Energia solar térmica

Radiación Solar. Efecto invernadero.

El sol está compuesto en un 90% de hidrógeno, un 7% de helio y un 3% del resto de elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión por el que el hidrógeno solar se transforma en helio; esta energía se manifiesta primero en forma de rayos gamma, esta radiación gamma viaja hasta la superficie del sol interaccionando con la materia solar y transformándose en radiación ultravioleta (UV), radiación visible (V) y radiación infrarroja (IR). El sol emite al espacio exterior energía en forma de radiación electromagnética. La radiación electromagnética es una forma de energía que no requiere medio material para desplazarse.
En el límite entre la atmósfera de la tierra y el espacio vacío la radiación solar es de 1.353 Watts por metro cuadrado [W/m^2]. Este valor se llama constante solar, y supone un valor medio para toda la superficies que contiene a la atmósfera terrestre. Sin embargo la energía que llega a la superficie terrestre es menor debido a la interacción de los componentes de la atmósfera con la radiación solar. Primeramente la capa de ozono absorve radiación UV funcionando como una pantalla de radiaciones perjudiaciales para la vida terrestre. Tambien, parte de la radiación es reflejada de nuevo al espacio, y otra se atenúa en su choque con partículas y moléculas atmosféricas. Por término medio, en toda la superficie terrestre, la intensidad que llega es de unos 900 [W/m^2], de los que un 3% son UV, un 57% son V y un 40% IR.
La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene tres componentes, la directa, la difusa y la reflejada. La radiación directa es la que llega sin interaccionar con nada y sin cambios de dirección; es la más importante en un día soleado. La radiación difusa es producto de los choques de la radiación directa con las partículas y los componentes atmosféricos; es la radiación típica de los días nublados. La radiación reflejada , también llamada albedo, es la que llega procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno; cerca del mar o en las zonas con nieve esta componente cobra una enorme importancia.

La mayoría de los sistemas de captación de la energía de la radiación solar se basan en el efecto invernadero. El efecto invernadero es el fenómeno físico basado en lo siguiente:
La radiación solar visible que atraviesa una superficie transparente o translúcida, se invierte en elevar la temperatura del elemento situado al otro lado de la misma. Cuando un cuerpo eleva su temperatura por encima de la temperatura de su entorno, emite calor en forma de radiación infrarroja IR. Los materiales transparentes a la radiación visible, vidrios o plásticos, son muy poco transparentes a la radiación infrarroja. Es por este motivo por lo que podemos construir una trampa de calor situando una superficie negra en el interior de una caja cerrada, de manera que una de sus caras esté cubierta por un cristal o plástico transparente a la radiacion visible. Ver siguiente figura.

Colectores Solares.

Se define colector solar a los dispositivos que absorben la radiación solar incidente sobre él y transfieren la energía a un fluido que circula a través del mismo.
Existe una gran variedad de colectores solares, dependiendo su elección de la aplicación a que se destinan, su eficiencia y el costo de los materiales que están fabricados.
Normalmente los colectores solares son clasificados según el grado de concentración de la energía solar captada. Para los colectores solares térmicos suele definirse el grado de concentración, en base a las características geométricas de acuerdo a la relación siguiente:

I = Ac / Ar
Donde:
I: Índice o grado de concentración.
Ac: Área de captación del colector (m^2).
Ar: Área de recepción del colector (m^2).

Puede tambien definirse como la relación entre la intensidad del sol y la que se hace incidir sobre el receptor. De esa manera, en la práctica, teniendo en cuenta los índices de concentración, pueden clasificarse los colectores solares en dos grandes grupos:

• Colectores planos (índice de concentración I = 1)
• Colectores de concentración ( índices I > 1)
  

Colectores planos para agua caliente de baja temperatura.

El colector plano consiste en la captación solar sobre un panel que presenta una superficie absorbente a las radiaciones solares. En el panel se calienta agua, aire u otro fluido utilizado como transportador de calor. El grado de concentración solar I en este caso es la unidad, dado que la superficie de captación y absorción es prácticamente la misma.
El colector plano para agua caliente es el colector más utilizado en la práctica, y se destina para la provisión de agua caliente para el consumo domiciliario o calefacción, consta de las siguientes partes (ver figura 1 y 2):

1. Cubierta transparente
2. Placa de fondo o lámina negra (de metal negro)
3. Tubos de metal (hierro galvanizado o cobre)
4. Colector de metal
5. Caja
6. Aislante térmico

En la figura 2 se muestra un corte del colector plano que está constituido por una caja de hierro galvanizado hermética, en cuya cara superior se encuentra una cubierta transparente de vidrio. En su interior contiene una chapa absorbente que está unida a las tuberías de hierro galvanizado o de cobre. La parte inferior está constituida por una capa aislante de lana de vidrio, mineral, u otros materiales; a fin de impedir la pérdida de calor hacia abajo.

Cubierta Transparente.

Su función es permitir el paso de los rayos solares que inciden sobre la placa del colector y al mismo tiempo producir el efecto invernadero. Es así que al elevarse la temperatura de la placa, ésta transmite su calor por contacto directo a los tubos conductores del agua, los que a su vez calientan el agua que contienen.
No todo el calor absorbido es utilizado, dado que la placa emite a su vez calor por radiación, al calentarse dentro de la banda infrarroja. Sin embargo, como la cubierta de vidrio no es transparente a este tipo de radiaciones, evita de esta manera que parte del calor atrapado vuelva a escapar a la atmósfera.

Placa de Fondo o Lámina Negra.

Es el elemento que recibe los rayos solares y permite aumentar la superficie de captación, pues el área neta de los tubos por los que circula el agua es insuficiente para lograr el calentamiento por efecto solar. De esa manera, se adosa a los caños dicha lámina, que lleva integrado un proceso de pintura o un tratamiento de ennegrecimiento, denominada "superficie selectiva".
La superficie o tratamiento selectivo tiene la propiedad de tener una alta absorción a la energía emitida por el sol y una baja emisividad. Esta capa puede realizarse, por ejemplo, oxidando la superficie de la placa o la lámina, haciéndola opaca y negruzca. El material de la placa debe ser muy buen conductor del calor, pudiendose utilizar chapa negra o galvanizada, aluminio, cobre u otros materiales.

Tubos.

Por los tubos circula el agua, la cual se calienta por el contacto con la pared de los mismos, siendo muy importante que estén construidos por un material que sea buen conductor térmico, como por ejemplo hierro galvanizado o mejor cobre, bronce, latón, aluminio, u otro material.
Es fundamental que la superficie de contacto de estos tubos con la lámina de captación sra lo más eficiente posible, para una mejor transferencia del calor.

Aislante Térmico.

Este componente del colector sirve para evitar las fugas de calor por la parte inferior del mismo por conducción. El aislamiento utilizado debe ser adecuado para soportar altas temperaturas, pudiendo aplicarse fibras de vidrio, lana mineral, u tros aislantes.

Caja.

Consiste en el armazón que contiene los elementos integrantes del colector solar, protegiéndolos de las inclemencias del tiempo. Deben ser herméticas y estar construidos de modo que tengan una resistencia mecánica adecuada, pudiendo utilizarse, chapa de hierro galvanizado, aluminio, plástico, etc.
La hermeticidad del colector es un aspecto muy importante, dado los problemas que se han presentado en la práctica, como ser la acumulación de suciedad dentro del mismo, especialmente en la parte interior de la cubierta transparente.
Los colectores se fabrican en diversas medidas, siendo la mas usual de 2 X 1 Metros, y se colocan fijos sobre armaduras de sustentación. Según la necesidad ed calor requerido, puede ser necesaria la utilización de varios colectores los cuales se unen unos con otros hasta lograr la superficie de captación requerida.

Otros tipos de colectores solares de baja temperatura.

En general los colectores planos descriptos anteriormente tienen una pérdida de calor importante dado que si bien el vidrio no deja escapar el calor en forma de radiación infrarroja, aumenta su temperatura por efecto del aire caliente por convección, transmitiendo el calor al exterior por conducción y convección, cuando la temperatura es más baja.
Estas pérdidas pueden ser importantes en climas fríos, por lo que en muchos casos se recurre a colocar 2 ó 3 vidrios para reducirlas.
Sin embargo, si bien se han introducido una serie de mejoras tendientes a aumentar la eficiencia térmica de los colectores planos, su aplicación está destinada a la producción de agua caliente para el consumo domiciliario o eventualmente a instalaciones de calefacción, que requieren temperaturas de trabajo de 70 a 80 ºC o menores.

Un tipo de colector solar que se a popularizado mucho estos últimos años es el colector de tubos de vacío como se ve en la figura de arriba, donde como podemos ver en las figuras siguientes los tubos de vacío son de un doble vidrio templado con vacío en el medio del doble vidrio y pintado en su interior con una pintura "selectiva" de absorción solar lo que hace que este sistema tenga un muy buen rendimiento térmico aun en bajas temperaturas como el invierno. Como desventaja se puede decir que los tubos son un poco frágiles y deben ser protegidos con alguna malla o cubierta en zonas que existe posibilidades de tener mucho granizo. Este tipo de equipos es de sencilla construcción y el movimiento de agua se hace por el efecto de termosifón donde el agua sube a medida que se calienta por el interior del mismo tubo de vacío.

                           

En estos tubos de vacío la radiación solar penetra por el tubo de vidrio y llega hasta la "pintura selectiva" en la parte interior del tubo donde es absorvida y transformada en calor, aumentando la temperatura del agua que circula por dentro de los tubos, además como la pintura es del tipo selectiva como dijimos no irradia calor hacia el exterior y como existe vacío entre los dos tubos de vidrio el calor no se conduce hasta el exterior y hay muy pocas pérdidas de temperatura por el tubo por esto este tipo de colectores tiene una muy buena eficiencia térmica.

Colectores de concentración para fluidos a altas temperaturas.

En estos tipos de colectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una linea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.
El colector de concentración consta de tres partes básicas:

1. Reflector y/o lentes.
2. Sustancia de absorción.
3. Estructura de alojamiento y soporte.

El índice de concentración varía según las características constructivas, desde valores muy pequeños del orden de 2 con sistemas concentradores muy simples, hasta valores de 1000 o más, en sistemas sofisticados. En general. Estos tipos de colectores suelen instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de gran precisión, mediante servomecanismos.
Se pueden mencionar los siguientes colectores de concentración:

• Colector lineal
• Colector puntual

Colector Lineal

Un colector de concentración lineal está formado básicamente por un cilindro parabólico en forma de espejo y un tubo ubicado en el foco de la parábola, por el cual circula el fluido a calentar, como se indica en las siguientes figuras.

                     

En la primer figura se detalla la característica de montaje de un colector de concentración lineal. El índice de concentración varía de 15 a 50 y la temperatura que puede alcanzar el fluido se sitúa entre los 500 y 600 ºC, dependiendo de la configuración del sistema.
El eje de este colector se monta en la dirección norte-sur, pudiendo efectuarse un seguimiento de la altura solar mediante el movimiento de la superficie reflectora, o eventualmente mediante el desplazamiento del eje focal a través de un sistema de servomecanismo automático.
De esa manera, mediante la parábola reflectora, los rayos solares se concentran sobre la línea focal, calentando el fluido térmico que generalmente es aceite que circula por el interior del tubo receptor central que se puede ver en la figura de arriba de la derecha. Este tipo de receptor central esta construido con un alto vacío y una pintura "selectiva" que tiene la absorción del 97% de un cuerpo negro ideal y la emisión de radiación del 6 al 7 % de un cuerpo negro, casi igualando la radiación emitida por un cuerpo blanco ideal que sería nula o del 0%, lo que hace que tenga un alto grado de captación de la energía solar y así poder llegar a las altas temperaturas que llegan cuando están expuestas a la radiación solar directa del sol durante el día.

Colector Puntual

El colector de concentración puntual, presenta un índice de concentración mucho mayor que las anteriores, alcanzando índices de concentración de más de 500. Este colector está basado en una superficie de revolución reflectora que concentra la radiación solar sobre un punto focal en la cual se encuentra una pequeña caldera formada por varios tubos concéntricos.

Por ellos circula el fluido térmico que generalmente es aceite especial, que alcanza temperaturas superiores a los 1.000 ºC. En la figura 3 se señalan las características de este tipo de colector, en forma esquemática. La operación correcta de este tipo de colectores depende en gran medida del estado de mantenimiento de las superficies reflectoras y del mecanismo de rastreo, especialmente en zonas de alta contaminación atmosférica. Por esto, resulta más adecuado para regiones con cielos limpios y despejados, en donde la mayor parte de la radiación es directa.
Las elevadas temperaturas que pueden obtenerse permiten usar satisfactoriamente este tipo de colectores en sistemas solares de frío y climatización.

Posición del colector solar

Para obtener el mayor rendimiento del colector solar, es necesario que tenga una dirección que vaya siguiendo la trayectoria del sol durante el día. Sin embargo en la mayoría de las instalaciones simples, la ubicación del colector es fija, por lo que debe dotarse a su emplazamiento de determinadas características que hacen a dos aspectos básicos:

• Orientación
• Inclinación

Orientación

La orientación óptima del colector es que su superficie de captación este dirigida hacia el norte (en el hemisferio sur), dado que permite aprovechar el mayor número de horas del sol, independientemente de la estación del año y de la latitud de emplazamiento.
En aquellos casos en que esa colocación no sea posible por condiciones constructivas como obstrucciones, sombras, etc. Debe orientarse tratando de asegurar el mayor número de horas de sol. Para ello debe buscarse no desviarse de la orientación norte mas de 20º

Inclinación del colector

La inclinación del colector es aquella que se asegura la mayor captación de energía solar, lo que depende de dos factores:

1. Latitud del lugar de emplazamiento.
2. Período de utilización durante el año.

El cálculo exacto es muy largo, por lo queen la práctica se recurre a establecer la inclinación del colector en función de las siguientes reglas, que permiten determinar con suficiente aproximación, de acuerdo al período de uso:

• Para el período de verano, el ángulo de inclinación debe ser igual a la latitud del lugar menos 20º.
• Para el período de invierno, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar más 10º.
• Para el uso del colector durante todo el año, la inclinación será igual a 0,9 de la latitud del lugar.

Por ejemplo, para la ciudad de Buenos Aires, con 35º de latitud sur, corresponden las siguientes inclinaciones, según los períodos de aplicación a que están destinados los colectores.

• Verano: Para refrigeración solar: 35º - 20º = 15º
• Invierno: Para provisión de agua caliente de uso domiciliario o calefacción: 35º + 10º = 45º
• Todo el año: 0,9 x 35º = 31,5º

En la siguiente figura se detalla lo indicado precedentemente.

Equipo integral de calentamiento de agua solar

A fin de reducir costos, espacios y simplificar notablemente el montaje, se fabrican equipos para producción de agua caliente integrales, en los que el tanque de acumulación viene directamente incorporado al colector. En estos sistemas la circulación es por termosifón, ubicándose el tanque de almacenamiento en la parte superior del equipo, tal como se muestra en la siguiente figura:

Estos equipos ya vienen, incluso, con una resistencia eléctrica de inmersión adicional para el caso de no contarse con el suministro de calor solar, en períodos excepcionales.

En la segunda figura se detalla la forma de montaje en el caso de instalarse sobre un techo de tejas con pendiente.

Captación de energía de distintos tipos de colectores solares durante el año

 

 

Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librería y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.