1. INTRODUCCIÓN

El sol aporta anualmente, para la atmosfera terrestre, 1.5x10¹⁸ KWh de energía. Se trata de un valor considerable, correspondiente a 10000 veces más el consumo mundial de energía en este periodo. Este hecho indica que, además de ser el responsable por el sustento de la vida en la tierra, la radiación solar constituye una fuente inagotable de energía, habiendo un enorme potencial de utilización por medio de captadores y conversores en otra forma de energía (térmica, eléctrica, etc), para calentamiento de fluidos y ambientes, así como para la generación de potencia mecánica o eléctrica. También puede ser convertida directamente en energía eléctrica, por medio de los efectos sobre determinados materiales, entre los que se destacan el termoeléctrico y el fotovoltaico.

Actualmente, la energía solar es ampliamente utilizada para el calentamiento de agua sanitaria en residencias, hoteles, industrias y otros, para lo cual se utilizan los llamados colectores solares, que es cualquier dispositivo diseñado para recoger la energía irradiada por el sol y convertirla en energía térmica, existen varios tipos de estos colectores como los placa plana utilizados preferentemente para residencias, los tubos de vacio usados tanto para residencias como a nivel industrial y otros capaces de producir mayores temperaturas como son los colectores de concentración.

En nuestra ciudad el uso de termas solares se ha convertido en una de las principales fuentes de calentamiento del agua sanitaria en las residencias Arequipeñas. En el mercado regional y nacional existen termas solares, las cuales se usan a nivel doméstico e industrial, fabricados por empresas locales en forma artesanal e industrial.

El clima en la ciudad de Arequipa es seco y con escasa nubosidad. Son 300 días de sol al año, con 11 horas de insolación, siendo el periodo entre las 11 e 14 horas el que presenta la más alta tasa de radiación. En la Figura 1 podemos observar la irradiación en un día típico. La irradiación global diaria bordea los 1000 W/m² durante casi todo el año. Su temperatura media es de 21^oC. Durante el día el aire es seco y caliente. En las notes, principalmente en los meses de Mayo, Junio y Julio la temperatura cae para cerca de 8^oC.

El colector solar más utilizado en Arequipa, es el colector solar plano, que está básicamente constituido de una caja rectangular, herméticamente cerrada, con aislante térmico en las laterales y en la parte inferior, una cubierta de vidrio plano transparente en la parte superior, y entre la cubierta y el aislante térmico encontramos la chapa absorbente, por el cual circula el fluido de trabajo.

Figura 1: Irradiación global típica en plano horizontal de la ciudad de Arequipa.

[Fuente: Escuela Profesional de Física de la UNSA]

2. PRINCIPALES TÉCNICAS DE CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

La tecnología solar térmica permite el aprovechamiento de la radiación solar para la producción de energía a través del calentamiento de un fluido sin residuos contaminantes.

Existen varias tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar, pero las principales son:

- La Circulación Natural

- La Circulación Forzada

La diferencia fundamental entre ambas es que en la primera (circulación natural) no hay elementos en el sistema de tipo electromecánico: el motor de la circulación natural es directamente la energía solar, mientras que en la segunda (circulación forzada), el fluido circula gracias a una bomba de circulación.

Figura 2: Esquema de la circulación natural y la circulación forzada.

3. TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS

Un colector solar consta de una placa captadora que, gracias a su geometría y a las características de su superficie, absorbe energía solar y la convierte en calor (conversión fototérmica). Esta energía es enviada a un fluido portador del calor que circula dentro del colector mismo o tubo térmico.

La característica principal que identifica la calidad de un colector solar es su eficiencia, entendida como capacidad de conversión de la energía solar incidente en energía térmica.

Fundamentalmente existen tres tipos de colectores solares: planos, de vacío y de concentración.
Los primeros se dividen en otras dos categorías: planos con cubierta y planos sin cubierta.

3.1 Colectores solares planos

Los colectores solares planos son el tipo más común actualmente. Los colectores planos con cubierta están compuestos esencialmente por una cubierta de vidrio, una placa captadora aislada térmicamente en la parte inferior y están lateralmente contenidos en una caja de metal o plástico.

Los colectores planos sin cubierta normalmente son de material plástico y están directamente expuestos a la radiación solar. La utilización de estos últimos se limita al calentamiento del agua de las piscinas.

Figura 3: A. Colector plano sin cubierta, B. Colector plano con cubierta [Fuente: Energía solar térmica]

3.2 Colectores solares de vacío

Están proyectados para reducir las dispersiones de calor hacia el exterior. El calor captado por cada elemento (tubo de vacío) es transferido a la placa, generalmente de cobre, que está dentro del tubo. De esta manera, el líquido portador del calor se calienta y, gracias al vacío, se reduce al mínimo la dispersión de calor hacia el exterior.

En su interior la presión del aire es muy reducida, de forma que impide la cesión de calor por conducción. En la fase de montaje, el aire entre el absorbedor y el vidrio de la cubierta es aspirado y hay que asegurar una hermeticidad perfecta y perdurable en el tiempo.

3.3 Colectores solares de concentración

Los colectores solares de concentración son colectores cóncavos proyectados para optimizar la concentración de la energía solar en un punto bien determinado. Son eficaces sólo con luz solar directa, ya que tienen que seguir el movimiento del sol.

Este modelo de colector, que puede alcanzar altas temperaturas, es una elección lógica para generadores solares o para hornos de altísimas temperaturas (más de 4.000°C). El costo y la realización del equipo de seguimiento del Sol y su construcción determinan que sea poco práctico.

4. ESQUEMA FUNCIONAL DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Los colectores solares instalados en los techos convierten la luz, que penetra a través de los vidrios, en calor. Estos colectores establecen la ligación entre la energía proveniente del sol y los utilizadores de agua caliente. El calor es generado por la absorción de los rayos solares a través de una placa metálica que se comporta como un cuerpo negro, la placa absorbedora es el componente principal del colector. En esta placa esta incorporado un sistema de tubos que sirve para transferir el calor para el fluido de transferencia térmica, que fluye para el tanque de almacenamiento de agua caliente.

El principio de funcionamiento (Figura 4) del calentamiento solar de agua es bastante simple. Se basa en la transmisión de calor a través de materiales que componen el sistema.

El agua sale de la caja de agua fría y va para el reservatorio térmico solar, pasando después para los colectores solares. El agua es calentada al pasar por los colectores solares. El agua caliente retorna para el reservatorio térmico solar, quedando almacenada hasta el consumo. Siempre que consumimos el agua caliente automáticamente entra el agua fría al reservatorio para continuar el ciclo. El agua circula por los colectores solares a través de dos sistema: circulación natural (termosifón), que ocurre por diferencia de densidad entre el agua fría y el agua caliente, el agua fría siendo mas pesada acaba empujando el agua caliente que es mas liviana. Realizando la circulación. O por circulación forzada, donde la circulación de agua no ocurre sola y si por auxilio de una micro bomba instalada en el circuito y un controlador eléctrico inteligente con sensores de diferencial de temperatura.

5. COLECTOR DE PLACA PLANA CON CUBIERTA

Todos los colectores planos, que están disponibles en el mercado son de absorbedores de metal dentro de una caja rectangular plana. Los colectores planos tienen un aislante térmico en la parte inferior y en los lados. En la parte superior tienen una cubierta transparente. De los dos tubos ligados para la alimentación y el retorno del fluido de transferencia térmica están colocados en la parte superior e inferior del colector.

Figura 5: Componentes de un colector plano con cubierta. 1. Perfil, 2. Sellante, 3. Cubierta transparente, 4. Caja – parte lateral, 5. Aislante, 6. Placa absorbedora, 7. Tubos por donde circula el agua, 8. Encaje, 9 Caja – parte inferior. [Fuente: Energía solar térmica]

5.1 Componentes y materiales de colectores de placa plana

· Absorbedor o placa negra:

La pieza principal de un colector plano es la placa abosorbedora. Esta consiste en una chapa metálica con buenas características de absorción de calor (fabricadas, por ejemplo, en aluminio o cobre en una superficie sola o en varias placas) con revestimiento negro o con revestimiento selectivo y tupos de tranferencia de calor (usualmente el material utilizado es el cobre) ligados a el colector.

La función de esta placa es absorber la radiación solar y transferir el calor al fluido que está circulando por los tubos.

La optimización de la placa absorbedora es posible a través del tratamiento de la placa metálica, con un revestimiento de pintura negra común o selectiva. Un revestimiento selectivo es formado por una estructura con diferentes camadas que mejoran la calidad de la placa metálica.

Generalmente los revestimientos selectivos más utilizados son de tratamiento electroquímico, como es el caso del cromo-negro o níquel-negro. Lo último en revestimiento con mayor absorción de energía para temperaturas elevadas o bajos niveles de irradiación solar es el TiNOx (revestimiento por deposición física del tipo “sputtering”). Este proceso se caracteriza por presentar un pajo consumo de energía y menores impactos ambientales que usualmente son creados a través del cromado.

Materiales

La placa absorbedora esta hecha de una lamina de Aluminio, con una espesura de 0.2mm. Tuberías de cobre en tipo parrilla de ½ y dos tuberías de Cu de ¾, uno para la entrada del agua fría de la red de distribución y el otro para la salida del agua caliente al tanque almacenador.

Las tuberías de Cu de ½ son colocadas en paralelo y el sistema Omega Plus es utilizado para envolver casi toda la tubería de cobre y así aprovechar mejor la radiación de Sol, ver Figura 6.

En el Anexo A y B podremos conocer mas sobre las características y aleaciones del Aluminio y Cobre.

Figura 6: Placa absorbedora utilizada en los colectores solares en la ciudad de Arequipa. [Fuente: Aquecimento solar de água na cidade de Arequipa-Peru]

· Cobertura:

La cobertura de vidrio tiene la propiedad de reducir las perdidas de calor por convección y radiación para el ambiente, lo que provoca el llamado efecto estufa. El vidrio plano en Arequipa todavía es el más utilizado para cobertura de colectores planos, vidrio de 3-4 mm de espesor.

Colectores para las regiones de mayor altitud utilizan el vidrio duplo.

El montaje de vidrio a las diferentes cajas puede ocurrir sobre presión de perfiles metálicos empernados o rebitados. Los colectores fabricados en Arequipa, en su mayoría, utilizan el proceso de pegado de vidrio a perfiles de Aluminio por medio de materiales a base de silicona. El pegado del vidrio tiene la finalidad de impedir la entrada de agua, polvo e insectos dentro de la caja colectora.

· Aislante:

Las perdidas de calor en las partes posteriores y laterales de una placa absorbente pueden ser reducidas por una camada de material aislante. Este material debe tener una conductividad térmica baja, mantener su forma y soportar temperaturas y cargas encontradas durante la operación del colector.

La mayoría de los fabricantes utilizan espuma de poliuretano, otros fabricantes utilizan fibra de vidrio.

El poliuretano puede ser liquido o en planchas, con una espesura de 25mm.

Ver en Anexo C las características del poliuretano, así como una comparación con otros materiales que pueden ser usados como aislantes térmicos (fibra de vidrio, lana mineral, etc).

· Caja Colectora:

La función de la caja colectora es la de contener todo el conjunto. Como los esfuerzos mecánicos son reducidos, no es necesario grande resistencia. Generalmente la caja es colocada sobre un soporte de perfiles metálicos fijados en el suelo o en techo de las residencias.

La mayoría de los colectores solares disponibles en la ciudad de Arequipa utilizan Aluminio LH3001 de 1mm de espesura en la caja colectora. De este tipo fueron encontradas cajas de 0,5 y 1.0mm de espesor soldadas y rebitadas. Todavía es posible encontrar cajas de fierro pintadas externamente de negro. La chapa del fondo puede ser de aluminio o fierro galvanizado, algunos fabricantes usan el Nordes.

· Tanque:

Los primeros tanques fabricados en la ciudad de Arequipa fueron de fierro galvanizado. Actualmente estos tanques son formados por dos recipientes cilíndricos concéntricos de acero inoxidable, de tal modo construidos que el tanque interno se mantenga 6.7 cm alejado de las laterales y los topes. Este espacio es relleno con poliuretano de alta densidad. Otros tanques utilizan fibra de vidrio y poliuretano juntos.

El recipiente externo es construido de acero inoxidable brillante 304, con 0.2 o 0.3 mm de espesor y finalmente protegidos con el aislante térmico. Este recipiente actúa como un medio de protección a las condiciones externas (lluvia, corrosión, humedad, etc.). Algunos fabricantes utilizan el acero inoxidable 430 de menor calidad, reemplazando al acero 304 o el aluminio anodizado.

El tanque interno es apoyado sobre una base semicircular. Este tanque es fabricado de acero inoxidable mate 304, con 2 o 1.5 mm de espesor.

El acero inoxidable 316 es fabricado a pedido por algunas empresas, en vista de su costo elevado comparado con los aceros 304 y 430. En el Anexo D encontraremos los diferentes tipos y calidades de los aceros inoxidables.

Actualmente muchos tanques son fabricados con una resistencia eléctrica y un termostato auxiliar, estos son empleados generalmente en los días nublados o cuando existe mucho consumo de agua caliente.

· Red de Distribución:

De sistemas de calentamiento hasta los puntos de agua caliente, existe una red de distribución constituida por una parte externa y por otra embutida en las paredes de la resistencia. Actualmente se utilizan las tabulaciones de tipo Hidro3.

Los usuarios que cambian el calentador solar por una ducha eléctrica, generalmente utilizan una red de distribución de agua caliente existente, y como la ducha eléctrica tiene un circuito eléctrico independiente, este puede ser prendido como back-up en días de mucha nubosidad.

6. COLECTORES DE PLACA PLANA SIN CUBIERTA

Los colectores de placa plana sin cubierta (constituidos apenas por absorbedores plásticos) son usados principalmente para el calentamiento de piscinas. Estos colectores se caracterizan por la falta de cobertura transparente y aislante térmico, así como de la estructura de soporte.

6.1 Características de los colectores para calentamiento de piscinas

Los sistemas de calentamiento de piscinas poseen algunas características diferentes de los sistemas de calentamiento para consumo residencial, que precisan ser conocidas para obtener un buen desempeño de los equipos escogidos para una determinada función, pues la temperatura del agua varia conforme la actividad desarrollada en la piscina:

· En piscinas residenciales, clubes y academias se trabaja con temperaturas entre 28 y 30^oC.

· En piscinas de competición en torno de 26.5^oC.

· En piscinas para tratamientos de fisioterapia entre 33 y 35^oC.

Estos factores indican la necesidad de control de la temperatura alcanzada por el sistema de calentamiento. La manera más eficiente de controlar un sistema es a través de dispositivos electrónicos para accionamiento automático de los equipos conforme las condiciones del proceso.

Un segundo aspecto importante es que el volumen del agua en una piscina es mucho mayor que en un reservatorio de uso residencial, por tanto, necesita de una cantidad mucho más grande de energía para promover la elevación de temperatura del agua.

Por eso el sistema de calentamiento ideal es aquel que conserva permanentemente la temperatura del agua de la piscina en su tasa de utilización, completando pequeñas variaciones de temperatura en la medida en que ocurren perdidas de calor durante su operación.

Este factor, debe ser tratado con atención, porque puede perjudicar el desempeño de un sistema de calentamiento si no es llevado en consideración.

6.2 Funcionamiento básico de los calentadores de piscinas

A. Usar la bomba existente, el agua de la piscina es dirigida a través de una serie de válvulas a los colectores solares.

B. El agua de la piscina entra al colector solar por abajo y sube a través de los tubos individuales del colector.

C. Cuando el agua pasa a través del colector es calentada por la energía radiante del sol.

D. El agua retorna a la piscina para repetir el ciclo hasta que la
piscina haya sido calentada por el sol.

En la Figura 9 mostramos un esquema simplificado del calentamiento de piscinas.

A continuación veremos algunos factores que deben ser considerados al momento de dimensionar un sistema de calentamiento de piscinas. Los principales son:

· En que localidad será instalado el sistema;

· Cuales son las dimensiones de la piscina a ser calentada;

· Cual será la aplicación de la piscina (láser domestico, láser colectivo, academia, terapéutica, etc)

· Cual es la incidencia solar en la región donde se pretende instalar los colectores solares;

· Existencia de sombras significativas.

Figura 9: Funcionamiento básico de los colectores para calentamiento de piscinas.

[Fuente Soletrol].

6.3 Materiales para los calentadores de piscinas

Estos calentadores son hechos exclusivamente de plástico. Pueden ser duros y rígidos o blandos y flexibles, de a cuerdo con la mistura plástica. La utilización de plástico permite el funcionamiento del sistema solar con agua clorada en la piscina, pero siempre es necesario considerar el contenido de cloro. Una dosis elevada (a partir de los 5 mg/l) puede dañar el colector. Los límites exactos, a partir de los cuales ocurren daños, dependen de la composición del plástico.

Los plásticos también son usados para las tabulaciones, siendo no en tanto, hechos a partir de mangueras rígidas.

Los tipos de plásticos que pueden ser usados son:

· EPDM, Monómero de Etileno Propileno Dieno;

· PP, Polipropileno;

· PE, Polietileno;

· PVC, Policloreto de vinilo

· ABS, Acrilonitrilo-butadienestireno

Debido a sus buenas propiedades hay dos materiales que son líderes en el mercado, a pesar de los elevados costos comparado con los otros materiales y son el EPDM y PP.

A continuación detallaremos 3 de estos materiales usados para calentar el agua de las piscinas:

6.3.1 Colectores de polipropileno

Los colectores o placas de polipropileno negro son una fuente de energía renovable y atóxica según sus propios fabricantes tienen las siguientes características:

· Son resistentes a lluvia, granizo congelamiento, rayos UV, acción de productos químicos y a la corrosión.

· Pueden calentar grandes volúmenes de agua con una alta velocidad de circulación.

· Son 50% más baratos que cualquier otro colector plano convencional con cubierta de cristal y aislamiento, también son mucho más livianos.

· No necesitan de mantenimiento, con un mayor tiempo de vida útil.

· Instalación barata y sencilla, mediante tuberías de PVC.

· Según la empresa Hidrosol este colector calienta el agua de la piscina entre 26 – 30^oC.

Figura 10: Colector solar de polipropileno. [Fuente Soletrol]

(Ver en ANEXO F las características del polipropileno)

6.3.2 Colectores de polietileno de alta densidad (PEAD)

Las placas colectoras termoplásticos de alta densidad (PEAD) activadas contra la acción de los rayos UV, tienen las siguientes características según sus fabricantes:

· Son resistentes a choques, acciones de la naturaleza (congelamiento, granizo, lluvia),

· De fácil instalación y manutención,

· Resistencia a la corrosión, a aguas agresivas, a productos químicos;

· Resistencia a la formación de depósitos e incrustaciones;

· Bajo peso;

· Excelente relación costo-beneficio;

· Exclusivamente para uso en baja presión (0.5 bar) en termosifón, no posibilitando la utilización de presurizadores y bomba de flujo; flujo elevado, por placa,

· En sistemas de calentamiento de piscinas a 250litros/hora por placa de entrada la eficiencia energética media es de 82%

· Según la empresa Hidrosol este colector calienta el agua de la piscina entre 25 – 27^oC.

Figura 11: (A) Coletor solar de EPAD, (B) Detalle de la fabricación: espacios totalmente llenos, generando mayor área de captación solar. [Fuente Alo Solar Alpina]

6.3.3 Colectores de EPDM “Monómero Etileno Propileno Dieno”

Los colectores de EPDM tienen las siguientes características:

· Alta resistencia a la intemperie y cambios climáticos.

· Resisten prolongada exposición al ozono y luz solar sin signos de envejecimiento.

· Estable a los rayos ultravioletas, incluso bajo exposición permanente al sol.

· Buena resistencia a la abrasión y poca absorción de agua.

· Bajo condiciones normales, se espera elevar entre 5º C a 8 ºC la temperatura del agua de la piscina en la época de primavera/verano, obteniendo de esta forma temperaturas entre 24ºC a 31ºC .

· Los colectores son flexibles – no son rígidos – lo que les permite tomar la forma de la estructura base.

Figura 12: Colector solar para piscinas de EPDM

6.4 Comentarios sobre colectores solares para piscinas

La empresa Termoservic-Chile, asegura que los colectores de polipropileno tienen mejores beneficios sobre los colectores de EPDM a pesar de su mayor costo, como por ejemplo; mayor eficiencia, la no disminución del desempeño a través de los años, durabilidad, bajas perdidas de carga, prolongación de la vida útil de la bomba.

Según el Instituto de Pesquisa del Estado de Flórida, el desempeño de los colectores para piscinas no varia significativamente cuando se les compara por la energía transferida por día y m² del área del colector (kcal/h/m² de colector).