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Calentamiento solar del agua

Colectores solares de agua instalados en España El calentamiento solar de agua ( SWH ) consiste en calentar agua mediante la luz solar , utilizando un colector solar térmico . E...

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Colectores solares de agua instalados en España

El calentamiento solar de agua ( SWH ) consiste en calentar agua mediante la luz solar , utilizando un colector solar térmico . Existen diversas configuraciones disponibles con diferentes costos para ofrecer soluciones en distintos climas y latitudes. Los sistemas SWH se utilizan ampliamente en aplicaciones residenciales y algunas industriales. [ 1 ] [ 2 ]

Un colector orientado hacia el sol calienta un fluido de trabajo que pasa a un sistema de almacenamiento para su uso posterior. Los calentadores solares de agua (SWH) son activos (con bombeo) y pasivos ( accionados por convección ). Utilizan solo agua o agua y un fluido de trabajo. Se calientan directamente o mediante espejos concentradores de luz. Funcionan de forma independiente o como sistemas híbridos con calentadores eléctricos o de gas. [ 3 ] En instalaciones a gran escala, los espejos pueden concentrar la luz solar en un colector más pequeño.

A finales de 2023, la capacidad térmica global de agua caliente solar era de 560 GW th , un aumento del 3 % con respecto a 2022. [ 4 ] El mercado está dominado por China , Estados Unidos y Turquía . [ 5 ] Barbados , Austria , Chipre , Israel y Grecia son los países líderes por capacidad per cápita. [ 5 ] Había 122 millones de sistemas de agua caliente solar en funcionamiento a finales de 2022. [ 4 ]

Historia

Un anuncio de un calentador de agua solar que data de 1902.
El motor solar de Frank Shuman en la portada de marzo de 1916 de The Electrical Experimenter de Hugo Gernsback.

Los registros de colectores solares en los Estados Unidos datan de antes de 1900, [ 6 ] que involucraban un tanque pintado de negro montado en un techo. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore encerró un tanque en una caja de madera, creando así el primer "calentador de agua por lotes" como se les conoce hoy. Frank Shuman construyó la primera central termosolar del mundo en Maadi, Egipto, entre 1912 y 1913, utilizando colectores parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 caballos de fuerza) que bombeaba 23 000 litros (6000 galones estadounidenses ) de agua por minuto desde el río Nilo a los campos de algodón adyacentes. [ 7 ]  

En la década de 1920, en Florida y el sur de California se utilizaban colectores de placa plana para calentar agua mediante energía solar. El interés creció en Norteamérica después de 1960, pero especialmente tras la crisis del petróleo de 1973 .

mediterráneo

Calentadores solares de agua pasivos ( termosifones ) en una azotea en Jerusalén.

Israel, Chipre y Grecia son los líderes per cápita en el uso de sistemas de calentamiento de agua solar, que dan servicio al 30%-40% de los hogares. [ 8 ]

Los sistemas solares de placas planas se perfeccionaron y se utilizaron a gran escala en Israel. En la década de 1950, la escasez de combustible llevó al gobierno a prohibir calentar agua entre las 10  p. m. y las 6  a. m. Levi Yissar construyó el primer prototipo de calentador de agua solar israelí y en 1953 fundó la empresa NerYah, el primer fabricante comercial de calentadores de agua solares de Israel. [ 9 ] Para 1967, el 20 % de la población utilizaba calentadores de agua solares. Tras la crisis energética de la década de 1970, en 1980 Israel exigió la instalación de calentadores de agua solares en todas las viviendas nuevas (excepto en torres altas con superficie de techo insuficiente). [ 10 ] Como resultado, Israel se convirtió en líder mundial en el uso de energía solar per cápita, con el 85 % de los hogares utilizando sistemas solares térmicos (3 % del consumo energético primario nacional), [ 11 ] lo que se estima que ahorra al país 2 millones de barriles (320 000 m³ ) de petróleo al año. [ 12 ] [ 13 ] 

En 2005, España se convirtió en el primer país del mundo en exigir la instalación de generación de electricidad fotovoltaica en edificios nuevos, y el segundo (después de Israel) en exigir la instalación de sistemas de calentamiento de agua solar, en 2006. [ 14 ]

Asia

Nuevas instalaciones de agua caliente solar durante 2009, en todo el mundo.

Después de 1960, los sistemas se comercializaron en Japón. [ 6 ]

Australia cuenta con una variedad de regulaciones nacionales y estatales para la energía solar térmica, comenzando con MRET en 1997. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Los sistemas de calentamiento de agua solar son populares en China, donde los modelos básicos cuestan alrededor de 1500 yuanes (235 dólares estadounidenses), aproximadamente un 80 % menos que en los países occidentales para un tamaño de colector determinado. Al menos 30 millones de hogares chinos cuentan con uno. Su popularidad se debe a los eficientes tubos de vacío que permiten que los calentadores funcionen incluso con cielos nublados y a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. [ 18 ]

Requisitos de diseño

El tipo, la complejidad y el tamaño de un sistema de calentamiento de agua solar están determinados principalmente por:

  • Cambios en la temperatura ambiente y la radiación solar entre verano e invierno.
  • Cambios en la temperatura ambiente durante el ciclo día-noche
  • Posibilidad de sobrecalentamiento o congelación del agua potable o del fluido colector.

Los requisitos mínimos del sistema suelen estar determinados por la cantidad o temperatura de agua caliente necesaria durante el invierno, cuando la temperatura de entrada y salida del sistema es generalmente la más baja. La salida máxima del sistema está determinada por la necesidad de evitar que el agua se caliente demasiado.

Protección contra congelación

Las medidas de protección contra la congelación evitan daños en el sistema debido a la expansión del fluido de transferencia al congelarse. Los sistemas de drenaje por retroceso vacían el fluido de transferencia del sistema cuando la bomba se detiene. Muchos sistemas indirectos utilizan anticongelante (por ejemplo, propilenglicol ) en el fluido de transferencia de calor.

En algunos sistemas directos, los colectores pueden drenarse manualmente cuando se prevén heladas. Este método es común en climas donde las temperaturas bajo cero no son frecuentes, pero puede ser menos fiable que un sistema automático, ya que depende de un operario.

El tercer tipo de protección contra las heladas es la tolerancia a la congelación, en la que las tuberías de agua de baja presión fabricadas con caucho de silicona simplemente se expanden al congelarse. Uno de estos colectores cuenta ahora con la certificación European Solar Keymark.

Cabe destacar que, si bien la necesidad de protección contra la congelación ha sido tradicionalmente un factor que complica el proceso, los sistemas que utilizan colectores de tubos de vacío pueden emplearse en climas con heladas moderadas sin necesidad de drenaje ni anticongelante. Esto se debe a que un sistema de tubos de vacío solo contiene agua en el colector con aislamiento térmico, no en los propios tubos. El controlador también proporciona protección adicional: si la temperatura del colector desciende por debajo de un valor preestablecido (normalmente de 2 a 4 °C), la bomba de circulación se activa automáticamente durante un breve periodo para suministrar agua más caliente al colector.

Protección contra sobrecalentamiento

Cuando no se ha utilizado agua caliente durante uno o dos días, el fluido en los colectores y depósitos puede alcanzar temperaturas elevadas en todos los sistemas que no son de tipo "drenaje por gravedad". En un sistema de tipo "drenaje por gravedad", cuando el depósito alcanza la temperatura deseada, las bombas se detienen, finalizando el proceso de calentamiento y evitando así el sobrecalentamiento del depósito.

Algunos sistemas activos enfrían deliberadamente el agua del tanque de almacenamiento haciendo circular agua caliente a través del colector en momentos de poca luz solar o por la noche, lo que provoca la pérdida de calor. Esto es más efectivo en sistemas de almacenamiento térmico directo y prácticamente ineficaz en sistemas que utilizan colectores de tubos de vacío, debido a su aislamiento superior. Cualquier tipo de colector puede sobrecalentarse. Los sistemas solares térmicos sellados de alta presión dependen en última instancia del funcionamiento de válvulas de alivio de temperatura y presión . Los calentadores de baja presión con ventilación abierta tienen controles de seguridad más simples y confiables, generalmente una ventilación abierta.

Estructura y funcionamiento

Los diseños sencillos incluyen una caja aislada con tapa de vidrio y un absorbedor solar plano de chapa oscura, conectado a tubos de cobre para el intercambiador de calor , o un conjunto de tubos metálicos rodeados por un cilindro de vidrio al vacío (casi al vacío). En aplicaciones industriales, un espejo parabólico puede concentrar la luz solar sobre el tubo. El calor se almacena en un tanque de agua caliente . El volumen de este tanque debe ser mayor en los sistemas de calefacción solar para compensar las inclemencias del tiempo y porque la temperatura final óptima para el colector solar es inferior a la de un calentador de inmersión o de combustión convencional. El fluido de transferencia de calor (HTF) para el absorbedor puede ser agua, pero más comúnmente (al menos en sistemas activos) es un circuito separado de fluido que contiene anticongelante y un inhibidor de corrosión que suministra calor al tanque a través de un intercambiador de calor (generalmente una serpentina de tubos de cobre dentro del tanque). El cobre es un componente importante en los sistemas de calefacción y refrigeración solar térmica debido a su alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión mediante soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua). [ 19 ]

El sistema de drenaje por reflujo es otro concepto que requiere menos mantenimiento. [ 20 ] No se necesita anticongelante; en su lugar, todas las tuberías tienen una pendiente que permite que el agua regrese al tanque. El tanque no está presurizado y funciona a presión atmosférica. Tan pronto como la bomba se apaga, el flujo se invierte y las tuberías se vacían antes de que se produzca la congelación.

Cómo funciona un sistema solar de agua caliente

Las instalaciones solares térmicas residenciales se dividen en dos grupos: sistemas pasivos (a veces llamados "compactos") y sistemas activos (a veces llamados "con bombeo"). Ambos suelen incluir una fuente de energía auxiliar (elemento calefactor eléctrico o conexión a un sistema de calefacción central de gas o gasóleo) que se activa cuando la temperatura del agua en el depósito desciende por debajo de un valor mínimo, garantizando así la disponibilidad constante de agua caliente. La combinación de calentamiento solar de agua y el calor residual de una chimenea de estufa de leña [ 21 ] permite que un sistema de agua caliente funcione durante todo el año en climas fríos, sin necesidad de recurrir a combustibles fósiles o electricidad para cubrir las necesidades de calor suplementarias del sistema.

Cuando se utilizan conjuntamente un sistema de calentamiento de agua solar y un sistema de calefacción central de agua caliente, el calor solar se concentra en un tanque de precalentamiento que alimenta el tanque calentado por la calefacción central , o bien el intercambiador de calor solar reemplaza la resistencia inferior y la resistencia superior permanece para proporcionar calor suplementario. Sin embargo, la principal necesidad de calefacción central se da por la noche y en invierno, cuando la ganancia solar es menor. Por lo tanto, el calentamiento de agua solar para lavar y bañarse suele ser una mejor opción que la calefacción central, ya que la oferta y la demanda se ajustan mejor. En muchos climas, un sistema de agua caliente solar puede proporcionar hasta el 85 % de la energía para agua caliente sanitaria. Esto puede incluir sistemas solares térmicos de concentración no eléctricos domésticos . En muchos países del norte de Europa, se utilizan sistemas combinados de agua caliente y calefacción ( sistemas solares combinados ) para proporcionar entre el 15 % y el 25 % de la energía para calefacción doméstica. Combinado con almacenamiento , el calentamiento solar a gran escala puede proporcionar entre el 50 % y el 97 % del consumo anual de calor para calefacción urbana . [ 22 ] [ 23 ]

Transferencia de calor

Directo

Sistemas directos: (A) Sistema CHS pasivo con tanque sobre colector. (B) Sistema activo con bomba y controlador accionado por un panel fotovoltaico.

Los sistemas de circuito directo o abierto hacen circular agua potable a través de los colectores. Son relativamente económicos. Entre sus desventajas se incluyen:

  • Ofrecen poca o ninguna protección contra el sobrecalentamiento a menos que tengan una bomba de exportación de calor.
  • Ofrecen poca o ninguna protección contra las heladas, a menos que los colectores sean resistentes a las heladas o sean del tipo de tubo al vacío.
  • Los colectores acumulan incrustaciones en zonas con agua dura, a menos que se utilice un ablandador de agua por intercambio iónico.

La llegada de diseños resistentes a la congelación amplió el mercado de calentadores solares de agua a climas más fríos. En condiciones de congelación, los modelos anteriores se dañaban cuando el agua se congelaba, lo que provocaba la rotura de uno o más componentes.

Indirecto

Los sistemas indirectos o de circuito cerrado utilizan un intercambiador de calor para transferir el calor del fluido caloportador (HTF) al agua potable. El HTF más común es una mezcla de anticongelante y agua que generalmente utiliza propilenglicol no tóxico . Tras calentarse en los paneles, el HTF se dirige al intercambiador de calor, donde transfiere el calor al agua potable. Los sistemas indirectos ofrecen protección contra la congelación y, por lo general, también contra el sobrecalentamiento.

Propulsión

Pasivo

Los sistemas pasivos se basan en la convección térmica o en tubos de calor para hacer circular el fluido de trabajo. Son más económicos y requieren poco o ningún mantenimiento, pero son menos eficientes. El sobrecalentamiento y la congelación son problemas importantes.

Activo

Los sistemas activos utilizan una o más bombas para hacer circular el agua y/o el fluido calefactor . Esto permite una gama mucho más amplia de configuraciones. Los sistemas con bombeo son más caros de adquirir y de operar. Sin embargo, funcionan con mayor eficiencia y son más fáciles de controlar. Los sistemas activos cuentan con controladores que incluyen funciones como la interacción con un calentador de agua eléctrico o de gas de respaldo, el cálculo y registro de la energía ahorrada, funciones de seguridad, acceso remoto y pantallas informativas.

Sistemas directos pasivos

Un sistema integrado de almacenamiento y recolección (ICS)

Un sistema integrado de almacenamiento de agua (ICS o calentador discontinuo) utiliza un tanque que funciona como depósito y colector. Los calentadores discontinuos son tanques delgados y rectangulares con un lado de vidrio orientado hacia el sol al mediodía . Son sencillos y menos costosos que los colectores de placas y tubos, pero pueden requerir refuerzos si se instalan en un techo (para soportar entre 180 y 320 kg de agua), sufren una pérdida de calor significativa por la noche, ya que el lado que da al sol no está aislado en gran medida, y solo son adecuados para climas moderados.   

Un sistema de almacenamiento de calor por convección (CHS) es similar a un sistema ICS, con la diferencia de que el tanque de almacenamiento y el colector están físicamente separados y la transferencia de calor entre ambos se produce por convección. Los sistemas CHS suelen utilizar colectores estándar de placas planas o de tubos de vacío. El tanque de almacenamiento debe estar ubicado sobre los colectores para que la convección funcione correctamente. La principal ventaja de los sistemas CHS sobre los sistemas ICS es que se evita en gran medida la pérdida de calor, ya que el tanque de almacenamiento puede aislarse completamente. Dado que los paneles se ubican debajo del tanque de almacenamiento, la pérdida de calor no genera convección, puesto que el agua fría permanece en la parte más baja del sistema.

Sistemas indirectos activos

Los sistemas anticongelantes presurizados utilizan una mezcla de anticongelante (casi siempre propilenglicol de baja toxicidad) y agua como fluido caloportador para evitar daños por congelación.

Si bien son eficaces para prevenir los daños por congelación, los sistemas anticongelantes tienen inconvenientes:

  • Si el fluido caloportador se calienta demasiado, el glicol se degrada en ácido y, por lo tanto, no proporciona protección contra la congelación y comienza a disolver los componentes del circuito solar.
  • Los sistemas sin tanques de drenaje deben hacer circular el fluido caloportador (HTF), independientemente de la temperatura del tanque de almacenamiento, para evitar su degradación. Las temperaturas excesivas en el tanque provocan una mayor acumulación de incrustaciones y sedimentos, posibles quemaduras graves si no se instala una válvula de atemperación y, si se utiliza para almacenamiento, una posible falla del termostato.
  • El fluido caloportador de glicol/agua debe reemplazarse cada 3 a 8 años, dependiendo de las temperaturas a las que haya estado expuesto.
  • Algunas jurisdicciones exigen intercambiadores de calor de doble pared, más caros, a pesar de que el propilenglicol es poco tóxico.
  • Aunque el fluido caloportador contiene glicol para evitar la congelación, hace circular agua caliente desde el tanque de almacenamiento hacia los colectores a bajas temperaturas (por ejemplo, por debajo de 4 ° C ), lo que provoca una pérdida de calor considerable.  

Un sistema de drenaje por gravedad es un sistema indirecto activo donde el fluido caloportador (generalmente agua pura) circula a través del colector, impulsado por una bomba. La tubería del colector no está presurizada e incluye un depósito de drenaje abierto ubicado en un espacio acondicionado o semi-acondicionado. El fluido caloportador permanece en el depósito de drenaje a menos que la bomba esté en funcionamiento y regresa a él (vaciando el colector) cuando la bomba se apaga. El sistema colector, incluyendo la tubería, debe drenar por gravedad hacia el depósito de drenaje. Los sistemas de drenaje por gravedad no están sujetos a congelación ni sobrecalentamiento. La bomba funciona solo cuando es apropiado para la captación de calor, pero no para proteger el fluido caloportador, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos de bombeo. [ 24 ]

Hágalo usted mismo (DIY)

Los planos para sistemas de calentamiento solar de agua están disponibles en Internet. [ 25 ] Los sistemas de calentamiento solar de agua caseros suelen ser más baratos que los comerciales y se utilizan tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo. [ 26 ]

Comparación

Componentes

Coleccionista

Los colectores solares térmicos capturan y retienen el calor del sol y lo utilizan para calentar un líquido. [ 28 ] Dos principios físicos importantes rigen la tecnología de los colectores solares térmicos:

  • Todo objeto caliente finalmente regresa al equilibrio térmico con su entorno, debido a la pérdida de calor por conducción , convección y radiación. [ 29 ] La eficiencia (la proporción de energía calorífica retenida durante un período de tiempo predefinido) está directamente relacionada con la pérdida de calor de la superficie del colector. La convección y la radiación son las fuentes más importantes de pérdida de calor. El aislamiento térmico se utiliza para ralentizar la pérdida de calor de un objeto caliente. Esto sigue la segunda ley de la termodinámica (el «efecto de equilibrio»).
  • El calor se disipa más rápidamente si la diferencia de temperatura entre un objeto caliente y su entorno es mayor. La pérdida de calor está determinada principalmente por el gradiente térmico entre la superficie del colector y la temperatura ambiente. La conducción, la convección y la radiación se producen más rápidamente sobre grandes gradientes térmicos [ 29 ] (el efecto delta- t ).
Colector solar térmico de placa plana, visto desde el nivel del tejado.

Panel solar de placa plana

Los colectores de placa plana son una extensión de la idea de colocar un colector en una caja tipo "horno" con vidrio directamente orientado hacia el Sol. [ 30 ] La mayoría de los colectores de placa plana tienen dos tubos horizontales en la parte superior e inferior, llamados cabezales, y muchos tubos verticales más pequeños que los conectan, llamados elevadores. Los elevadores están soldados (o conectados de manera similar) a aletas absorbedoras delgadas. El fluido de transferencia de calor (agua o mezcla de agua/anticongelante) se bombea desde el tanque de almacenamiento de agua caliente o intercambiador de calor hacia el cabezal inferior del colector, y viaja hacia arriba por los elevadores, recolectando calor de las aletas absorbedoras, y luego sale del colector por el cabezal superior. Los colectores de placa plana serpentina difieren ligeramente de este diseño de "arpa", y en su lugar utilizan un solo tubo que viaja hacia arriba y hacia abajo del colector. Sin embargo, dado que no se pueden drenar adecuadamente del agua, los colectores de placa plana serpentina no se pueden utilizar en sistemas de drenaje por retroceso.

El tipo de vidrio que se utiliza en los colectores de placas planas es casi siempre vidrio templado de bajo contenido en hierro . Este tipo de vidrio puede soportar granizo importante sin romperse, lo que explica en parte por qué los colectores de placas planas se consideran el tipo de colector más duradero.

Los colectores sin acristalar o moldeados son similares a los colectores de placa plana, con la diferencia de que no cuentan con aislamiento térmico ni protección física mediante un panel de vidrio. Por consiguiente, este tipo de colectores son mucho menos eficientes cuando la temperatura del agua supera la temperatura ambiente. En aplicaciones de calefacción de piscinas, el agua a calentar suele estar más fría que la temperatura ambiente del techo, momento en el que la falta de aislamiento térmico permite que se extraiga calor adicional del entorno. [ 31 ]

Tubo de vacío

Calentador solar de agua de tubos de vacío en un tejado

Los colectores de tubos de vacío (ETC) son una forma de reducir la pérdida de calor inherente a las placas planas. [ 30 ] Utilizan el vacío para evitar la pérdida de calor por convección. [ 32 ] Dado que dos láminas de vidrio planas generalmente no son lo suficientemente resistentes para soportar el vacío, este se crea entre dos tubos concéntricos, de forma similar a un termo . El tubo interior está recubierto con un absorbedor térmico. [ 33 ] La vida útil del vacío varía de un colector a otro, con garantías que van desde los 5 hasta los 15 años.

Los tubos de vacío pueden utilizar diversas formas de transferir el calor al agua: pueden hacer pasar el agua por el tubo interior o utilizar un diseño de tubo de calor más avanzado . En el diseño de tubo de calor, un tubo de cobre se llena parcialmente con un líquido volátil, se sella en ambos extremos y recorre el centro del tubo. El extremo superior de este tubo se conecta a un conector en el colector (lleno de agua). El calor absorbido por el tubo de vacío provoca que parte del líquido volátil en el tubo de cobre se evapore y pase al colector. En el colector, el gas se condensa, liberando calor, y el líquido vuelve a bajar por el interior del tubo (un tubo de calor ). Dado que los tubos de vacío en sí mismos no contienen agua, los ETC de tubo de calor no son vulnerables a la formación de escarcha. [ 30 ] El agua pasa solo a través del colector con aislamiento térmico y, en climas con heladas moderadas, no se requiere un sistema de drenaje.

Los ETC pueden captar energía del sol durante todo el día en ángulos bajos debido a su forma tubular. [ 34 ] Dado que los ETC también están expuestos en la parte inferior: cuando se instalan elevados del techo (como en la ilustración) capturarán no solo el calor directo de arriba, sino también el calor irradiado desde el techo circundante en la parte inferior.

Los colectores de placa plana suelen ser más eficientes que los ETC en condiciones de pleno sol. Esto se debe a que el espacio entre los tubos actúa como área desperdiciada. [ 35 ] En condiciones nubladas o extremadamente frías, el aislamiento superior de los ETC los hace más eficientes que los colectores de placa plana. [ 30 ]

Las celdas de vacío más antiguas están hechas de vidrio recocido, que es susceptible al granizo y falla ante partículas del tamaño aproximado de una pelota de golf. Las celdas de vacío modernas, hechas de "vidrio de coque", que tiene un tinte verdoso, son más resistentes y menos propensas a perder el vacío, pero su eficiencia se reduce ligeramente debido a la menor transparencia. Los modelos hechos de vidrio de borosilicato combinan resistencia con eficiencia. [ 30 ]

Bomba

Bomba fotovoltaica

Una forma de alimentar un sistema activo es mediante un panel fotovoltaico (FV) . Para garantizar el correcto funcionamiento y la durabilidad de la bomba, esta (de corriente continua) y el panel FV deben ser compatibles. Si bien una bomba alimentada por energía fotovoltaica no funciona de noche, el controlador debe asegurarse de que no se active cuando haya sol pero el agua del colector no esté lo suficientemente caliente.

Las bombas fotovoltaicas ofrecen las siguientes ventajas:

  • Instalación y mantenimiento más sencillos y económicos
  • El excedente de energía fotovoltaica se puede utilizar para el consumo eléctrico doméstico o inyectarse a la red eléctrica.
  • Puede deshumidificar el espacio habitable [ 36 ]
  • Puede funcionar durante un corte de energía.
  • Evita el consumo de carbono derivado del uso de bombas alimentadas por la red eléctrica.

Bomba de burbujas

El separador de burbujas de un sistema de bomba de burbujas

Una bomba de burbujas (también conocida como bomba de géiser) es adecuada tanto para sistemas de paneles planos como de tubos de vacío. En un sistema de bomba de burbujas, el circuito cerrado de fluido de transferencia de calor (HTF) está bajo presión reducida, lo que hace que el líquido hierva a baja temperatura al calentarse con el sol. Las burbujas de vapor forman un géiser, provocando un flujo ascendente. Las burbujas se separan del fluido caliente y se condensan en el punto más alto del circuito, después de lo cual el fluido fluye hacia abajo hacia el intercambiador de calor debido a la diferencia en los niveles de fluido. [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] El HTF normalmente llega al intercambiador de calor a 70  °C y regresa a la bomba de circulación a 50  °C. El bombeo normalmente comienza alrededor de los 50  °C y aumenta a medida que sale el sol hasta alcanzar el equilibrio.

Controlador

Un controlador diferencial detecta las diferencias de temperatura entre el agua que sale del colector solar y el agua del depósito cercano al intercambiador de calor. El controlador activa la bomba cuando el agua del colector alcanza una temperatura entre 8 y 10  °C superior a la del depósito, y la detiene cuando la diferencia de temperatura llega a 3-5  °C. Esto garantiza que el agua almacenada siempre reciba calor cuando la bomba está en funcionamiento y evita que esta se active y desactive repetidamente (en los sistemas directos, la bomba puede activarse con una diferencia de unos 4  °C, ya que no disponen de intercambiador de calor).

Tanque

El colector más sencillo es un tanque metálico lleno de agua en un lugar soleado. El sol calienta el tanque. Así funcionaban los primeros sistemas. [ 6 ] Esta configuración sería ineficiente debido al efecto de equilibrio: tan pronto como comienza el calentamiento del tanque y del agua, el calor ganado se pierde en el ambiente y esto continúa hasta que el agua del tanque alcanza la temperatura ambiente. El desafío consiste en limitar la pérdida de calor.

  • El depósito de almacenamiento puede ubicarse a una altura inferior a la de los colectores, lo que permite una mayor libertad en el diseño del sistema y posibilita el uso de depósitos de almacenamiento preexistentes.
  • El tanque de almacenamiento puede quedar oculto a la vista.
  • El tanque de almacenamiento puede ubicarse en un espacio climatizado o semiclimatizado, lo que reduce la pérdida de calor.
  • Se pueden utilizar depósitos de drenaje por retroceso.

Tanque aislado

Los colectores solares de ICS o colectores por lotes reducen la pérdida de calor mediante el aislamiento térmico del tanque. [ 30 ] [ 40 ] Esto se logra encerrando el tanque en una caja con tapa de vidrio que permite que el calor del sol llegue al tanque de agua. [ 41 ] Las demás paredes de la caja están aisladas térmicamente, lo que reduce la convección y la radiación. [ 42 ] La caja también puede tener una superficie reflectante en el interior. Esto refleja el calor perdido del tanque de vuelta hacia el tanque. De manera simple, se podría considerar un calentador de agua solar ICS como un tanque de agua encerrado en una especie de "horno" que retiene el calor del sol, así como el calor del agua en el tanque. El uso de una caja no elimina la pérdida de calor del tanque al ambiente, pero la reduce considerablemente.

Los colectores ICS estándar tienen una característica que limita considerablemente su eficiencia: una pequeña relación superficie-volumen. [ 43 ] Dado que la cantidad de calor que un tanque puede absorber del sol depende en gran medida de la superficie del tanque directamente expuesta al sol, se deduce que el tamaño de la superficie define el grado en que el agua puede calentarse con el sol. Los objetos cilíndricos, como el tanque en un colector ICS, tienen una relación superficie-volumen inherentemente pequeña. Los colectores intentan aumentar esta relación para lograr un calentamiento eficiente del agua. Las variaciones de este diseño básico incluyen colectores que combinan recipientes de agua más pequeños y tecnología de tubos de vidrio al vacío, un tipo de sistema ICS conocido como colector de lotes de tubos al vacío (ETB). [ 30 ]

Aplicaciones

Tubo de vacío

Los colectores solares de efecto túnel (ETSC) pueden ser más útiles que otros colectores solares durante el invierno. Se pueden utilizar para calefacción y refrigeración en industrias como la farmacéutica, papelera, del cuero y textil, así como en viviendas, hospitales, residencias de ancianos, hoteles, piscinas, etc.

Un ETC puede funcionar a temperaturas que van desde medias hasta altas para agua caliente sanitaria solar, piscinas, aire acondicionado y cocinas solares.

El rango de temperatura de funcionamiento más elevado de los ETC (hasta 200 °C (392 °F) ) los hace adecuados para aplicaciones industriales como la generación de vapor, los motores térmicos y el secado solar.  

piscinas

Para la calefacción de la piscina se utilizan sistemas de cubierta flotante y sistemas STC independientes.

Los sistemas de cobertura para piscinas, ya sean láminas sólidas o discos flotantes, actúan como aislante y reducen la pérdida de calor. Gran parte de la pérdida de calor se produce por evaporación, y el uso de una cubierta ralentiza este proceso.

El agua de la piscina es ligeramente corrosiva debido al cloro. Los STC para uso con agua de piscina no potable suelen estar hechos de plástico para resistir la corrosión. El agua circula a través de los paneles utilizando el filtro de la piscina existente o una bomba suplementaria. En entornos templados, los colectores de plástico sin vidriar son más eficientes como sistema directo. En entornos fríos o ventosos, se utilizan tubos de vacío o placas planas en una configuración indirecta junto con un intercambiador de calor. Esto reduce la corrosión. Se utiliza un controlador de temperatura diferencial bastante simple para dirigir el agua a los paneles o al intercambiador de calor ya sea girando una válvula o haciendo funcionar la bomba. Una vez que el agua de la piscina ha alcanzado la temperatura requerida, se utiliza una válvula desviadora para devolver el agua directamente a la piscina sin calentarla. [ 44 ] Muchos sistemas están configurados como sistemas de drenaje por reflujo donde el agua drena a la piscina cuando se apaga la bomba de agua.

Los paneles colectores suelen montarse en un tejado cercano o en el suelo sobre una estructura inclinada. Debido a la baja diferencia de temperatura entre el aire y el agua, los paneles suelen ser colectores de placas planas o sin acristalar. Una regla general para calcular la superficie de panel necesaria es el 50 % de la superficie de la piscina. [ 44 ] Esto se aplica a zonas donde las piscinas se utilizan únicamente en verano. En climas fríos, añadir colectores solares a una piscina exterior convencional puede prolongar su uso durante meses, e incluso más si se utiliza una cubierta aislante. [ 31 ] Con una cobertura del 100 % , la mayoría de los sistemas solares de agua caliente pueden calentar una piscina desde tan solo 4  °C en una piscina expuesta al viento hasta 10  °C en una piscina protegida del viento y cubierta con una manta solar. [ 45 ]

Se puede utilizar un programa de análisis activo de sistemas de energía solar para optimizar el sistema de calefacción solar de la piscina antes de su construcción.

Producción de energía

Una lavandería en California con paneles en el techo que proporcionan agua caliente para lavar.

La cantidad de calor que proporciona un sistema de calentamiento de agua solar depende principalmente de la cantidad de calor que recibe del sol en un lugar determinado ( insolación ). En los trópicos, la insolación puede ser relativamente alta, por ejemplo, 7  kWh/m² al día, frente a, por ejemplo, 3,2  kWh/m² al día en zonas templadas . Incluso a la misma latitud, la insolación media puede variar mucho de un lugar a otro debido a las diferencias en los patrones climáticos locales y la cantidad de nubosidad. Existen calculadoras para estimar la insolación en un lugar. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]

A continuación se muestra una tabla que ofrece una indicación aproximada de las especificaciones y la energía que se podría obtener de un sistema de calentamiento de agua solar con una superficie de absorción de aproximadamente 2 m² , que muestra dos sistemas de tubos de vacío y tres de placas planas. Se utiliza información de certificación o cifras calculadas a partir de estos datos. Las dos últimas filas muestran estimaciones de la producción diaria de energía (kWh/día) para un escenario tropical y uno templado . Estas estimaciones corresponden al calentamiento de agua a 50  °C por encima de la temperatura ambiente.

En la mayoría de los sistemas de calentamiento de agua solar, la producción de energía aumenta linealmente con el área de la superficie del colector. [ 49 ]

Las cifras son bastante similares entre los colectores anteriores, produciendo unos 4  kWh/día en un clima templado y unos 8  kWh/día en un clima tropical cuando se utiliza un colector con un absorbedor de 2 m² . En el escenario templado , esto es suficiente para calentar 200 litros de agua en unos 17  °C. En el escenario tropical, el calentamiento equivalente sería de unos 33  °C. Muchos sistemas de termosifón tienen una producción de energía comparable a la de sistemas activos equivalentes. La eficiencia de los colectores de tubos de vacío es algo menor que la de los colectores de placa plana porque los absorbedores son más estrechos que los tubos y estos tienen espacio entre sí, lo que resulta en un porcentaje significativamente mayor de área total del colector inactiva. Algunos métodos de comparación [ 50 ] calculan la eficiencia de los colectores de tubos de vacío basándose en el área real del absorbedor y no en el espacio ocupado como se ha hecho en la tabla anterior. La eficiencia se reduce a temperaturas más altas.

Costos

En lugares soleados y cálidos, donde no es necesaria la protección contra la congelación, un calentador de agua solar ICS (tipo lote) puede ser rentable. [ 42 ] En latitudes más altas, los requisitos de diseño para clima frío aumentan la complejidad y el costo del sistema. Esto aumenta los costos iniciales , pero no los costos del ciclo de vida. Por lo tanto, la consideración más importante es el gran desembolso financiero inicial de los sistemas de calentamiento de agua solar. [ 51 ] Compensar este gasto puede llevar años. [ 52 ] El período de recuperación es más largo en entornos templados. [ 53 ] Dado que la energía solar es gratuita, los costos operativos son pequeños. En latitudes más altas, los calentadores solares pueden ser menos efectivos debido a la menor insolación, posiblemente requiriendo sistemas de calefacción más grandes y/o duales. [ 53 ] En algunos países, los incentivos gubernamentales pueden ser significativos.

Los factores de costo (positivos y negativos) incluyen:

  • Precio del calentador de agua solar (los sistemas más complejos son más caros)
  • Eficiencia
  • Costo de instalación
  • Electricidad utilizada para el bombeo
  • Precio del combustible para calentar agua (por ejemplo, gas o electricidad) ahorrado por kWh
  • Cantidad de combustible utilizado para calentar el agua
  • Subsidio gubernamental inicial y/o recurrente
  • Coste de mantenimiento (por ejemplo, sustitución de anticongelante o bombas)
  • Ahorro en el mantenimiento de sistemas convencionales de calentamiento de agua (eléctricos/de gas/de petróleo).

Los plazos de amortización pueden variar considerablemente debido a la radiación solar regional, los costes adicionales derivados de la necesidad de proteger los colectores contra las heladas, el consumo de agua caliente sanitaria, etc. Por ejemplo, en el centro y sur de Florida, el periodo de amortización podría ser fácilmente de 7 años o menos, en lugar de los 12,6 años indicados en el gráfico para Estados Unidos. [ 54 ]

El período de recuperación de la inversión es más corto con una mayor insolación. Sin embargo, incluso en zonas templadas, el calentamiento solar de agua es rentable. Históricamente, el período de recuperación de la inversión para sistemas fotovoltaicos ha sido mucho más largo. [ 53 ] Los costos y el período de recuperación son más cortos si no se requiere un sistema complementario/de respaldo, [ 52 ] extendiendo así el período de recuperación de la inversión de dicho sistema.

Subsidios

Australia opera un sistema de créditos de energía renovable, basado en objetivos nacionales de energía renovable. [ 58 ]

La Iniciativa de Vecindarios Solares de Toronto ofrece subsidios para la compra de unidades de calentamiento de agua solar. [ 68 ]

Evaluación de la huella energética y del ciclo de vida

Huella energética

La fuente de electricidad en un sistema activo de calentamiento solar de agua determina la medida en que un sistema contribuye al carbono atmosférico durante su funcionamiento. Los sistemas solares térmicos activos que utilizan electricidad de la red para bombear el fluido a través de los paneles se denominan "solar de bajo carbono". En la mayoría de los sistemas, el bombeo reduce el ahorro de energía en aproximadamente un 8 % y el ahorro de carbono de la energía solar en aproximadamente un 20 %. [ 69 ] Sin embargo, las bombas de baja potencia funcionan con 1-20 W. [ 70 ] [ 71 ] Suponiendo un panel colector solar que entrega 4  kWh/día y una bomba que funciona intermitentemente con electricidad de la red durante un total de 6 horas en un día soleado de 12 horas, el efecto potencialmente negativo de dicha bomba puede reducirse a aproximadamente un 3 % del calor producido.

Sin embargo, los sistemas solares térmicos activos alimentados por energía fotovoltaica suelen utilizar un panel fotovoltaico de 5 a 30 W y una pequeña bomba de diafragma o centrífuga de baja potencia para hacer circular el agua. Esto reduce la huella de carbono y el consumo de energía durante su funcionamiento.

Los sistemas de bombeo alternativos no eléctricos pueden emplear la dilatación térmica y los cambios de fase de líquidos y gases.

evaluación energética del ciclo de vida

Se pueden utilizar estándares reconocidos para realizar evaluaciones del ciclo de vida (ACV) sólidas y cuantitativas. El ACV considera los costos financieros y ambientales de la adquisición de materias primas, la fabricación, el transporte, el uso, el mantenimiento y la eliminación del equipo. Los elementos incluyen:

  • Costos y ganancias financieras
  • Consumo de energía
  • CO 2 y otras emisiones

En términos de consumo energético, aproximadamente el 60% se destina al tanque, y el 30% al colector [ 72 ] (termosifón de placa plana en este caso). En Italia, [ 73 ] se utilizan unos 11 gigajulios de electricidad en la producción de equipos de calentamiento de agua solar, de los cuales aproximadamente el 35% se destina al tanque y el otro 35% al ​​colector. El principal impacto energético son las emisiones. La energía utilizada en la fabricación se recupera en los primeros 2-3 años de uso (en el sur de Europa).

En contraste, el tiempo de recuperación energética en el Reino Unido se sitúa en tan solo 2 años. Esta cifra corresponde a un sistema directo, adaptado a un depósito de agua existente, con bombeo fotovoltaico, resistente a las heladas y con una apertura de 2,8 m². En comparación, una instalación fotovoltaica tardó alrededor de 5 años en recuperar la inversión energética, según el mismo estudio comparativo. [ 74 ]

En términos de emisiones de CO₂ , una gran fracción de las emisiones ahorradas depende del grado en que se utilice gas o electricidad para complementar la energía solar. Utilizando el sistema de puntos Eco-indicator 99 como referencia (es decir, la carga ambiental anual de un habitante europeo promedio) en Grecia, [ 72 ] un sistema alimentado exclusivamente con gas puede tener menos emisiones que un sistema solar. Este cálculo supone que el sistema solar produce aproximadamente la mitad de las necesidades de agua caliente de un hogar. Pero debido a que las emisiones de metano (CH₄ ) del ciclo del gas natural [ 75 ] superan con creces el impacto de efecto invernadero del CO₂ , las emisiones netas de efecto invernadero (CO₂e ) de los sistemas alimentados con gas son mucho mayores que las de los calentadores solares, especialmente si la electricidad suplementaria también proviene de generación libre de carbono.

Un sistema de prueba en Italia produjo aproximadamente 700  kg de CO₂ , considerando todos los componentes de fabricación, uso y eliminación. Se identificó el mantenimiento como una actividad costosa en términos de emisiones cuando se reemplazó el fluido de transferencia de calor (a base de glicol). Sin embargo, el costo de las emisiones se recuperó en aproximadamente dos años de uso del equipo. [ 73 ]

En Australia, también se recuperaron las emisiones del ciclo de vida. El sistema SWH probado tuvo aproximadamente el 20 % del impacto de un calentador de agua eléctrico y la mitad del de un calentador de agua a gas. [ 52 ]

Al analizar su sistema de calentamiento de agua solar tolerante a las heladas de menor impacto, Allen et al. (qv) informaron un impacto de CO2 de producción de 337 kg  , que es aproximadamente la mitad del impacto ambiental informado en el estudio de Ardente et al. (qv).

Especificación e instalación del sistema

  • La mayoría de las instalaciones de calentadores solares de agua requieren calefacción de respaldo.
  • La cantidad de agua caliente que se consume diariamente debe reponerse y calentarse. En un sistema exclusivamente solar, consumir una gran parte del agua del depósito implica variaciones significativas en su temperatura. Cuanto mayor sea el depósito, menor será la variación diaria de temperatura.
  • Los sistemas SWH ofrecen economías de escala significativas en los costos de colectores y tanques. [ 72 ] Por lo tanto, la escala más eficiente económicamente satisface el 100% de las necesidades de calefacción de la aplicación.
  • Los sistemas directos (y algunos sistemas indirectos que utilizan intercambiadores de calor) pueden adaptarse a los almacenes existentes.
  • Los componentes del equipo deben estar aislados para obtener todos los beneficios del sistema. La instalación de un aislamiento eficiente reduce significativamente la pérdida de calor.
  • Las bombas fotovoltaicas más eficientes arrancan lentamente con poca luz, por lo que pueden generar una pequeña circulación no deseada mientras el colector está frío. El controlador debe evitar que el agua caliente almacenada se vea afectada por este efecto de enfriamiento.
  • Los conjuntos de colectores de tubos al vacío se pueden ajustar quitando o añadiendo tubos o sus tubos de calor, lo que permite personalizarlos durante o después de la instalación.
  • Por encima de los 45 grados de latitud, los colectores solares instalados en los tejados tienden a producir más energía que los instalados en las paredes. Sin embargo, los conjuntos de colectores verticales de gran inclinación a veces pueden producir más energía útil, ya que el aumento de la energía utilizada en invierno puede compensar la pérdida de energía no utilizada (excedente) en verano.

Estándares

Europa

  • EN 806: Especificaciones para instalaciones dentro de edificios que transportan agua para consumo humano. Generalidades.
  • EN 1717: Protección contra la contaminación del agua potable en instalaciones de agua y requisitos generales de los dispositivos para prevenir la contaminación por reflujo.
  • EN 60335: Especificación para la seguridad de aparatos eléctricos domésticos y similares. (2–21)
  • UNE 94002:2005 Sistemas solares térmicos para la producción de agua caliente sanitaria. Método de cálculo de la demanda de calor.

Estados Unidos

  • OG-300: Certificación OG-300 de Sistemas de Calentamiento Solar de Agua. [ 76 ]

Canadá

  • CAN/CSA-F378 Serie 11 (Colectores solares)
  • CAN/CSA-F379 Serie 09 (Sistemas solares compactos para agua caliente sanitaria)
  • Norma SRCC 600 (Norma mínima para colectores solares térmicos de concentración)

Australia

  • Ley de Energías Renovables (Electricidad) de 2000
  • Ley de Energía Renovable (Electricidad) (Cargo por Déficit de Generación a Gran Escala) de 2000
  • Ley de Energías Renovables (Electricidad) (Cargo por Déficit de Tecnología a Pequeña Escala) de 2010
  • Reglamento de Energías Renovables (Electricidad) de 2001
  • Reglamento de Energías Renovables (Electricidad) de 2001 - Metodología de cálculo STC para calentadores solares de agua y calentadores de agua con bomba de calor aerotérmica
  • Reglamento de Enmienda (Disposición Transitoria) sobre Energías Renovables (Electricidad) de 2010
  • Reglamento de Enmienda (Disposiciones Transitorias) sobre Energías Renovables (Electricidad) de 2009

Todos los participantes pertinentes del Objetivo de Energía Renovable a Gran Escala y del Plan de Energía Renovable a Pequeña Escala deben cumplir con las leyes mencionadas anteriormente. [ 77 ]

Uso mundial

Sistema solar de agua caliente instalado en viviendas de bajo costo en el municipio local de Kouga , Sudáfrica.

unión Europea

Véase también

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  • Partes de un sistema de calefacción solar