Energia solar

Como funciona un termotanque solar

La respuesta a la pregunta, se resume en que un termotanque solar funciona de distintas maneras según el tipo de producto que tengamos: De tubo, heat pipe, placa plana, etc. La generalidad, es que siempre ocurre una transferencia de calor que nos permite calentar el agua aprovechando la energía del sol. A veces mediante fluidos y termosifón, como en un termotanque de tubo, y otras veces en forma directa, como en el heatpipe donde el cobre mismo calienta al agua. Detallaremos todas esas diferencias en este artículo, que responde a la gran pregunta ¿Como funciona un termotanque solar? Si bien en el curso de instalación de termotanques solares y climatización de piscinas lo vemos en detalle con clases audiovisuales prácticas, aca te resumiremos con texto la información general de esta energía limpia.

Clasificación y tipos de termotanques solares según temperatura

La Energía Solar Térmica consiste en el aprovechamiento de la energía irradiada por el sol para generar agua caliente sanitaria. Esto sucede mediante el uso de colectores solares de distintos tipos, que transfieren esa energía a un líquido calo portador, que generalmente es agua. 

Aprenderemos en este artículo como funciona un termotanque solar, que tipo de instalación tiene cada uno y que variantes tenemos en el mercado. Podemos hacer una clasificación de acuerdo a las temperaturas alcanzadas en:

  • Colectores de baja temperatura: trabajan hasta obtener temperaturas menores a 100ºC.
  • Colectores de media temperatura: trabajan a temperaturas por arriba de los 100ºC a los 300ºC, y son generalmente con dispositivos que concentran el haz de luz.
  • Colectores de alta temperatura: por encima de los 500ºC. Se usan para la generación de energía eléctrica.

Nos dedicaremos a desarrollar en este artículo unicamente los sistemas de baja temperatura. El aspecto que debemos tener en cuenta al considerar una instalación solar térmica para obtención de agua caliente sanitaria es principalmente la radiación reciban en el lugar geográfico de la instalación, que determina el ángulo de los rayos solares respecto al suelo.  Esto es importante ya que en verano los rayos son más perpendiculares al suelo que en invierno. En verano, los colectores de baja temperatura pueden llegar a algo más de 100 grados centígrados por lo que se suelen utilizar un válvula mezcladora termostática.

Un termotanque solar tiene ventajas y desventajas

  • Te generará grandes ahorros en tu factura de gas.
  • Podrás implementarlo en sitios rurales o alejados de la red urbana.
  • Tendras agua caliente sanitaria siempre disponible si esta bien dimensionado el sistema.
  • Si en tu hogar ya funciona un calefón o termotanque tradicional, podrás mantenerlo como sistema de apoyo, y ahorrarte algunos costos de resistencias eléctricas del termotanque solar a instalar.
  • Las desventajas pueden asociarse a la escasa mano de obra calificada para instalarlos, la necesidad de cambiarlos por otros de mayor envergadura si de pronto aumentamos nuestra demanda de agua caliente sanitaria, y algunos costos asociados de automatización (Sensores, resistencias, etc)

Demanda energética

La demanda de energía tanto de los hogares, como también de los edificios representa una parte muy importante del consumo de energía final en cualquier ciudad. A raíz del crecimiento poblacional, y de nuevas aplicaciones del agua caliente proveniente de la energía solar como lo es la climatización de piscinas. Mejorar la eficiencia energética de los hogares y edificios, responsables de la tercera parte de las emisiones de gases de efecto invernadero, no sólo ahorraría costes, sino que aportaría su grano de arena para compensar en parte los efectos del cambio climático.

El factor primario de la demanda energética en la edificación se da por el uso diario que tiene condicionamientos en: El mantenimiento de la obra, y en la arquitectura/características de la construcción. Elementos de arquitectura sostenible, de aislamiento, y demás, reducen notablemente su demanda de energía externa. El termotanque solar y electrico es lo que suele prevalecer. Con esto nos referimos a termotanques solares de tubo por ejemplo, que tambien tienen una resistencia electrica que se activará a la hora programada, en caso de que el agua almacenada baje de una cierta cantidad de grados. De este modo, si todos los dias nos bañamos 8AM, tendremos agua calienta ya sea proveniente del sol del día anterior, o de la resistencia en caso de que por motivos climaticos hayamos tenido un día sin nada de sol previo. Profundizamos ahora en como funciona el termo solar.

Cómo funciona un termotanque solar… ¿Y de cuantos litros debería ser?

En el siguiente video el Ing. Carlos Mauri, docente del curso de Instalación de Termotanques solares y climatización solar de piscinas de Greentech, nos explica brevemente el consumo por persona de agua, factor a tener en cuenta en el cálculo de un termotanque solar de tubo. Mas adelante, veremos como funciona un termotanque solar, y que tipos hay.

Como instalar un termotanque solar

Aprovechamiento de la energía solar térmica

Cabe destacar que los sistemas que aprovechan las fuentes renovables, como es la solar térmica, precisan a veces del apoyo de sistemas convencionales, ya que aprovechando lo mejor de cada tecnología se puede llegar a obtener la solución más eficiente y económica según el caso bajo estudio.

También es importante señalar que el buen funcionamiento de las instalaciones de calefacción o de producción de agua caliente sanitaria que aprovechan la energía solar no se debe exclusivamente a la captación de la energía del sol en los paneles sino que es el resultado de la interacción de varios componentes.

De este modo, para obtener el máximo rendimiento es necesario que el sistema de acumulación esté bien dimensionado, el circuito hidráulico bien equilibrado y aislado, los emisores escogidos para el grado óptimo de temperatura, acompañado por las automatizaciones y demas procesos sistematizados que aportan a la eficiencia.

Es importante aprender para las instalaciones solares de producción de agua caliente sanitaria, la denominación de los sistemas y circuitos, las posibles configuraciones a emplear, los criterios para su selección  y los criterios adicionales para completar los esquemas.

Instalaciones de baja temperatura

Consideraremos instalaciones de baja temperatura solar térmica a las que trabajan obteniendo temperaturas por debajo de los 100 grados celcius por medio del sol.  Los de media y alta temperatura, no son para uso humano. Una instalación de baja temperatura por lo general está formada por los colectores solares y un tanque acumulador. La circulación del agua es por termosifón en el caso que aprovechemos la diferencia de densidad del agua al calentarse.  La otra forma, es por circulación forzada, dónde debemos emplear el uso de una bomba de recirculación.

La inversión inicial de la energía solar térmica es baja, en comparación a otras renovables como la eólica o la solar fotovoltaica cuyas primeras compras son más onerosas. Esta es una de las ventajas de los calentadores solares.

Los colectores solares captan la radiación solar para transformar en energía calórica. En el mercado actual existen diferentes tecnologías para captar la energía del sol, los más comunes son el colector de placa plana y el tubo de vacío.  A continuación, vemos resumidamente cada tipo para luego durante el curso estudiar en detalle cada uno, sus características, funcionamiento, etc.

Como funciona un termotanque solar de placa plana:

El colector solar de placa plana, convierte la radiación solar en energía calorífica de manera indirecta. Dentro de los de placa plana, tenemos con cubierta transparente y sin cubierta transparente. A veces estos elementos pueden confundirse con los paneles solares, por ser planos y de un color similar. Sin embargo, su funcionamiento nada tiene que ver con el de un panel solar fotovoltaico, que transforma radiación solar en energía eléctrica.

Los elementos que componen un colector solar de placa plana son:

Como funciona un termotanque solar
El colector no siempre tiene por encima el tanque en este caso, puede que haya un tanque grande en otro sitio y un grupo de colectores conectados trabajando en conjunto.
  • Cubierta transparente: por lo general se utiliza vidrio o policarbonatos transparentes.  Debe ser lo más traslúcido posible para reducir las pérdidas. Es el que tiene por función permitir que se produzca el efecto invernadero, que es un principio por el cual se eleva la temperatura dentro del colector.
  • Espacio de aire: es un espacio existente entre la cubierta transparente y el absorbedor.
  • Placa absorbedora: es la encargada de absorber la energía solar y transmitirla a la tubería por donde circula el líquido calo portador.  Debe tener como característica un emisión térmica lo más baja posible y una gran absorción de la energía solar.  Se utilizan como materiales por lo general el aluminio con pinturas de tipo selectivas de baja emisión térmica.
  • Tubos o caños de elevación: los tubos están en contacto íntimo con la placa absorbedora, de este contacto depende en buen rendimiento del colector solar.  Por ellos circula el líquido que se caliente y se deposita en el tanque acumulador.
  • Aislamiento: el mismos evita las pérdidas térmicas, principalmente por detras del colector y es sus lados.  Se utiliza por lo general el poliuretano inyectado .

Como funciona un termotanque solar: Efecto invernadero

El principio de funcionamiento del colector solar de placa plana, es el efecto invernadero. 

Como funciona un termotanque solar

La radiación electromagnética del sol incide sobre la cubierta transparente del colector solar, una parte es reflejada y otra parte atraviesa el vidrio.  Cada cuerpo tiene sus propios coeficientes de reflexión, transmisión y absorción.  Estos coeficientes dependen del tipo de material, como ser : la naturaleza del cuerpo, es estado de la superficie, el espesor y de la longitud de onda de la radiación y el ángulo de incidencia del rayo con respecto a la superficie del cuerpo.  La placa absorbedora se calienta al recibir esta energía contenida en el rayo luz y al calentarse también emite a su vez radiación, cuya longitud de onda dependerá de la temperatura de dicha placa.

Materiales

Denominamos cuerpo transparente al que deja pasar radiación electromagnética a través de él, algunos cuerpos son transparentes para solo ciertas zonas del espectro electromagnético, pero resultan opacos para otras.  El vidrio es transparente para longitudes de onda entre 0,3 a 3 μm, resultando opara para una mayor longitud de onda.  La mayor parte del espectro de la radiación solar está comprendida entre 0,3 y 2,4  μm , por lo que la luz solar atraviesa el vidrio sin mayores problemas, a pesar que una parte es reflejada en su superficie.  La placa absorbedora se calienta con esta radiación recibida, y comienza a emitir radiación con una longitud de onda de aproximadamente entre 4,5 y 7,2  μm  , para lo cual el vidrio se comporta como opaco. 

También el vidrio se calienta y comienza también a emitir radiación, una parte va al exterior y otra parte al interior del colector solar, contribuyendo a calentar aún mas la superficie absorbedora.   Todo esto hace que se eleve considerablemente la temperatura en el interior del colector solar, y se conoce como Efecto Invernadero. 

Sin cubierta

Utilizados para climatizar piscinas.  Con estos colectores se obtiene temperaturas bajas del orden de los 30 grados. Para saber más de climatización solar de piscinas, hace click aquí y accede a nuestro artículo especializado en el tema. Todo lo que se haga para evitar perdidas de calor en este sistema es fundamental, pues la superficie del agua de una piscina es amplia, y en horas nocturnas se puede perder gran parte del trabajo hecho en horario diurno. Lonas y otros materiales que recubren la pileta, son muy recomendados.

Como funciona un termotanque solar de tubos de vacio:

Está formado por dos tubos concéntricos entre los cuales se realiza vacio.  El fluido corre dentro de tubo interno, la cámara de vacio entre los tubos, evita que el tubo interno sea afectado por el clima del medio ambiente. En invierno, es útil la incorporación de una resistencia eléctrica. Profundiza en los sistemas de automatización de termotanques solares pulsando aquí

Como funciona un termotanque solar

El sistema solar de captación por tubos de vacio, consta de un termotanque aislado y de los tubos de vacío que se introducen en el mismo. Los tubos de vidrio, en realidad están fabricados en borisilicato y está compuesto por dos tubos concéntricos herméticamente cerrados y entre los cuales se realiza un vacio. Este vacío elimina las pérdidas por conducción y convección, aislandolo del medio ambiente que lo rodea. El principio de funcionamiento es por termosifón.

En este sistema no podemos separar el colector, que en este caso son los tubos de vacío, del termotanque acumulador. Muchas veces contienen acero inoxidable.

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En el gráfico vemos como se vincula el agua caliente con agua fría, y el efecto del termosifón por diferencial de densidades. Este ciclo se repite, haciendo que la cirulación sea constante.

Como funciona un termotanque solar

Sistema de tubo de vacio con serpentina :

Este sistema funciona con una serpentina interna o intercambiador de calor, en un baño Maria. El equipo propiamente dicho es atmosférico, pero la serpentina interna es presurizada por la bomba presurizadora de la vivienda, el agua fría que ingresa a la serpentina intercambia temperatura con el agua del termotanque, saliendo a mayor temperatura y apta para ser utilzada como agua caliente sanitaria. Por lo tanto este sistema entra dentro de la clasificación de sistemas presurizados.
Igual que los sistemas atmosféricos tradicionales, ante la ruptura de un tubo, el sistema se vacía y sale de funcionamiento.

Como funciona un termotanque solar de tubo de vacio heat pipe

Este tipo de sistema también consiste en dos tubos concéntricos entre los cuales hay vacio.  Solo que el calor es obtenido a través de un tubo de cobre inserto dentro del tubo de vacío,  dentro del cual hay un liquido muy evoparativo.  Al calentarse con la radiación solar, el liquido se evapora, sube a la parte superior del tubo de cobre, que se encuentra en contacto con la parte donde irá a transmitir el calor al agua, mediante el principio físico de condensación. Al condensarse, cae en forma líquida al fondo del tubo y vuelve a repetirse todo nuevamente.

Algunas de sus caracteristicas son:

  • Consiste en dos tubos concéntricos entre los cuales hay vacio.
  • El calor es obtenido a través de un tubo de cobre inserto dentro del tubo de vacío, dentro del cual hay un liquido muy evoporativo. Al calentarse con la radiación solar, el liquido se evapora, sube a la parte superior del tubo de cobre, que se encuentra en contacto con la parte donde irá a transmitir el calor al agua, mediante el principio físico de condensación. Al condensarse, cae en forma líquida al fondo del tubo y vuelve a repetirse todo nuevamente.
  • Pueden presurizarse, ya que el líquido que posee en termotanque no está en contacto directo con el tubo de vacío.
  • Los tubos trabajan a seco, sin contacto con el agua del termotanque, ante la ruptura de cualquiera de ellos, el sistema sigue funcionando sin inconveniente con los otros restantes tubos, permitiendo la reparación y cambio del tubo sin necesidad de vaciar el sistema solar.
  • Podes ver más acerca de los precios de los HeatPipe (No son los más económicos) aquí

Especificaciones de los Colectores Solares:

Es importante contar con los datos de las especificaciones técnicas del colector solar que vamos a utilizar, tanto para saber cuán bueno es en el aspecto constructivo como así también su rendimiento energético.  El instalador los solicitará, y en el curso se profundizan. Estos datos son proporcionados por el fabricante, el cual ha enviado su producto a laboratorios habilitados para tal fin.  La información técnica que suministra el fabricante de su colector solar debe ser por lo general:

  • Curvas de rendimiento.
  • Superficie de captación
  • Potencia térmica
  • Peso vacio y lleno
  • Dimensiones
  • Caudal recomendado de máxima eficiencia
  • Presión mínima y máxima de trabajo (Presión de agua recomendada)
  • Material del absorbedor
  • Vida útil del equipo
  • Líquido caloportador
  • Instrucciones para una instalación adecuada. Estas son necesarias pero no suficientes para implementar el equipo, ya que el instalador contará con conocimientos en áreas de plomería, energía, dimensionamiento y demás que no figuran en los manuales de marca.

Usos de la Energía Solar Térmica

Las aplicaciones más comunes son la obtención de agua caliente sanitaria, la climatización de piscina, el apoyo a la calefacción y en pre calentamiento industrial. Profundicemos en cada uno:

Producción de Agua Caliente Sanitaria

Esta es la principal aplicación en el uso de los sistemas solares térmicos.  Tanto para uso doméstico en viviendas unifamiliares como en edificios residenciales. 

Climatización de piscinas: 

Es otra aplicación muy utilizada, pero es estos casos de utilizan colectores si cubierta transparente, ya que no es necesario alcanzar altas temperaturas, sino llegar a cerca de los 30 a 32ºC.  Por lo general son colectores fabricados en polímeros, para que no sean atacados por el cloro y químicos utilizados en el manteniendo de la piscina.

Aporte a la calefacción:

Es recomendado únicamente el sistemas de calefacción por piso radiante, ya que el mismo trabaja con temperaturas entre 35 a 45ºC. No es aplicable a los sistemas de calefacción con radiadores, que trabajan a 70ºC .   Y es únicamente un aporte a la calefacción durante las horas de sol. 

Pre-calentamiento industrial:

En casi el 100 % de la industria se utiliza agua caliente en diferentes rangos de temperatura.  Se puede obtener energía del sol para abastecer de agua caliente los diferentes procesos industriales, con ahorros que variarán de acuerdo a la temperatura a utilizar en dicho proceso.

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