Unidad 1 – Proyecto Sustentable “CALENTADOR SOLAR”

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En la actualidad la energía es suministrada por la electricidad y por el gas y otro tanto por leña, carbón y petróleo.

El calentamiento de agua por calentadores es muy común en países como Alemania, Israel, Grecia, España, Portugal. Japón, y Estados Unidos. Regiones cuya ubicación con respecto al sol es menos favorable que la de México, a pesar de ello, en nuestro país este recurso es poco aprovechado. Por ejemplo en Australia por cada 1000 habitantes existen 240 metros cuadrados de calentadores solares, en tanto que en México la cifra corresponde a 0.33 metros cuadrados por cada 1000 habitantes (Aden B. Meinel, Marjorie P. Meinel, 1992).

El calentamiento solar de agua para consumo doméstico, como alternativa para sustituir los calentadores tradicionales (eléctricos, a gas, etc), es una opción atractiva, si se toma en cuenta las bajas temperaturas necesitadas (40ºC a 60ºC), además, desde el punto de vista de ahorro energético es la opción más favorable, ya que en estos sistemas, la fuente de calor es la radiación solar, la cual sustituye los combustibles fósiles ó la electricidad. Los sistemas solares para calentamiento de agua están constituidos por dos elementos principales [3]: - Colector, encargado de recibir y transformar la energía incidente durante el día. - Tanque de almacenamiento, aislado para el agua que ha sido calentada (BURBANO J., RESTREPO y SABOGAL F. 2006)

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Descripción de los componentes del calentador solar de agua

Los componentes de un calentador solar de agua para uso doméstico básicamente son:

Placa de Absorción: Es el elemento encargado de absorber la energía disponible del sol y transformarla en energía térmica para luego ser transferida al agua, generalmente esta hecha de un metal (cobre, acero, aluminio, etc). Las normas técnicas colombianas NTC 4368 y NTC 2461 [5], establecen que la placa de absorción deberá fabricarse en materiales que posean una conductividad térmica mayor a 125 W/mºC y una absortancia mayor a 0,9 y además, debe estar fabricada de acero, cobre o aluminio, y su espesor mínimo es 0,5 mm, 0,2 mm y 0,4 mm respectivamente según el material.

Cubierta: Es una lámina de material transparente montada en frente del absorbedor, en la parte superior del colector, creando un espacio (2 a 2.5 cm), entre la placa y ella. La función de la cubierta es permitir el paso de la radiación solar absorbida por la placa, igualmente disminuye la cantidad de radiación infrarroja que se escapa al exterior, disminuyendo de esta forma las pérdidas del colector. Tomando en cuenta estas funciones, el material utilizado en la cubierta debe poseer las siguientes características: Elevada transmitancia dentro del espectro solar; Baja transmitancia para longitudes de onda largas (mayores a 3 µm) y elevado índice de reflexión, además, bajo índice de absorción en cualquier longitud de onda.

Conductos para la circulación del fluido: El colector solar de placa plana debe poseer una serie de conductos por los cuales circula el fluido de trabajo, el cual recibe y transporta la energía absorbida por la placa hacia el tanque de almacenamiento. Existen dos formas de circulación del fluido, de Serpentín o de tubos colectores e igualmente existen diversas formas de disposición de la unión placa-conductos.

Aislante Térmico: Es el punto básico para disminuir las pérdidas de calor por conducción en la parte inferior y lateral del colector. Las características que debe poseer el material utilizado para ser un buen aislante son: No debe deteriorarse, gasificarse o vaporizarse a temperaturas alrededor de los 200ºC, resistencia a la repetición de los ciclos térmicos entre 35ºC y 120ºC, baja conductividad térmica (menor de 0,040W/mºC en el rango de 20 a 120oC), no debe desplomarse, compactarse o adherirse cuando se repiten los ciclos térmicos y de humedad y no debe absorber o retener agua.

Caja, Junturas y Selladores: La caja es el elemento que soporta todos los componentes del colector, la cual impide que la humedad, polvo y aire penetren por el colector y disminuyan su eficiencia. Para su diseño se deben tomar en cuenta tres elementos: hermeticidad para los aislantes y la placa de absorción, posibilidad de fijación del colector a la estructura donde va ser instalado y apoyo seguro para la cubierta. Los materiales para su construcción son muy variados: aluminio, lámina galvanizada, madera, termoplásticos para alta temperatura o fibra de vidrio laminada. La completa hermeticidad del colector se consigue con un perfil que rellene las junturas, como un buen sellador, el cual debe cumplir con las siguientes características: resistencia a la radiación ultravioleta y a la intemperie, no volverse quebradizo ni endurecerse, buena adhesión con las distintas superficies, resistencia a la repetición de los ciclos térmicos y estirarse y comprimirse en forma adecuada para soportar las dilataciones y contracciones debidas a la diferencia entre los coeficientes de dilatación térmica de los elementos.

Tanque de Almacenamiento: El calor puede ser almacenado en el tanque por circulación directa entre el colector y el tanque ó el agua calentada en el colector puede circular por un serpentín dentro del tanque, transfiriendo así calor al agua que se encuentra dentro del mis mo . El mayor requerimiento técnico del tanque es su total aislamiento, con el fin de conservar la temperatura requerida en el agua. Debe cumplir con las siguientes especificaciones: Evidenciar sellamiento, aislamiento y todas las precauciones de intemperismo, no deben ocurrir fugas de agua ni de vapor de agua, debe poder operar a presiones de red de distribución de acueducto y debería ser ensayado a 200 psi o 1378200 Pa durante 5 horas, disponer de los elementos que alivien al tanque y sus circuitos asociados de sobrepresiones originadas en golpes de presión de red hidráulica, adicionada a la presión por dilatación térmica del agua. La ubicación del tanque es importante, ya que de ésta, depende la eficiencia del termosifón y el evitar el fenómeno de flujo inverso (BURBANO J., RESTREPO y SABOGAL F. 2006).

Impacto ambiental.

El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante nuestro entorno ambiental. Los problemas de la contaminación en las zonas urbanas no sólo son provocados por los combustibles utilizados en el transporte y en la industria, sino también por el uso de gas LP en millones de hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de efecto invernadero. Con el empleo de