LECCIÓN 3: COMPONENTES DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST)

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Los Sistemas Solares Térmicos (SST) necesariamente están formados por dos componentes principales: el colector y el tanque acumulador.

En el mercado existen distintos tipos y configuraciones de dichos componentes y la adecuada selección de los mismos es indispensable para la correcta implementación de la tecnología Solar Térmica para cada aplicación.

3.1 El colector solar

El colector solar es el alma de cualquier SST. Su función es transformar el sol en calor. De acuerdo a su tecnología se dividen en tres grupos genéricos: planos, tubos evacuados, y plásticos o de piscinas. Técnicamente los colectores solares se identifican por su curva de rendimiento.

3.1.1 Características generales y clasificación

Para cumplir su función de transformar la energía radiante en calor, existen diferentes tipos de colectores solares, con diferentes tecnologías. Según sus características esenciales, los colectores pueden clasificarse en los siguientes grupos:

a. Planos: están formados por una caja o gabinete aislado térmicamente con una cubierta o cobertor transparente y en su interior contienen un sistema de tubos por el cual circula el fluido a calentar. Los tubos pueden o no estar unidos a otras superficies con el fin de captar más radiación solar. Estos colectores pueden diferir entre sí en distintas variables:

• La cubierta transparente puede ser de una o más capas de plástico, vidrio, vidrio de baja emisividad o vidrio de borosilicato;
• El absorbedor puede ser negro mate o tener un recubrimiento selectivo que le permita maximizar la captación solar y minimizar las pérdidas de calor radiativas. La selectividad de la superficie depende del tipo de recubrimiento del absorbedor;
• El aislante puede ser lana de vidrio, lana mineral o poliuretano;
• Puede o no poseer superficies reflectantes que ayuden a la captación de energía solar;
• Los tubos de agua dentro del colector pueden ser paralelos (denominados “tipo parrilla”), estar dispuestos en forma de serpentina, o bien poseer una configuración específica.

Una imagen típica de un colector solar plano puede verse en la figura 5.

b. Tubos Evacuados: consiste en dos tubos de vidrio concéntricos, soldados entre sí como una ampolla, en cuyo interior se ha hecho vacío con el fin de reducir las pérdidas convectivas que ocurren en los colectores planos. Por el proceso de manufactura, todos los tubos evacuados ya vienen con un recubrimiento selectivo en la parte externa del tubo interno. De hecho, el vacío solo tiene sentido si previamente se ha hecho un recubrimiento selectivo. De la otra manera, seguirían predominando las pérdidas radiativas. Estos colectores pueden diferir entre sí en distintas variables:

• Pueden poseer espejos reflectores exteriores de diversa geometría que ayuden a captar más energía solar;
• El agua puede circular dentro de los tubos inundándolos completamente (“All Glass”);
• El agua puede circular en un tubo de cobre dentro del tubo evacuado (“U-Pipe”). Esta tecnología permite operar con mayor presión de agua;
• El calor capturado por el tubo evacuado puede ser transferido al agua a través de un tubo que en su interior cuenta con una pequeña cantidad de un fluido caloportador que se evapora y condensa constantemente y cede calor a un tubo colector ubicado en la parte superior(“Heat Pipe”);
• Pueden ser de diferente diámetro y en consecuencia diferente rendimiento;
• Pueden ser enteramente de vidrio o la ampolla puede estar compuesta por un tubo de vidrio externo, y un tubo metálico interno, ambos unidos por un sello que absorba las dilataciones diferenciales de cada material.

En la figura 6 se observa un esquema típico de colector de tubos evacuados y un modelo de ejemplo.

c. Plásticos o de piscinas: estos colectores son en su mayoría de polipropileno extruido o inyectado.
La característica sobresaliente es que no tienen caja o cobertura transparente, ni tampoco aislamiento térmico. Al ser de plástico resisten bien la corrosión que ocasiona el agua clorada de las piscinas pero al no tener cubierta transparente ni aislante, tienen grandes pérdidas térmicas cuando las condiciones ambientales se tornan desfavorables.

Su uso se limita exclusivamente a extender la temperatura de uso de piscina en primavera/otoño, elevando algunos grados la temperatura del agua de la misma. NO DEBEN USARSE PARA SISTEMAS DE AGUA CALIENTE SANITARIA.

Los colectores plásticos para piscinas no funcionan por circulación natural, y siempre requieren una bomba de recirculación, que trabajará comúnmente a una presión de entre 1 y 1,5 kg/cm2.
Estos colectores pueden diferir entre sí en distintas variables:

• Geometría de extrusión o inyección;
• Disposición del circuito de agua dentro del colector;
• Material de inyección.
  

En la figura 7 se muestran las configuraciones y las características principales de los colectores de
plástico para piscinas.

La figura 8 muestra las diferencias básicas de aspecto entre los tres tipos de colectores:
a) Plano, b) Tubos evacuados c) Plásticos o de piscinas.

3.1.2 Rendimiento de los colectores

Los colectores solares están en permanente equilibrio con el ambiente. La eficiencia de conversión del mismo depende de los siguientes factores:

• Radiación solar;
• Temperatura ambiente;
• Temperatura del agua de entrada;
• Velocidad del viento;
• Caudal de circulación.
  

De esta manera, no es posible asignar un solo valor de eficiencia a los colectores solares sino que es necesario determinar su curva de rendimiento. Esta curva representa el funcionamiento de los colectores
solares bajo distintas situaciones ambientales y es necesaria para dimensionar cualquier instalación. La curva de rendimiento se determina experimentalmente bajo condiciones controladas de los parámetros mencionados y conforme a la norma IRAM 210.002. Puede tener la forma de la ecuación 1, donde h0 es la ordenada al origen, a1 es el coeficiente de pérdidas térmicas en [W/m2 K], I es la irradiancia solar en [W/m2] y Tmf – Tamb es la diferencia entre la temperatura media del fluido y la temperatura ambiente, en [K]:

o bien la forma de la ecuación (2):

donde a2 es el coeficiente de pérdidas cuadrático.

En la mayoría de los informes de ensayo, figuran ambas formas de curva de rendimiento. En el caso de que solamente figure la forma dada por la ecuación (2), y a los fines del dimensionamiento, es posible
despreciar la segunda parte sin perder demasiada precisión.

Es importante notar que la curva de rendimiento debe estar referida al área bruta del colector.

La figura 9 muestra un ejemplo típico del rendimiento de cada tecnología de colector en las diferentes estaciones del año.

De esta manera, el tipo correcto de colector solar a utilizar en cada aplicación específica (agua caliente sanitaria, calefacción o calentamiento de piscinas) está dado por las características climáticas de la zona (temperatura ambiente, velocidad de viento, irradiación solar, etc.). Todos los colectores son útiles para calentar fluidos. Algunos son más eficientes que otros, es decir, generan más calor con la misma radiación. No obstante, no siempre el más eficiente es el más conveniente. En las zonas del norte del país, donde hay mucha radiación solar disponible, es conveniente utilizar un colector que no sea tan eficiente para evitar sobrecalentamientos en verano. Sin embargo en el sur, donde hay poca radiación solar, es necesario utilizar colectores que sean lo más eficiente posible.

La figura 10 muestra las posibles aplicaciones de cada una de las tecnologías explicadas.

Asimismo, el colector debe ser capaz de resistir las condiciones de operación: altas temperaturas y temperaturas bajo cero, presión de sobrecalentamiento, dilataciones, lluvias, etc.

3.1.3 Rendimiento vs. ángulo de incidencia

El rendimiento del colector, varía según el ángulo de incidencia del sol de una manera específica para cada tipo de colector. Por eso, además de la curva de rendimiento existe un parámetro llamado “factor modificador del ángulo de incidencia”, que indica como varia el rendimiento del colector según la incidencia del sol.

Este parámetro, denominado Kθ, se determina junto con la curva de rendimiento y modifica la curva de rendimiento como se muestra en la ecuación (3).

O bien, mediante la ecuación (4).

A los fines del dimensionamiento, en general se considera un valor de Kθ = 0,96 para un colector plano y Kθ = 1 para un colector de tubos evacuados. De lo contrario, se recomienda utilizar el valor del factor modificador del ángulo de incidencia correspondiente a los 50° determinado según norma IRAM 210.002.

El resto de los parámetros que se obtienen de los ensayos, a saber, temperatura de estancamiento, resistencia a la presión interna y externa, penetración de lluvia y resistencia al granizo, definen la calidad del colector y deben ser tenidas en cuenta a la hora de seleccionar adecuadamente el colector.

Los conceptos de calidad y seguridad en colectores solares se abordan en el capítulo correspondiente.

3.1.4 Criterios de selección del colector

Son varios los criterios a evaluar en el momento de seleccionar un tipo de colector solar. Entre los factores determinantes, se pueden listar los siguientes:

• El recurso solar disponible en el lugar de instalación influye directamente con la energía útil generada. Es importante entender que el colector óptimo dependerá de la zona de instalación y de la aplicación.
• La curva de rendimiento del colector, que en conjunto con la radiación solar define cuanta área de colectores será necesaria para abastecer una determinada demanda.
• La posibilidad de realizar un sistema modular, en el que se puedan ir sumando colectores para cubrir mayores demandas energéticas.
• El tipo de fluido caloportador, y la disponibilidad y accesibilidad para reponer el fluido de trabajo.
• La disponibilidad de accesorios, sobre todo en colectores importados.
• Las condiciones de entrega, garantía, tareas de mantenimiento y los costos, son también criterios a tener en cuenta a la hora de elegir un colector.
• El lugar de la instalación y los medios de acceso al mismo, pueden limitar también el tipo de tecnología a utilizar.

3.2 El tanque de almacenamiento o acumulador

Los tanques de almacenamiento son el segundo componente importante en los SST, ya que almacenan el fluido hasta su uso. Se clasificación por su volumen de almacenamiento, disposición (horizontal/vertical) y cantidad de serpentinas o circuitos internos.

3.2.1 Características generales y clasificación

Los tanques de almacenamiento son la otra parte importante de los SST. Ya que son los encargados de almacenar el fluido caliente hasta su uso. Dependiendo si su uso es para sistemas directos o indirectos, de circulación natural o forzada, pueden tener uno o más medios de transferencia de calor interno tales como serpentinas o doble camisa.

Los acumuladores pueden clasificarse de acuerdo a su disposición en horizontales y verticales.

a. Tanques horizontales: típicamente se utilizan para los equipos compactos. Se ubican por encima del colector. Pueden acumular el agua de consumo (directos) o tener algún sistema de intercambio de calor (indirectos). En general, están diseñados para resistir poca presión en el tanque y una presión más alta dentro de la serpentina o el medio de intercambio de calor en su interior. Sin embargo, hay algunos fabricantes cuyos tanques de equipos compactos resisten altas presiones de trabajo. Típicamente se comercializan en volúmenes de hasta 300 litros, siendo los más comunes de 150 y 200 litros. Fuera de los equipos compactos, solamente en casos muy puntuales (volúmenes de agua de más de 10.000 litros) se
utilizan tanques horizontales aislados. Ejemplos de estos tanques se muestran en la figura 11.

b. Tanques verticales: son tanques bien aislados, con una o más serpentinas o intercambiadores de calor para atender diferentes aplicaciones al mismo tiempo (agua caliente y calefacción). Trabajan mediante el uso de bombas y controladores electrónicos. En general, son pesados y están diseñados para resistir presiones de hasta 6 kg/cm2. Típicamente se comercializan en volúmenes mayores a 300 litros. Ejemplos de estos tanques se muestran en la figura 12.

Cada serpentina dentro del tanque tiene diferentes funciones. Normalmente la serpentina que se encuentra en la parte inferior funciona para el circuito cerrado de los colectores solares. La serpentina que se encuentra en la parte superior del tanque se utiliza para calefacción, y el volumen interno de acumulación se utiliza en agua caliente sanitaria.

El tanque debe contener el calor obtenido de la radiación solar con las menores pérdidas posibles.
Para poder dimensionar correctamente el sistema, es necesario conocer el coeficiente de pérdidas térmicas “U’’ del tanque, expresado en [W/m2°C].

Debido a que las pérdidas térmicas en las cañerías de las instalaciones de SST pueden ser muy importantes, es necesario minimizar la distancia del acumulador de modo que esté lo más cerca posible del sistema de apoyo auxiliar, y de los puntos de consumo.

3.2.2 Funcionamiento del tanque acumulador

Cuando el agua aumenta su temperatura, disminuye su densidad y por ende se eleva por sobre el agua más fría. Este efecto genera una estratificación y un gradiente vertical de temperaturas del agua almacenada.

Los acumuladores se diseñan con este concepto y es por eso que la salida de agua caliente se obtiene desde la parte superior del tanque, mientras que el agua más fría se ubica en la parte inferior.

La disposición del tanque de acumulación (horizontal/vertical) afecta a la estratificación. En el acumulador horizontal la temperatura del agua es bastante homogénea, está poco estratificada, y necesita más energía para llegar a temperaturas más altas. En cambio, en el acumulador vertical se logran temperaturas heterogéneas mucho mayores en la parte superior del acumulador y más bajas en la base del acumulador.

En general, es conveniente que los acumuladores sean verticales. Cuando no sea posible la configuración vertical, se utilizarán los horizontales. Con el objetivo de aprovechar al máximo la energía captada en los colectores solares y evitar la pérdida de estratificación por temperatura en el acumulador, se deberá restar especial atención a las tomas de las diferentes conexiones en los puntos de entrada y salida de agua caliente y de agua fría.

3.2.3 Criterios de selección del acumulador

Aunque los acumuladores utilizados en las instalaciones solares térmicas pueden ser similares a los empleados para producción de ACS en sistemas convencionales, se deben evaluar los criterios específicos que definen su correcto funcionamiento y su durabilidad para decidir su selección. Entre ellos se encuentran:

• La disponibilidad de espacio para la instalación del acumulador, incluyendo todas sus conexiones de entrada y salida y sus accesorios de funcionamiento.
• Los materiales que componen el acumulador: sus protecciones interiores y exteriores, y el espesor de la aislación del tanque de manera de minimizar las pérdidas térmicas.
• La capacidad de trabajar adecuadamente y en forma segura durante condiciones de presión y temperatura extremas previstas.
• La disponibilidad de un certificado de producto que garantice el cumplimiento de los requisitos mínimos de seguridad y fiabilidad.
• Las condiciones de entrega, garantía, tareas de mantenimiento y los costos.
• Los medios de acceso al lugar de instalación pueden limitar también el tipo de tecnología a utilizar.
• El peso que soporta el lugar de la instalación. Cada litro de agua caliente pesa aproximadamente 1 kg. Es importante contemplar el peso que ejercerá el tanque en el lugar donde será instalado.

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