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• Giannina Vasquez Basilio

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ENERGIA TERMICA (M. Sc. Ing. Carlos Orbegozo, Roberto Arivilca. 2010)

En forma directa o indirecta, el trabajo diario de complejos y elegantes colectores solares, como son las hojas de las plantas y árboles, nos proporciona alimento y produce combustible para que millones de hogares en el mundo entero puedan cocinar, al igual que ha creado todas nuestras reservas de combustibles fósiles en el pasado. En el presente trabajo aplicaremos la generación de calor a partir de la energía solar, aprovechando la radiación infrarroja para implementar el sistema de invernadero ecosostenible. En el método de conversión a calor, la luz solar es absorbida por una superficie de color negro, que por ende se calienta. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de conversión de la energía solar térmica.

TERMA SOLAR Una terma solar consta de uno o más colectores, así como de un tanque de almacenamiento aislado; está diseñada para ser utilizada en casas, hospitales, lavanderías, etc. El mecanismo de operación de una terma solar es el siguiente: La luz solar es absorbida por una superficie de color negro cubierta por láminas de vidrio, que por ende se calientan. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, éstos también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de una terma solar. El sistema de una terma solar está formado básicamente por un colector plano y un tanque de almacenamiento de agua.

Figura: ilustración del el diseño más simple para una terma solar.

TIPO DE TERMAS SOLARES EL SISTEMA DIRECTO PASIVO 'TERMOSIFÓN' Es el más simple y domina el mercado en Perú. Existen varias empresas nacionales que producen estos calentadores con paneles planos o los equipan con tubos al vacío. Sobre todo en Arequipa con su radiación muy favorable, ya existe una 'cultura' de usar termas solares desde años. Solo en esta ciudad se estima que más de 35.000 sistemas son instalados. La gráfica demuestra la simplicidad del sistema. Cabe mencionar que sistemas que no aguantan una presión elevada (por ejemplo los con tubos al vacío simples) requieren un limitador de la presión adicional. Existen termas de tamaños desde 80 litros hasta vario miles de litros por ejemplo para hoteles. Con un buen acabado y buenos materiales (por ejemplo acero inoxidable) pueden durar más de 15 años con muy poco mantenimiento. Sistemas pequeños para uno o dos personas y baratos (lo que no necesariamente es la mejor inversión) cuestan aproximadamente desde 1.000 Soles sin la instalación.

FIGURA: Sistema pasivo termosifón

EL SISTEMA ACTIVO DIRECTO Elimina la necesidad de colocar el tanque arriba del colector y permite posicionarlo en cualquier lugar. Para lograrlo, hay que añadir una pequeña bomba que fuerza la circulación entre el colector y el tanque. Un controlador evita que el agua circule cuando el panel no produce calor, normalmente durante la noche.

La gráfica muestra este sistema. Además, en este ejemplo se usa una pequeña placa solar fotovoltaica para alimentas la bomba con electricidad independiente de la red. Este sistema puede ser muy favorable por razones de diseño y de la vista arquitectónica estética. La obvia desventaja es la necesidad de una bomba manejada por un controlador que añade algo de complejidad y aumenta los costos iniciales.

FIGURA: Sistema activo directo

EL SISTEMA ACTIVO INDIRECTO Es el sistema que se usa en zonas donde la temperatura puede congelar el agua. Aunque es más sofisticado y necesita una atención mayor (por ejemplo una renovación de los líquidos anticongelantes) todavía es muy rentable. Este sistema domina los mercados en el norte de Europa, donde, aparte de calentar el agua y a pesar de una radiación muy reducida, apoya frecuentemente la calefacción de las casas enviando el calor a través de radiadores a las habitaciones. Este sistema requiere un intercambiador de calor normalmente colocado en el tanque. Recientemente se empezó con la producción de estos sistemas en el Perú. La selección del mejor sistema depende de su ubicación y su necesidad. Con una radiación solar todo el año y sin temperaturas bajo cero, el sistema directo pasivo es el más conveniente y económicamente más rentable. En zonas, donde el cielo es cubierto durante temporadas y el ambiente es muy fíio, se puede considerar usar tubos de vacío.

Para aquellos que no les gusta tener un tanque visible o de otras consideraciones técnicas o estéticas que requieren el tanque de agua en una ubicación separada de los paneles (por ejemplo en el sótano), un sistema activo es la selección. Y por fuerza de la naturaleza, donde las temperaturas pueden ser por debajo de cero, un sistema indirecto activo es mandatorio.

FIGURA: Sistema activo indirecto

FUNCIONAMIENTO (Organización DELTA VOLT. 2009)

1.

Principio pasivo. Se usa el efecto que el agua caliente por su menor densidad sube por si misma al tanque (principio termosifón). Así no requiere ninguna bomba, pero el tanque de agua debe ser colocado arriba del colector solar para captar y guardar el agua caliente.

2.

Principio activo. Diferente al anterior, se usa una bomba para mover el agua caliente, un controlador apaga la bomba si la temperatura en el colector es más baja que la en el tanqe (por ejemplo en la noche). Tiene la ventaja que se puede colocar el tanque en cualquier lugar, por ejemplo en el sótano, mientras los paneles son montados en el techo.

3.

Principio directo. Aquí el agua de uso fluye directamente por el sistema y es calentado sin otro intermedio. Es muy eficiente, pero que pasa, por ejemplo en el altiplano, donde la temperatura puede ser debajo del punto de congelamiento en las

noches? El agua se congela y los tubos pueden romperse. En estos casos se usan los sistemas indirectos. 4.

Principio indirecto. En esto, el líquido que fluye por los paneles es tratado similarmente al agua en los radiadores de los carros con anticongelantes (por ejemplo glicol). No potable y venenoso para el consumo, esto requiere separar el líquido que pasa pos los paneles del agua potable con un intercambiador de calor, normalmente dentro del tanque de agua.

Combinando estos cuatro principios los siguientes sistemas existen en el mercado. Funcionan con paneles planos o tubos al vacío.

TERMA SOLAR CON CIRCULACIÓN NATURAL Efecto termosifón cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos. El agua se calienta y sube por el conducto superior hacia el tanque de almacenamiento. El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito. Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior. Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se genera una circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar, cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema, éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º

FIGURA: Circulación natural del agua

TERMA SOLAR DE CIRCULACIÓN FORZADA El sistema de efecto termosifón es el más simple y adecuado para ser construido y utilizado en nuestro medio y a un costo mínimo. Por el hecho de trabajar sin una bomba eléctrica, no requiere conexión a la red de alumbrado público, cosa que es muy ventajosa en el Perú, ya que hay lugares que no cuentan con dicha conexión. Por otro lado, en los lugares donde hay electricidad, es posible instalar un sistema de circulación forzada, es decir, un sistema en el que se emplea una bomba En un sistema de circulación forzada, los sensores de temperatura prenden la bomba eléctrica en el momento en que detectan una diferencia de temperatura mayor de 4º C entre la parte más baja del tanque de almacenamiento y la parte superior del panel. En comparación con el sistema de efecto termosifón, este sistema es ligeramente más eficiente en términos de energía. En términos de costos, el sistema de circulación forzada es más caro. Además del aumento de eficiencia, el sistema de circulación forzada permite, por lo general, colocar el tanque de almacenamiento más abajo que el panel, en el interior de los edificios, por ejemplo. Otra razón por la que se utilizan sistemas de circulación forzada, es porque hacen del sistema una instalación resistente a la congelación. En climas muy fríos, cuando la temperatura baja de cero grados, el colector deberá estar vacío, o de lo contrario, deberá agregarse anticongelante al fluido del colector. En el primer caso, el tanque de almacenamiento es colocado más abajo que el colector y, sólo en caso de que haya suficiente luz solar, la bomba se pondrá en funcionamiento y el colector se llenará de agua.

En el segundo caso, el circuito del colector y el circuito de agua deberán estar separados por un intercambiador de calor que reducirá la eficiencia de la terma solar. Una terma solar consta de uno o más colectores, tuberías y un tanque de almacenamiento aislado. En las próximas secciones describiremos en forma detallada sus diferentes componentes.

FIGURA: Sistema de circulación de agua

PARTES DE LA TERMA SOLAR EL COLECTOR La parte más importante de una terma solar es el colector. La función del colector es convertir la radiación solar en calor y conducirlo al fluido del colector, es decir, al agua en la mayoría de los casos. El colector consta de: 

Un absorbente pintado de negro, del cual se extrae el calor mediante el fluido del

  

colector, es decir, el agua Una cubierta transparente Aislamiento en la parte posterior y a los lados del absorbente Una cubierta de protección para el absorbente y su aislamiento

FIGURA: Colector solar

El absorbente deberá tener las siguientes características:    

Alta eficiencia de absorción. Bajo nivel de pérdidas de calor, es decir, un buen aislamiento. Un buen sistema de tuberías. Una buena conducción de calor entre la placa del absorbente y el fluido del colector.

TIPOS DE ABSORBENTE   

Absorbente de serpentín Absorbente de registro tubular Absorbente de placa

FIGURA: Tipos de colectores

DEFERENCIAS ENTRE COLECTORES

MATERIAL ABSORBENTE

El absorbente puede ser de diferentes metales, como cobre, aluminio y acero. La característica más importante del material empleado para la construcción de un absorbente es la conductividad del calor, la que deberá ser la mayor posible. Si se compara al aluminio con el cobre como material estándar, se puede decir que un absorbente hecho de aluminio es aproximadamente 4% menos eficiente, sin embargo, el aluminio es más fácil de usar. El acero es más barato en comparación con los otros dos materiales, pero es más difícil de utilizar y además, un absorbente de acero es aproximadamente 10% menos eficiente.

SISTEMA DE SEGURIDAD Sistemas de circuitos separados. Estos son necesarios en sitios donde el frío en la noche puede congelar el agua, con el peligro de romper la tubería. Se separa el circuito solar que tiene un anticongelante del agua potable con un intercambiador de calor (normalmente una espiral de cobre) según el esquema a la derecha. Otra posibilidad para una protección es el sistema 'drain-back' que vacía los tubos y los colectores del agua durante la noche. Este requiere una instalación especial.

FIGURA: Diagrama de circuitos separados

Presión

Muchos sistemas con tubos al vacío de flujo directo son de baja presión. Cuestan poco y la instalación es simple. En sistemas de presión requieren un reductor de presión. Vaso de expansión Cuando el agua se calienta, siempre se expande y la presión sube. Para compensar este cambio de volumen y presión, un vaso de expansión que regula esta presión es necesario. Su dimensión depende del volumen del sistema. Válvula de seguridad Instalar válvulas de calidad que aguantan las temperaturas y que abren con una presión correcta es indispensable. Las frecuentemente instaladas válvulas comunes para agua fría no sirven. Purgador de aire Sirve para eliminar el aire del circuito. Con aire, el flujo de agua en el circuito solar es afectado y no puede funcionar. Una bomba que trabajo sin agua se malogra en corto tiempo. Un purgador, apto para el agua caliente, se instala al punto más alto del sistema. Mantenimiento El mantenimiento es similar a las termas eléctricas o de gas. Depende directamente de la calidad de agua y determina la vida de la terma. Se recomienda en situaciones normales limpiar el sistema una vez cada dos años. Si el agua es de mala calidad, ocasionalmente es necesario instalar un filtro. Colocar un ánodo de sacrificio es recomendado para reducir la oxidación (a la derecha un tanque de 8 años sin mantenimiento).

RECOMENDACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO (Energias renovables INTIKALLPA. 2011) Volumen del tanque Se calcula entre 40 a 50 litros por persona. Este valor puede variar considerablemente según la temperatura del agua en el tanque y el uso individual. Si hay necesidad de agua caliente adicional (por ejemplo para lavar ropa o en la cocina), se debe aumentar

el volumen. Tanques de termas solares son grandes y el volumen es de tres a cuatro veces del tamaño de las termas eléctricas o de gas. Es necesario porque el sol requiere más tiempo y calienta solamente durante el día. El aislamiento térmico de alta calidad es grueso y añade al tamaño. Tamaño de los colectores Son dispositivos diseñados para captar la radiación solar donde el agua es calentada para luego pasar al tanque térmico. El tamaño se calcula según la radiación en el sitio de la instalación. En zonas de poco sol, se puede instalar un colector más grande o poner colectores adicionales para compensar. La a veces gran diferencia de la radiación solar entre verano e invierno puede causar un problema: si el sistema es diseñado para funcionar en el invierno (por ejemplo bajo la neblina continua de la costa), en el verano con la alta radiación hay un exceso de calor. Los tanques solares mantienen la temperatura sobre varios días debido a su aislamiento excelente. Temperatura Para ducharse, la temperatura normal es de 40 a 45ºC. Las temperaturas en los tanques pueden llegar según la radiación, tipo y calidad del sistema y su uso hasta más de 80ºC. Orientación de los colectores Al sur del ecuador como en el Perú, la dirección es hacia el norte. Inclinación La mayoría de los colectores requieren una inclinación mínima de 20 a 25º para asegurar su funcionamiento. Aunque este ángulo es mayor que la inclinación promedio sobre el año en el Perú (por ejemplo para Lima son 12º), un ángulo mayor brinda la ventaja de compensar la menor radiación en el invierno cuando el sol baja hasta más de 30º y los días son más cortos. En zonas de lluvias, ángulos mayores de 25º permiten una limpieza de los colectores en forma automática.

Sombra Hay que evitarlas al máximo. Por ejemplo obstrucciones en el techo, árboles o de construcciones vecinales que puedan afectar el rendimiento. Si hay montañas que cubren el sol, se puede optimizar la dirección del colector para ganar el máximo de calor posible. Aislamiento En situaciones sin mucha radiación (por ejemplo durante el invierno en la costa, los días prolongados de lloviznas, o si las temperaturas del ambiente son muy bajas) es absolutamente necesario evitar las pérdidas de calor. Esto se realiza en poner un aislante grueso en todos los tubos y las conexiones, y, si posible, también en las paredes. Este aislante debe ser protegido para que animales, insectos o simplemente la radiación no lo afecte en el tiempo. Las conexiones deben ser lo más cortas posibles para reducir pérdidas.

Posición del tanque 

Lo más simple y confiable es colocar el tanque arriba de los colectores. Usando el efecto termosifón, el agua caliente que tiene menos peso, sube automáticamente al tanque. Desventaja es la estética, el espacio necesario y sobre todo el techo (o otra estructura) tiene que aguantar el peso considerable del tanque lleno.

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Colocar el tanque en el sótano o cualquier otro sitio apto puede ser más estético y práctico, permite un acceso más simple y brinda una mayor protección. Este sistema requiere una pequeña bomba circulatoria y un controlador con sensores en los colectores y la terma. El bombeo se actúa por algunos minutos cuando la temperatura del agua en el colector supera la del tanque.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ((Organización DELTA VOLT. 2009) (…) La fuente de energía, es decir, la radiación solar, no cuesta; sin embargo, el equipo necesario para poder aprovechar los rayos solares puede ser caro, y, por lo general, requiere mantenimiento. Además, el usuario deberá tener nociones básicas sobre su funcionamiento. Una de las características de las termas solares es que las hay de distintos grados de perfección y con un amplio rango de costos y tamaños.