Esta es la experiencia de un grupo de alumnos de una escuela en la construcción de tres colectores solares para calentar agua.
Introducción
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 radiación solar. El agua caliente se puede utilizar para uso doméstico directo, para calefacción o para generación de energía eléctrica.
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.
Longitud de ondas(micras) |
% de la energía total recibida |
Naturaleza de la radiación |
|---|---|---|
| 0.25 a 0.4 | 1 a 3 % | Ultravioleta |
| 0.4 a 0.75 | 40 a 42 % | Visible |
| 0.75 a 2.5 | 55 a 59 % | Infrarrojo |
Tabla extraída del libro “El calentador solar de agua” de Cabirol, Pelissou y Roux
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.
La energía solar tiene dos desventajas:
- Es una energía muy difusa, es decir que la cantidad que llega a la Tierra por unidad de tiempo y por unidad de área es muy pequeña, lo que obliga a recogerla y concentrarla.
- Es intermitente, ya que el Sol está disponible solamente durante el día y frecuentemente es oscurecido por las nubes, lo cual obliga a almacenar su energía para poder disponer de ella en forma continuada.
El calentador solar de agua
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 caños
Poseen la función de transportar el agua fría y el agua caliente a través de los elementos que forman el sistema.
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.
Colector solar plano
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).
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 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.
Sistema directo e indirecto
Sistema directo
El agua se calienta en el colector y se envía al depósito de
almacenamiento. Ésta se ve reemplazada en el colector por agua fría que luego
se calienta y así sucesivamente.
Sistema indirecto
El agua caliente procedente del colector puede también circular por un intercambiador de calor en el interior del depósito: al entrar en contacto con el agua fría del depósito cede sus calorías a través de la pared del intercambiador y vuelve a calentarse en el colector.
El sistema empleado en los tres colectores es un sistema directo, puesto que su construcción resulta más sencilla y su costo es menor. Pero se reconoce que un sistema indirecto es más eficiente porque la sustancia que circula por el interior puede ser otra diferente del agua, con mejores propiedades, como ser mejor captación del calor o incorporar anticongelante para que no se congele el agua que se encuentra dentro de los tubos finos de cobre.
Sistemas de termosifón o por bomba
Sistema de termosifón o pasivo
El principio de este sistema se basa en que al calentarse el agua que se encuentra en el colector, esta adquiere una menor densidad, siendo menos pesada que el agua fría a igual volumen. Así el agua caliente recibe una presión del agua fría, capaz de vencer la resistencia del circuito, y empuja a la primera a volver al colector.
Su única desventaja es que el colector debe encontrarse próximo y por debajo del tanque de almacenamiento (mínimo 40cm).
Sistema por bomba o Activo
Para este sistema se acude a una bomba que hace que el agua circule a través del colector y nuevamente hacia el acumulador.
El sistema elegido fue el termosifón puesto que es menos complicado, es menos costoso, no necesita mantenimiento y no utiliza energía extra para su funcionamiento. Por otra parte tiene la desventaja de que el acumulador está condicionado a colocarse sobre el colector.