COLECTORES SOLARES PLANOSINTRODUCCION.Un colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energa radiante en calor. La transferencia de energa se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente) que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energa radiante que finalmente intercepta el colector, proviene bsicamente del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 m) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones ptimas podemos esperar como mximo, flujos de 1100 W/m2. De esta forma, un anlisis de colectores solares presenta problemas relacionados con radiacin y flujos de energa pequeos y variables. Dentro de los diversos tipos de colectores solares, los colectores solares planos son los ms comunes. Estos pueden ser diseados y utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energa sea liberada a bajas temperaturas, debido a que la temperatura de operacin de este tipo de colectores, difcilmente pasa los 100 C. Las ventajas que podemos obtener de este tipo de colectores con respecto a los colectores de enfoque, que concentran la radiacin solar; es que stos utilizan la energa solar directa y difusa, no requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol, prcticamente no necesitan mantenimiento y son mecnicamente de construccin ms simple que los colectores concentradores. Las principales aplicaciones de estos dispositivos son en el campo del calentamiento de agua a nivel domstico e industrial, acondicionamiento calorfico de edificios y secado de fruta y granos. En este captulo se analizar detalladamente el funcionamiento trmico terico de los colectores solares planos, donde se ver que funcin juega cada una de sus partes. Aunque en general el anlisis se hace para colectores que utilizan un lquido como fluido de trabajo, haciendo pequeos cambios convenientes, este tambin sirve para colectores que trabajan con gases. En general, cuando se hable de un lquido, se tratar de agua fluyendo a travs de un tubo y cuando se hable de un gas, entenderemos que es aire fluyendo por un ducto que puede tener muy diversas formas.

DESCRIPCION GENERAL DE UN COLECTOR SOLAR PLANO.

El colector solar plano muestra un corte transversal de uno de estos dispositivos que maneja un lquido como fluido de trabajo. la energa solar incidente, tiene que atravesar una o varias capas de vidrio o algn otro material transparente adecuado, antes de alcanzar la placa de absorcin negra que es el elemento ms importante del colector solar, al cual est unido el tubo o ducto. En esta placa, es donde la energa radiante es convertida en calor. Este calor, posteriormente es transferido por conduccin hacia el fluido de trabajo (agua, aire), que es el que finalmente remueve la energa trmica del colector y la transfiere al tanque de almacenamiento trmico o al espacio o producto que va a ser calentado, segn la aplicacin que se le est dando. El vidrio o su equivalente, adems de permitir la entrada de la radiacin solar hasta la placa de absorcin, sirve tambin para minimizar las prdidas de calor por radiacin y conveccin hacia el medio ambiente por la parte superior del colector. El aislante trmico (espuma de poliuretano, poliestireno, lana de fibra de vidrio o algn otro) colocado en la parte posterior y lados del colector, disminuye tambin las prdidas de calor hacia el medio ambiente en esas partes. Todas las partes mencionadas se encuentran dentro de una caja que sirve como parte estructural del colector y que puede ser hecha de diversos materiales como lmina metlica, madera o plstico. El diseo de cada colector depende fundamentalmente de la aplicacin especfica a la cual vaya a destinarse. Este debe ser diferente si por ejemplo se trata de calentar agua para una alberca (22 - 30 C), agua para uso domstico (40 - 60 C) o aire para el acondicionamiento calorfico de edificios (90 - 100 C). Algunos de los parmetros ms importantes que se tienen que tomar en cuenta para su diseo y funcionamiento, son los siguientes: tipo de tubo o ducto, dimetro nominal, longitud, nmero de tubos y espaciamiento entre ellos; material, espesor y acabado de la placa de absorcin o aleta; nmero y tipo de capas o cubiertas transparentes; tipo de aislante y espesor; tipo de fluido de trabajo y flujo de masa del mismo; inclinacin y orientacin del colector; condiciones ambientales como velocidad del viento y temperatura del aire y, por supuesto, la intensidad de la radiacin solar.

TIPOS DE COLECTORES SOLARES PLANOS.

Los colectores solares planos pueden ser divididos en dos categoras bsicas: los que utilizan como fluido de trabajo un lquido (agua) y los que

utilizan un gas (aire). En general los que calientan aire manejan flujos mucho ms grandes que los que calientan agua. Tambin podemos decir que cuando se trabaja con un lquido, este fluye normalmente por un tubo adherido a la placa absorbedora o aleta; mientras que cuando se utiliza un gas, este fluye por un ducto que forma parte de la placa de absorcin y que adems puede tener muy diversas formas.

1. Placas absolvedoras para calentamiento de lquidos. Las placas de absorcin (tubo y aleta) utilizan un lquido como fluido de trabajo. Pueden existir diversas configuraciones. El tubo puede estar en la parte superior o posterior de la aleta o placa. Tambin puede estar unido a ella mediante soldadura apropiada, algn pegamento especial que contenga trozos de metal conductor como bronce o simplemente adherido a la placa mediante una obstruccin practicada a la misma para ese fin. Existen tambin otros tipos de colectores planos que integran el tubo a la placa absorbedora y que no es precisamente de seccin circular. En general las placas de absorcin pueden estar formadas por tubos con aleta individuales o bien, utilizando una sola placa de absorcin, a la cual se le adhieren los tubos mediante los mecanismos antes mencionados.

2. Placas absorbedores para calentamiento de gases. Al igual que en el caso anterior, pueden existir un gran nmero de configuraciones de placas de absorcin para el calentamiento de gases En general se pretende que dentro del colector haya una gran rea de contacto entre la placa absorbedora y el aire circulando a travs del colector, para asegurar una buena transferencia de calor. Estudios de laboratorio indican que el rea de absorcin debe ser entre 2 y 4 veces el rea de vidrio expuesto al sol. En este tipo de colectores, la placa de absorcin se coloca unos cuantos centmetros por arriba del aislante trmico, de manera que el aire fluya entre estos dos componentes, aunque tambin podra fluir por el hueco que queda entre la placa absorbedora y la cubierta de vidrio.

La placa absorbedora puede ser una simple lmina con aletas, una lmina corrugada, una serie de ductos grandes hechos 0de lmina, un relleno de metal o mallas de forma entreverada para formar una matriz absorbedora o una lmina en forma triangulada para dar ms rea de contacto al colector.Un captador solar, tambin llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseado para recoger la energa irradiada por el sol y convertirla en energa trmica. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domsticos de calefaccin y ACS, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir energa elctrica.Contenido[mostrar]

[editar]Tipos [editar]Captadores

de baja temperatura

captadores solares planos.

Captador solar plano, tambin llamado colector solar plano o panel solar trmico,

consistente en una caja plana metlica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez: Captador plano protegido: con un vidrio que limita las prdidas de calor. Captador plano no protegido: sistema ms econmico y de bajo rendimiento,

utilizado esencialmente para climatizacin de piscinas. Panel de tubos de vaco, donde la superficie captadora est aislada del exterior por un

doble tubo de vidrio que crea una cmara al vaco. Existen dos sistemas: Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos. Flujo indirecto o Heat pipe:1 el calor evapora un fluido en el tubo, y ste transmite

su energa al condensarse en el extremo. [editar]Captadores

de alta temperatura

espejos planos en concentrador solar.

espejos parablicos en concentrador solar.

Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante

espejos parablicos. Pueden ser: Sistemas lineales (disposicin cilndrica): el fluido se calienta al recorrer la lnea

situada en el foco de la parbola Sistemas puntuales (disposicin esfrica): con forma de plato, utilizado para

concentrar ms los rayos y obtener as temperaturas ms altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas. Espejos planos o lentes Fresnel lineales,2 con idntica funcin que los concentradores

solares lineales. Espejos en una central trmica solar, que concentran la radiacin solar en un nico punto

situado en una torre, en donde se genera vapor de agua para producir electricidad. Espejos en un horno solar, variante donde se utilizan espejos planos y posteriormente

espejos parablicos para obtener muy altas temperaturas.

[editar]Colectores

planos protegidos

Son los ms utilizados por tener la relacin coste-produccin de calor ms favorable. En ellos, el captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120cm de ancho, los 150 y 200cm de alto, y los 5 y 10cm de espesor (si bin existen modelos ms grandes). La cara expuesta al sol est cubierta por un vidrio muy fino, mientras que las cinco

caras restantes son opacas y estn aisladas trmicamente. Dentro de la caja, expuesta al sol, se sita una placa metlica. Esta placa est unida o soldada a una serie de conductos por los que fluye un caloportador (generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos). A dicha placa se le aplica un tratamiento superficial selectivo para que aumente su absorcin de calor, o simplemente se la pinta de negro. [editar]Colectores

planos no protegidos

Son una variante econmica de los anteriores donde se elimina el vidrio protector, dejando la placa expuesta directamente al ambiente exterior. Carecen tambin de aislamiento perimetral. Dada la inmediatez y simplicidad de este tipo de paneles, existen multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales: conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie ms grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo coste. [editar]Tubos

de vaco

Los tubos de vaco suponen un concepto distinto: se reduce la superficie captadora a cambio de unas prdidas calorficas menores. La lmina captadora se coloca dentro de tubos al vaco, por tanto con unas prdidas calorficas despreciables. Estos tubos presentan el mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en una estructura de peine. Las ventajas de este sistema son su mayor aislamiento (lo que lo hace especialmente indicado para climas muy fros o de montaa), y su mayor flexibilidad de colocacin, ya que usualmente permite una variacin de unos 20 sobre su inclinacin ideal sin prdida de rendimiento. La desventaja es un coste significativamente mayor. [editar]Concentrador

Solar

El concentrador solar, como su nombre lo indica, concentra la radicacin solar en un rea ms pequea, similar al principio de una lupa. [editar]Funcionamiento Los colectores solares planos funcionan aprovechando el efecto invernadero el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en verano. El vidrio acta como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es menos transparente con las ondas infrarrojas de menor energa. El sol incide sobre el vidrio del colector, que siendo muy transparente a la longitud de onda de la radiacin visible, deja pasar la mayor parte de la energa. sta calienta entonces la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiacin en onda larga o (infrarrojos), menos energtica. Pero como el vidrio es muy opaco para esas longitudes de onda, a pesar de las prdidas por transmisin, (el vidrio es un mal aislante trmico), el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior.

Al paso por la caja, el fluido caloportador que circula por los conductos se calienta, y transporta esa energa trmica a donde se desee. El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relacin con la exterior), mayores sern las prdidas por transmisin en el vidrio. Tambin, a mayor temperatura de la placa captadora, ms energtica ser su radiacin, y ms transparencia tendr el vidrio a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia del colector. [editar]Aplicaciones Preparacin de agua caliente para usos sanitarios, Calefaccin Climatizacin de piscinas.

Dependiendo de la estacin del ao, tanto en viviendas unifamiliares como en edificios, las instalaciones de energa solar trmica proporcionan habitualmente entre el 30% y el 100% del agua caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-50%, por lo que necesitan el apoyo de sistemas convencionales de produccin de agua caliente. Utilizados para calefaccin slo son indicados para sistemas de baja temperatura, como el suelo radiante, donde se emplean para precalentar el agua de la caldera. Segn los diferentes estudios que se consulten, la reduccin del consumo obtenida se estima entre un 25-45%, aunque en la prctica no suele ser econmicamente rentable dimensionar la instalacin para reducciones de consumo mayores a un 30%. El problema con el uso para calefaccin es que los das en que las necesidades de calefaccin son mayores, la captacin y el rendimiento de los colectores son menores. Mientras que cuando los paneles son ms eficientes, las necesidades de calefaccin son menores. Para calefactar espacios se puede tambin hacer circular aire a travs de paneles especialmente diseados para ello, proporcionando calefaccin directa sin los riesgos operativos que presenta el agua (aunque con menos eficiencia debido a la menor capacidad caloportadora del aire). El uso de paneles solares trmicos es particularmente adecuado para la climatizacin de piscinas, pues la baja temperatura de trabajo requerida permite incluso tipologas de colectores sin vidrio protector, lo que abarata enormemente tanto los costes como el impacto ambiental de la instalacin. Adems, no necesitan acumulador puesto que es la propia agua de la piscina la que acta como tal. Est en desarrollo el empleo de colectores para refrigeracin con mquinas de absorcin, pues al contrario que en calefaccin, la mayor demanda de refrigeracin coincide con el mejor rendimiento de los colectores.

[editar]Perspectivas

de uso en calefaccin

Se estima que el 80% del consumo energtico de una vivienda se produce en forma de agua caliente a baja temperatura (calefaccin y agua caliente sanitaria). De este consumo, aproximadamente el 70% se emplea en calefaccin. La calefaccin es por tanto uno de los grandes caballos de batalla del ahorro energtico. Los colectores solares planos no son tecnolgicamente complejos, por lo que su margen de evolucin es muy limitado. No obstante, actualmente consiguen captar en torno al 80% de la energa recibida del sol. (Comprese con el 10-15% de los paneles solares fotovoltaicos comunes). Por ejemplo, en Ciudad de Mxico, se obtienen 15MJ/da/m2 en verano, y 8-10MJ/da/m2 en invierno. Si bien hasta finales de 2006 su empleo en calefaccin era econmicamente discutible y su viabilidad dependa de subvenciones estatales, hoy en da y debido sobre todo al aumento del precio del petrleo, constituyen una interesante inversin. Sin embargo, el principal escollo que tiene que superar esta tecnologa es su escasa utilizacin a lo largo del ao: la demanda anual de calefaccin, a diferencia del agua caliente, no se reparte homogneamente, sino que se concentra en los meses ms fros, que adems coinciden con los de menos luz solar. Por este motivo, los paneles de calefaccin permanecen inactivos la mayor parte del ao, dificultando su amortizacin en el tiempo. La utilizacin masiva de paneles solares trmicos depender por tanto de nuestra capacidad para dotarlos de uso en verano, por ejemplo para refrigeracin. Otras mejoras menores incluiran qu hacer con el calor sobrante en los meses en los que, aun disponiendo de ellos para refrigeracin, no se utilicen los colectores (como en primavera o otoo), ya que si no se disipa adecuadamente, el exceso de calor puede destruir los colectores, por lo que hay que dotarlos de sistemas de prevencin tales como pequeos radiadores exteriores, que elevan el coste del panel.

Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, como puede ser agua, aceite,salmuera, glicol o incluso aire. Su uso ms comn es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domsticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida tilde hasta 20 aos sin mayor mantenimiento. En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energtico utilizado para calentar agua. Tal disminucin puede llegar a ser de hasta 50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad. Aunque en muchos

pases, por lo general en vas de desarrollo con climas muy propicios para el uso de estos sistemas, no los utilizan debido al costo inicial que se debe de cubrir para calentar la primera gota de agua. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida til. La eficiencia para captar la energa solar es muy elevada en los calentadores solares. Dependiendo de la tecnologa y materiales implementados, puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. No debemos confundirnos con el panel fotovoltaico, el cual no se utiliza para calentar substancias, sino para generar electricidad a partir de la luz. (Vase Energa solar trmica).Contenido[mostrar]

[editar]Tipos

Componentes de un Calentador Solar plano.

De acuerdo con su funcionamiento los calentadores solares se clasifican en dos tipos: Activos

Los calentadores solares activos son aquellos que utilizan una bomba o algn tipo de energa externa para mover el agua dentro de su ciclo. Pasivos

Los generadores solares pasivos no requieren de energa externa para funcionar. Utilizan el principio de conveccin para mover el agua dentro del sistema. [editar]Componentes Existen 4 componentes bsicos en un calentador solar: [editar]Colector

Tambin llamado captador solar o panel termosolar. Es el componente que se encarga de transferir la energa solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberas o conductos por donde fluye el agua. El arreglo puede estar pintado de negro mate o cubierto con pinturas selectivas como el cromo negro para evitar reflejar la luz y as lograr una mayor absorcin de calor. El colector suele estar contenido en una caja con paredes externas resistentes a la intemperie y con paredes internas dotadas de aislamiento trmico. La parte superior lleva uno o varios vidrios o materiales transparentes capaces de dejar pasar la luz y proteger de la intemperie, utilizados para generar efecto invernadero dentro el colector. Existen diferentes variantes de colector: (Vase colector solar) Tubos y Placas

En el llamado colector plano, se disponen dos tubos horizontales y se conectan con varios tubos verticales. Cada uno de estos tiene acoplada una placa normalmente de lmina delgada. Las lminas sirven para captar el calor y transmitirlo por conduccin a la tubera. El arreglo de tubos se coloca horizontalmente sobre el suelo, con una inclinacin especfica dependiendo de la localidad terrestre. El agua entra por uno de los extremos del tubo horizontal ms bajo, sube por todos los tubos verticales y sale por el extremo contrario del tubo horizontal ms alto. Serpentn

Una manguera o tubo se dispone en una formacin de vaivn o espiral. La superficie expuesta al sol recibir la energa directamente sobre el conducto. Tubos de vaco

El colector utiliza tubos de vidrio al vaco. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vaco previene los fenmenos de conduccin y conveccin, aumentando la eficiencia pero tambin el costo. Existen tambin otros tipos de colectores que alcanzan mayores temperaturas: Concentradores parablicos, consistentes en un arreglo de espejos en forma de cilindro

parablico que reflejan la energa solar hacia un solo conducto lineal por donde pasa una substancia capaz de calentarse a temperaturas alrededor de los 300 C. La variante llamada plato parablico concentra la energa en un punto en lugar de una

lnea como en el caso del concentrador parablico. Las temperaturas alcanzables con este colector pueden superar los 650 C.

(Vase concentradores solares) [editar]Contenedor Es el recipiente de almacenamiento del fluido. Se conecta con la entrada y la salida del colector. Durante el da, el agua se recircula una y otra vez entre el colector y el contenedor. Despus de un tiempo y dependidendo de las dimensiones de los componentes, el agua se calentar para su uso posterior. La energa capturada en el colector se guarda en el tanque en forma de agua caliente. En el momento de requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fra. El tanque est aislado trmicamente para evitar prdidas y mantener caliente el agua por ms tiempo. En un sistema domstico, el contenedor suele incorporar un calentador elctrico de apoyo, que se activar en caso de no alcanzar la tempertura deseada. En los calentadores solares de albercas o piscinas, el contenedor suele ser la alberca misma, y la caja aislante del colector puede no ser necesaria debido a la escasa diferencia entre la temperatura de trabajo (temperatura del agua) y la temperatura ambiente. [editar]Sistema El sistema son todas las tuberas, bombas, sistemas de control, llaves de paso, y accesorios con las que cuente el calentador solar. Conecta por medio de tuberas el colector con el contenedor, as como tambin el calentador con las tuberas de una casa. [editar]Substancia

de trabajo

Si la circulacin es directa, se emplea agua potable; la misma que se utilizar en regaderas, lavabos, lavadoras, albercas, etc. En este caso, el agua se hace pasar por el colector para ser guardada en el contenedor. Si se utiliza circulacin indirecta existen dos circuitos: uno con agua potable para el consumo, y otro con un fluido caloportador, que usualmente es agua o una mezcla de agua y glicol. Los dos circuitos se ceden energa mediante un intercambiador de calor. En este sistema, el agua potable no pasa por el colector, sino nicamente por el contenedor, que aloja un intercambiador de calor donde se transfiere la energa captada por el fluido caloportador. Este sistema es ms conveniente si el calentador se encuentra en una localidad de clima fro, ya que el fluido caloportador que circula por el colector tiene propiedades anticongelantes, previniendo la ruptura de las tuberas por congelamiento.

Rendimiento 30% mejor rendimiento que el calefactor solar plano, fcil y rpido de montar ya que su estructura de aluminio muy liviana, viene con las perforaciones y pernos adecuados.

Produccin de agua caliente

En verano la produccin de agua caliento es de 120 Lt/da a 98C.Debido a la disminucin de radiacin solar, la produccin en invierno se reduce a la mitad; es decir 120 Lt/da a 50C. [editar]Tipos

de circulacin

Calentador solar.

Circulacin directa

El agua que se calent en el colector se utiliza directamente por el usuario. Circulacin Indirecta

Una substancia de trabajo se calienta y se enva a un intercambiador de calor. ste utiliza el mismo principio que un radiador. De esta manera se separa el fluido del sistema con el fluido a utilizar. Esta opcin es conveniente cuando el sistema de calentamiento se ubica en zonas propensas a congelacin, donde el agua podra quebrar las tuberas al congelarse. [editar]Ubicacin

Los colectores estn instalados en lugares despejados, orientados de tal manera que su superficie est lo ms perpendicular posible a los rayos del sol. Si se encuentra en el hemisferio norte, el colector deber estar orientado hacia el sur, con un ngulo proporcional a la latitud del lugar. Debido a que la inclinacin terrestre modifica el ngulo de la incidencia de los rayos del sol a lo largo del ao, es conveniente ajustar la inclinacin del colector. Se recomienda tener un margen de +15 y -15 con respecto al ngulo de los rayos del sol en el equinoccio. (Vase Radiacin solar).

]Ventajas Costo mnimo en comparacin con calentadores a base de gas. Mayor simplicidad con respecto a la temperatura del agua. Facilidad de mantenimiento.

Desventajas Dependiendo el volumen y el momento en que se usa el agua caliente, sta puede tener

o no la temperatura deseada. Depende de las condiciones climticas Restriccin en hora de utilizacin del agua caliente. Mantenimiento necesario.