Europa, no existen sistemas de calefacción que utilicen la energía solar como única fuente de energía, aunque se están desarrollando proyectos de investigación al respecto.

- Aislamiento térmico.

De nada sirve calentar agua si para cuando se precisa su utilización, ya se ha enfriado. Es importante convencerse de que merece la pena invertir en aislante hasta el punto de ser tan importante este apartado como la correcta elección de los colectores solares.

- Capacidad.

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Desde la práctica contrastada, adquiere una relevancia significativa la relación establecida entre consumo y almacenamiento. De los datos obtenidos en instalaciones existentes, puede obtenerse el volumen preciso para la instalación que se esté proyectando.

5.8.3. Intercambiador de calor.

Los circuitos de calefacción mayoritariamente son circuitos cerrados que toman el calor por medio de unos elementos denominados intercambiadores de calor. Estos elementos utilizan, mediante un sistema de conducción y placas superpuestas a través de las cuáles circula el agua a baja presión, el calor que le proporciona el agua del depósito, para transmitirlo al agua del circuito de calefacción.

5.8.4. Bombas de circulación y tuberías.

Este sistema habrá de contar al menos con dos bombas de circulación, una que impulse el agua del depósito al intercambiador y otra que la impulse del intercambiador al circuito de calefacción, salvo que exista un diseño de calefacción por termosifón -rara vez utilizado-. Las bombas tendrán que ser de baja presión y de reducido caudal que soporten altos rangos de temperatura.

En lo que respecta a las tuberías cabe indicar cómo para lograr un mayor aprovechamiento energético del sistema, éstas deberán de estar instaladas en la parte interior e inferior de las paredes de modo que puedan emitir el calor al conjunto de la superficie, que mediante el fenómeno convectivo del aire, garanticen un óptimo rendimiento de las tuberías.

5.8.5. Elementos de control y seguridad.

Además de los ya indicados en el apartado del agua caliente sanitaria, es preciso señalar la necesidad de contar con purgadores que garanticen la eliminación del aire presente en las tuberías que impide el correcto funcionamiento del sistema.

Igualmente debe haber válvulas de seguridad y de llenado. Lo ideal sería una combinación de un sistema mixto de ACS y calefacción en la misma edificación, de tal modo que pudiese darse una complementariedad de equipamiento con la consiguiente amortización de costos en ambos sistemas.

5.9. Calentamiento de piscinas.

Una de las aplicaciones más interesantes de la energía solar térmica es el calentamiento de piscinas. Existen normativas en todos los paises europeos impidiendo que el calentamiento de las piscinas exteriores pueda ser realizado mediante las energías convencionales, salvo excepciones y nunca superando la temperatura de 25 °C. Por ello, la energía solar adquiere toda su relevancia en este punto

Los elementos que integran una instalación básica de aprovechamiento térmico de la energía solar para calentamiento de piscina son:

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- Colectores solares;- Bomba de circulación y tuberías;- Elementos de control y seguridad.

5.9.1. Colectores solares.

Dos pueden ser los tipos de colectores a utilizar en el calentamiento de piscina. El primero de ellos, ya indicado con anterioridad, es el colector plano con superficie selectiva o similar. El segundo de ellos es el colector de caucho o copolímero tipo propileno o polipropileno. Si la relación entre el volumen de agua que circula por los colectores y el volumen total de la piscina es alta, se seleccionará el polipropileno. Si la relación es baja, será necesario acudir a colectores de mayor nivel térmico.

1. Colectores solares 12. Skimmer

2. Piscina 13. Depurador y filtro

3. Regulador 14. Válvula de control

4. Válvula BY-PASS 15. Medidor de flujo

5. Válvula de control 16. Reloj y bomba de control de exceso

6. Válvula de cierre 17. BY-PASS

7. Válvula de control 18. Sistema convencional de apoyo

8. Válvula de cierre 19. Cloración automática

9. Sonda de piscina 20. Skimmer

10. Sonda de colector 21. Manta solar

11. Purgador de aire

5.9.2. Bombas de circulación y tuberías.

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Es suficiente para realizar el aprovechamiento solar una bomba de circulación del depurador a los colectores, utilizando el resto de las bombas ya disponibles de la piscina.

Las tuberías pueden ser de cualquier polímero y no precisan de aislamiento, pero sí se debe de tener en cuenta su sección, y el caudal con la correspondiente presión de trabajo, al objeto de favorecer el máximo rendimiento de los colectores. En instalaciones con colectores de polipropileno, el caudal y la presión de trabajo de las bombas es mucho más reducido que en los colectores con acristalamiento.

5.9.3. Elementos de control y seguridad.

El sistema de control debe de contar con un termostato diferencial que garantice que no exista sobrecalentamiento en la piscina. Por tanto, el control de las válvulas debe de ser electrónico.

En instalaciones al aire libre, la presencia de una manta que elimine las pérdidas caloríficas producidas durante la noche puede suponer una ganancia del agua de la piscina de entre 2 y 4 °C. Por tanto, si se va a diseñar un sistema de calentamiento de agua de piscina mediante energía solar, habrá de tenerse en cuenta este factor.

5.10. Ventajas e inconvenientes.

Ventajas InconvenientesEnergía limpia, pues no emite ningún tipo de residuo.

Las instalaciones exigen una gran superficie de suelo.

Fuente inagotable y gratuita de energía.La radiación solar no es uniforme, pues su uso se limita a zonas de elevado número de horas de sol al año.

Compensan desigualdades: los países menos desarrollados disponen de ella y no necesitan importarla

El coste de las instalaciones es alto en relación a su rendimiento.

Aunque es una energía limpia, producir y mantener los paneles fotovoltaicos es contaminante.Las instalaciones modifican el entorno inmediato, dada su magnitud.

5.11. Expresiones matemáticas necesarias para las aplicaciones prácticas.

Para calcular las dimensiones necesarias de un colector solar, si queremos obtener una potencia determinada, necesitamos saber, entre otras cosas, la cantidad de calor que se recibe en el punto de la tierra en el que queremos realizar la instalación.

Así, ese calor, Q, se puede obtener a partir de la expresión:

Q=K ·S ·t

Q= cantidad de calor (calorías)

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K = constante solar (cal/min·cm2)

S = Superficie sobre la que incide la radiación (cm2)

t = Tiempo durante el cual está recibiendo radiación

La constante solar es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera en un plano perpendicular a los rayos. En la superficie de la tierra, en las mejores condiciones, no supera el valor de 1,3 cal/min · cm2. Toma valores entre 0 y 1,3 cal/min·cm2, pudiendo tomarse como media en un día de verano 0,9 cal/min · cm2

Otra expresión útil para calcular la cantidad de calor, es en función de la masa de material que almacena ese calor:

Q=Ce mΔT

Q= cantidad de calor (kcalorías)

M = masa (kg)

ΔT = variación de temperatura (°C)

Ce = calor específico Kcal/KgºC (en el caso del agua toma el valor 1 Kcal/KgºC)

η= E salidaE entrada

O, en función de la potencia:

η= P salidaPentrada

VI. PARTE EXPERIMENTAL

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Guía experimental colectores solares

Experiencia 1

Con esta simple experiencia se pretende demostrar el efecto de la absorción y reflexión en las superficies negras, blancas o en superficies reflectantes.

Material necesario:

3 latas. Pintura negra y brocha Pintura blanca y brocha Papel de aluminio Termómetro

1. Pinta una lata con la tinta blanca, la otra con la tinta negra y reviste la última con el papel de aluminio. Deja secar la tinta.

2. Llena las latas con agua y déjalas al Sol, cerradas, durante una hora.3. Mide la temperatura en cada lata.

Experiencia 2

Con esta simple experiencia se pretende demostrar el efecto invernadero provocado por una cubierta de vidrio (o plástico).

Material necesario:

2 cajas de poliestireno expandido (corcho blanco) 2 tubos de plástico negro flexible de igual longitud 4 tapones para los tubos de plástico 1 placa de vidrio o plástico transparente para cubrir la caja de poliestireno

expandido Termómetro

1. Llena los tubos con agua y colócalos dentro de cada una de las cajas 2. Cubre una de las cajas con la placa de vidrio.

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3. Coloca las cajas al sol durante una hora.4. Mide la temperatura del agua en cada uno de los tubos

Nota: esta experiencia tendrá mejores resultados en los días de cielo limpio y temperatura baja o moderada, en que existen buenas condiciones para que haya pérdidas térmicas por radiación.

Experiencia 3

Con esta experiencia se pretende demostrar el efecto de aislamiento térmico y de la cubierta del captador solar, así como el efecto termosifón

Material necesario: 2 latas de 5l. 1 caja de poliestireno expandido (corcho blanco) 1 placa de vidrio (o plástico) transparente para cubrir la caja Tubo de plástico negro Silicona Papel de periódico Termómetro

1. Haz los agujeros de entrada y salida del agua en las latas 2. Fabrica las parrillas de tubos para la construcción de las superficies absolvedoras,

solo con una entrada y con una salida y con dimensiones semejantes.3. Coloca una de las parrillas dentro de la caja de poliestireno y tápala con la cubierta

transparente.4. Une la entrada y salida de las latas con la entrada y salida de los absolvedores.

Las latas deberán estar por encima de la parrilla de tubos de plástico5. Reviste las latas y las uniones entre los absolvedores y las latas con papel de

periódico (mínimo 2 cm. De espesor en las latas y 1cm de espesor en las uniones)6. Llena las latas y el círculo de tubos con agua asegurándote de la inexistencia de

burbujas en el interior y deja el sol durante unas horas.

VII. TRATAMIENTOS DE DATOS Y DISCUSION DE RESULTADOS

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7.1. Recolección de datos

7.2. Cálculos obtenidos

7.3. Discusión de resultados

VIII. CONCLUSIONES

En este trabajo se estudio la importancia de los colectores solares para uso domestico, las ventajas y desventajas. Donde se comprobo la contribucion de estos a la reduccion de contaminantes, generados por otras fuentes para generar calor. Se diseño una alternativa eficiente y amigable con el ambiente, con la cual se propone la reduccion de las emisiones de gases de efecto invernadero y el aprovechamiento de la fuente de todas las energias renovables, que es el sol.

- es posible construir un colector solar con un monto mínimo de inversión.- Se puede asegurar que el adquirir un colector solar es una inversión rentable a

corto y largo plazo, ya que genera un ahorro casi inmediato en la economía familiar. La construcción de un colector solar por medios propios es muy viable con el mínimo de conocimientos en carpintería y plomería.

- La mejor manera de calentar agua para uso doméstico sin contaminar es implementando un colector solar, y utilizando como respaldo un calentador convencional.

IX. RECOMENDACIONES

- Minimizar el uso de combustibles fósiles, buscando alternativas como estufas y automóviles eléctricos que se alimenten de fuentes renovables de energía. En todo caso promover el uso de bicicletas, contribuiría a reducir los gases de efecto invernadero.

- Es mejor construir un colector de acero, debido a su buena conductividad de calor, además su tiempo de vida útil es más prolongado, esto se traduce en un ahorro de energía a largo plazo.

- Si se decide construir un colector solar con base de madera se recomienda:o Alejarlo de fuentes de humedad, como pueden ser plantas o depresiones

sobre el terreno.o Colocarlo sobre una base elevada.

o Darle mantenimiento continuo, al menos una vez al año para prolongar el

tiempo de vida útil.o Si se decide usar algún tipo de papel como reflejante, asegurarse que

este bien pegado a la madera y que este no tenga arrugas o cortes en ningún lado.

X. FUENTES BIBLIOGRAFICAS

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1. Ente vasco de la Energia, (1992), Energia Solar. Pag. 45-54.2. IE Tegueste, Ingenieria industrial (2002), Energia Solar.3. Cora Placco, Luis Saravia, Carlos Cadena, INENCO, UNsa-CONICET. Colectores

solares para agua caliente.4. SOLAR THERMAL MARKETS IN EUROPE (TRENDS AND MARKET

STATISTICS 2004) ESTIF (EUROPEAN SOLAR THERMAL INDUSTRY FEDERATION). Junio 2005

5. White Paper – ISES (Internacional Solar Energy Society)- “Un Futuro Para el Mundo en Desarrollo Basada en las Fuentes Renovables de Energía.” Dieter Holm, D.Arch. 2005.

6. Taller ecologista, UTN, Rosario Argentina, Manual de Construcción de Colectores Solares Térmicos.

XI. ANEXOS

Anexo 1.

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Figura 1.

Figura 2.

33

Figura 3.

Figura 4.