El calentamiento de agua es uno de los usos más eficientes de la energía solar y ha madurado durante 100 años. Para uso doméstico, un calentador de agua solar es una forma de reducir significativamente las facturas de energía gracias a una tecnología probada.
En general, el período de amortización de la instalación de un sistema de calefacción por agua caliente es menor que el de un sistema eléctrico fotovoltaico. En esta sección, se analizan los colectores para sistemas de agua caliente y sistemas representativos.
El calentamiento solar de agua se puede dividir en sistemas pasivos y activos.
Sistemas pasivos son sistemas sencillos que no utilizan energía auxiliar como bombas para funcionar, sino sistemas activos requieren fuente de alimentación para bombas o ventiladores externos.
En algunos sistemas pasivos, la recolección y el almacenamiento de calor están separados; otros combinan ambas funciones. Uno de los primeros calentadores solares de agua usaba botes negros para calentar el agua, un ejemplo de un sistema completamente pasivo pero adecuado para lugares que no se congelan.
Todavía existen sistemas en muchas partes del mundo que son básicamente una caja aislada con una cubierta de vidrio y un tanque negro cerrado.
Este tipo de sistema de agua caliente puede llegar a ser bastante pesado, dependiendo del tamaño del tanque, por lo que la estructura que lo soporta debe ser lo suficientemente resistente para soportar el peso.
Las consideraciones al elegir un sistema de calentamiento de agua incluyen el clima, los requisitos de agua caliente (cantidad, hora del día, temperatura), el tamaño físico (tanques de almacenamiento, etc.), el espacio disponible para los colectores y el costo.
El factor más importante es el clima, que incluye los efectos de la temperatura y las cargas de nieve y viento. Es importante que el sistema esté diseñado para las peores condiciones, ¡teniendo en cuenta que se pueden romper récords meteorológicos!
Tipos de colectores solares térmicos
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Colectores planos
En los sistemas de calefacción de agua caliente se utilizan varios tipos diferentes de colectores. La elección de la mejor opción para una aplicación en particular depende del clima en el que se instale el sensor y de la temperatura del agua requerida.
En climas cálidos donde no hay peligro de congelación, el agua potable puede fluir a través del colector y un colector de placa plana simple es la solución más económica.
La Figura 1 muestra dos colectores planos agrupados. Consisten básicamente en un marco de aluminio sólido con colectores de tubería de cobre en un recinto de vidrio templado sellado herméticamente.
El chasis está aislado por los lados y por la parte trasera, y se coloca una placa absorbente en contacto directo con el colector de cobre.
La placa absorbente está hecha de un buen conductor de calor que puede transferir calor a las tuberías; está recubierto con un material que tiene alta absorbencia y baja emisividad.
La absorción es un número adimensional que es la relación entre la radiación absorbida y la radiación incidente.
La emisividad es el flujo total (energía radiante) emitido por unidad de área de un material; está vinculado a la capacidad del material para liberar calor radiante.
En un colector plano aislado con una placa de buena absorción, la temperatura interna puede alcanzar los 180°F. El agua de este sistema se canaliza a un tanque de almacenamiento interior mediante una pequeña bomba.
Figura 1 Dos colectores planos gemelos
Otro tipo de colector de placa plana es el colector del calentador hecho de material de polímero resistente a los rayos ultravioleta sin vidriar.
Los calentadores de piscina se utilizan en todos los climas, ya que solo se utilizan cuando no hay riesgo de congelación; en invierno, el agua se desvía de los colectores y los colectores se vacían.
El calentador de piscina básico está montado en un techo orientado al sur; el agua fría fluye hacia abajo y el agua caliente sale por la parte superior.
El agua del calentador de la piscina generalmente se mueve a través del sistema usando la bomba de la piscina. un controlador automático y sensores determinan cuándo el calor solar está disponible y cuándo la piscina necesita calor. En este caso, una válvula desviadora automática dirige el agua a los colectores.
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Tubos de calor solar
el es el segundo tipo de colector compuesto por una serie de tubos de calor solar al vacío, que funcionan según el principio del ciclo de evaporación y condensación. La sección transversal de la tubería de calor se muestra en la Figura 2.
La tubería principal es un arreglo coaxial con un tubo de vidrio exterior y un tubo de cobre cerrado interior que contiene un fluido no tóxico. El tubo interior tiene baja presión por lo que la pequeña cantidad de líquido se vaporiza a una temperatura más baja de lo habitual.
Debido a que la radiación solar incide sobre el conjunto, el fluido puede evaporarse fácilmente y el gas caliente sube por el tubo de cobre interior, donde el calor se transfiere a un fluido de transferencia de calor y, en última instancia, al agua potable.
El tubo de calor es muy eficiente para mover el calor porque, en comparación con el líquido, el gas transporta energía llamada calor latente de vaporización; este calor latente (u oculto) se libera en la parte superior de la tubería, donde entra en contacto con el material de transferencia.
El calor de vaporización es el calor absorbido o liberado durante un cambio de estado de líquido a gas y es muy grande en comparación con el calor absorbido para provocar un cambio de temperatura de una sustancia.
A medida que el gas sube por la tubería, se enfría y libera su calor de vaporización a medida que se condensa en un líquido. El líquido fluye por el tubo, completando el ciclo.
El tubo exterior tiene un alto vacío, lo que elimina las pérdidas por conducción o convección de gas.
Figura 2 Construcción de tubos de calor solar.
Para que el ciclo de evaporación y condensación funcione correctamente, las tuberías de calor normalmente deben instalarse de modo que estén al menos a 25° por encima de la horizontal (aunque las tuberías de calor están diseñadas para quedar planas). La temperatura del agua suele estar entre 120 °F y 190 °F.
En áreas de congelación, el fluido de transferencia suele ser propilenglicol de calidad alimentaria, que no debe confundirse con el tóxico etilenglicol, que es un anticongelante que se usa en los radiadores pero que es peligroso para los calentadores de agua solares, donde nunca se debe usar.
Los paneles solares de calentamiento de agua consisten en tubos de calefacción que son más eficientes en climas fríos que son paneles planos y no se ven afectados por la temperatura del aire exterior o del viento, ya que el vidrio evacuado evita la pérdida de calor por conducción y convección.
La Figura 3 muestra colectores de tubería de calor para un sistema de agua caliente en Suiza, donde la congelación es común.
imagen 3 Un sistema de calefacción de agua caliente en un clima frío (Suiza) utilizando tubos de calefacción cerrados
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Coleccionistas dirigidos
Un tipo diferente de coleccionista Se puede utilizar en cualquier clima el colector de concentración, que es útil para la producción de agua muy caliente y calor de proceso.
El colector de concentración también se puede utilizar para producir electricidad mediante la instalación de células fotovoltaicas en la casa. El calor de proceso es útil en una serie de industrias, incluidas la alimentaria, la química y la textil.
Los colectores de concentración deben tener un seguimiento para optimizar el resultado, pero pueden usar un seguimiento simple de un eje. Por este motivo, este tipo de sistema es más adecuado para grandes instalaciones.
La figura 4 muestra un condensador parabólico Absolicon ×10 con seguimiento integrado para la producción de agua caliente. El tanque está cubierto con vidrio para ayudar con el calor.
En climas fríos, se usa anticongelante no tóxico para circular al colector y el fluido calentado se lleva a un intercambiador de calor separado.
Figura 4 Colectores solares utilizados para calentar agua en climas fríos (Suecia)
Sistemas de lazo abierto
En un circuito abierto o sistema directo, el agua potable circula a través de los colectores. El calentador de agua de cartucho negro simple mencionado anteriormente, en el que el colector y el almacenamiento de agua están integrados en la misma unidad, puede considerarse un sistema pasivo de circuito abierto.
Estos sistemas se pueden usar en climas cálidos donde la congelación no es una preocupación o en aplicaciones estacionales (como campamentos o casas de verano) donde se drenan durante los meses de invierno.
Termófonos
Un sistema pasivo de circuito abierto más sofisticado es un termosifón, donde el agua caliente se almacena en un tanque de almacenamiento con aislamiento solar ubicado sobre el colector.
La figura 5 muestra un sistema básico de termosifón que usa un cabezal de tubería de calor, un arreglo que funciona en climas fríos.
Los tubos de calor mueven el calor al tanque de almacenamiento solar y un intercambiador de calor interno calienta el agua en el tanque. El agua fría se canaliza directamente al acumulador solar, donde se recalienta al pasar por una fuente de calor. intercambiador
Cuando se extrae agua caliente del sistema, se toma del tanque de refuerzo y el agua precalentada del tanque solar se envía a la entrada del calentador de refuerzo. Las líneas de agua expuestas en este sistema deben tener una exposición mínima al frío y deben aislarse para evitar la congelación.
El aislamiento de tuberías exteriores se limita a ciertos tipos de aislamiento que pueden soportar temperaturas extremas, desde agua caliente en el verano hasta condiciones de congelación en el invierno.
En aplicaciones exteriores, el aislamiento debe ser chaqueta para protegerlo de los rayos UV, la lluvia y la nieve, así como de las ardillas, insectos y pájaros, que encuentran un cómodo aislamiento para su uso en los nidos.
Figura 5 Un calentador de agua termosifón que utiliza tuberías de calor al colector
Sistemas de circuito cerrado
En un sistema de calentamiento de agua de circuito cerrado, el agua potable nunca se expone al ambiente exterior: se utiliza un circuito separado con el fluido calentado. Este fluido suele ser una mezcla de propilenglicol que se calienta y se envía a un intercambiador de calor, donde el calor se transfiere al agua potable.
Además de la protección contra congelamiento, un circuito separado tiene la ventaja de proteger los sensores contra la corrosión y los depósitos de agua dura. Hay dos tipos básicos de sistemas de circuito cerrado: sistemas de presión y sistemas de drenaje.
Sistema de presión de circuito cerrado
Un sistema de presión de circuito cerrado utiliza una mezcla de propilenglicol y agua que circula al colector mediante una bomba de recirculación.
Generalmente se utilizan colectores de placa plana, pero cualquier tipo de colector funcionará. En el colector, la mezcla de propilenglicol y agua se calienta y se devuelve a un tanque de almacenamiento solar que contiene un intercambiador de calor. (En algunos sistemas, el intercambiador de calor es un componente externo).
Una mezcla común de propilenglicol y agua es una mezcla 50-50, pero la proporción exacta depende del clima y el tipo de sistema.
En la Figura 6 se muestra un sistema de presión de circuito cerrado básico. El sistema de la figura tiene un calentador de agua de respaldo separado que proporciona agua caliente si el sistema solar no puede hacerlo, pero algunos sistemas se construyen sin un depósito separado.
Figura 6 Sistema de agua caliente presurizado de circuito cerrado
El sistema es monitoreado y controlado por un controlador, que monitorea la temperatura hacia y desde el colector y determina cuándo se necesita calor y cuándo está disponible. En este caso, el controlador activa la bomba de recirculación para transferir el calor del colector al acumulador solar.
El calentador de agua de respaldo está conectado de modo que se use agua precalentada del tanque de almacenamiento solar en lugar de agua fría.
Dado que la temperatura puede ser más alta de lo deseado, una válvula de control agrega automáticamente agua fría según sea necesario para establecer la temperatura de salida final.
En el circuito de propilenglicol-agua, se requiere un vaso de expansión para evitar una posible falla del sistema durante la expansión del fluido. Como saben, los líquidos se expanden cuando se calientan y no se comprimen; El recipiente expandido deja espacio para el fluido caliente.
El tanque de expansión tiene una cámara de aire cerrada separada del fluido en circulación por una vejiga que se expande y contrae a medida que cambia la temperatura del fluido.
Sistemas de drenaje
Un sistema de drenaje es un sistema en el que el fluido se calienta en un colector solo cuando hay calor disponible.
Un sistema de drenaje es un método común para calentar agua caliente y evitar problemas de congelamiento. El fluido circulante puede ser agua pura o una mezcla de agua con propilenglicol en climas extremadamente fríos o si se requiere protección adicional contra congelamiento.
En la Figura 7 se muestra un sistema básico; son posibles otras configuraciones, pero este sistema muestra los componentes básicos. La bomba del sistema solo se enciende cuando hay calor disponible en los colectores y requerido por el tanque de almacenamiento; de lo contrario, está apagado.
Cuando la bomba se detiene, los colectores se vacían por gravedad al tanque de suministro. Si bien esta acción evita problemas de congelamiento, se pueden ver daños si el sistema no se drena por completo. Por lo tanto, es importante que el sistema esté diseñado para drenar completa y rápidamente.
Los colectores deben instalarse en ángulo y el drenaje debe instalarse en el punto más bajo para garantizar el drenaje.
Las tuberías no pueden combarse ni recolectar agua a medida que fluyen (evite las tuberías horizontales), y la bomba debe ser suficiente para proporcionar una presión de cabeza razonable en la parte superior del colector.
Algunos diseñadores de sistemas prefieren usar una mezcla de propilenglicol y agua en todas las condiciones, pero especialmente cuando las condiciones pueden ser severas.
Imagen 7 Drene el sistema de agua caliente
En lugar del tanque de expansión que se usa en un sistema presurizado, un sistema de drenaje requiere un depósito o tanque de drenaje, que es un tanque sin ventilación diseñado para contener todo el fluido de retorno cuando no está en los colectores.
El tanque está ubicado en un ambiente protegido, donde no hay posibilidad de congelación e incluye un medio para verificar el nivel dentro del tanque. También debe ubicarse por debajo del nivel de los cabezales y en un área libre de escarcha para que la gravedad del fluido permita el drenaje completo de los cabezales y la plomería exterior cuando los cabezales no estén en uso.
El tanque de drenaje también debe ubicarse lo más alto posible en el espacio más cálido para reducir la carga en la bomba.
Al igual que con el sistema de circuito cerrado presurizado, se utiliza un controlador. El controlador monitorea la temperatura del agua en el tanque y la temperatura del colector y enciende la bomba si hay suficiente diferencia de temperatura para que valga la pena. Una opción es usar una bomba de CC alimentada por un módulo fotovoltaico dedicado.
Sistemas fotovoltaicos híbridos
Una nueva tendencia en los sistemas solares es combinar la generación de electricidad con el calentamiento de agua caliente. Los sistemas fotovoltaicos/térmicos híbridos pueden ser un sistema rentable en algunos entornos.
Los colectores fotovoltaicos se calientan bastante de forma natural con el sol, por lo que son una fuente inmediata de calor para un sistema de agua termal.
Un sistema fotovoltaico híbrido llamado sistema Echo extrae aire exterior debajo de los módulos fotovoltaicos, calentando así el aire. El aire caliente ingresa al ático de una estructura a través de un respiradero en el techo y luego se envía a través de un intercambiador de calor.
Durante la temporada de calefacción, puede ayudar a calentar la casa (o cualquier estructura) según sea necesario; si no, se puede utilizar como precalentador para el sistema de agua caliente.
La falla puede ocurrir en cualquier sistema. Los calentadores de agua solares pueden diseñarse para que sean muy confiables, pero puede haber fugas o incluso la bomba puede atascarse, en cuyo caso es el agua puede liberarse o el agua puede quedar expuesta a condiciones de congelación.
Es importante que el el sistema es ser revisado regularmente y reparado según sea necesario. Por ejemplo, el líquido de reflujo puede evaporarse con el tiempo, lo que requiere la adición de líquido nuevo.
En los casos en que se usa propilenglicol, el propilenglicol puede volverse ácido con el tiempo y debe reemplazarse.
Verificar visualmente el sistema en busca de problemas como daños por roedores, fugas o corrosión es una práctica útil para mantener un sistema activo.
Preguntas de revisión
- ¿Cuál es la diferencia entre un calentador de agua solar de circuito abierto y uno de circuito cerrado?
- ¿Qué características hacen que cierto material de placa sea un buen absorbente en un conductor plano?
- ¿Cómo hace el calor latente de vaporización que una tubería de calor sea más eficiente para mover el calor hacia arriba de la tubería?
- ¿Por qué es necesario incluir un vaso de expansión en un sistema de agua caliente a presión?
- ¿Cuáles son los pasos importantes para evitar la congelación en un sistema de drenaje de agua caliente?
respuestas
- En un sistema de circuito abierto, el agua potable circula a través de los colectores; en un sistema de circuito cerrado, un fluido separado, generalmente una mezcla de propilenglicol y agua, se envía a los colectores y el calor se intercambia con agua potable.
- La placa está hecha de un buen conductor de calor y está recubierta con un material de alta absorción y baja emisividad.
- El calor de vaporización es muy grande. Debido al cambio de estado, se transfiere más calor al líquido que se evapora.
- El tanque de expansión evita fallas en el sistema que pueden ocurrir cuando el fluido se expande cuando se calienta en los colectores.
- El fluido en circulación debe fluir completamente cuando no hay calor disponible en el colector, por lo que se deben revisar los colectores y toda la plomería para ver si tienen la pendiente adecuada y cualquier hundimiento, y la bomba debe tener el tamaño correcto para llevar agua a la parte superior del colector sobre un plazo razonable. . presión.
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