Calentamiento solar de agua

El calentamiento solar de agua ( SWH ) consiste en calentar el agua con la luz solar , utilizando un colector solar térmico . Se encuentra disponible una variedad de configuraciones a diferentes costos para brindar soluciones en diferentes climas y latitudes. Los CSA se utilizan ampliamente para aplicaciones residenciales y algunas industriales. [1]

Colectores solares de agua instalados en España

Un colector orientado al sol calienta un fluido de trabajo que pasa a un sistema de almacenamiento para su uso posterior. Los SWH son activos (bombeados) y pasivos ( impulsados ​​por convección ). Usan solo agua, o tanto agua como un fluido de trabajo. Se calientan directamente o mediante espejos concentradores de luz. Funcionan de forma independiente o como híbridos con calentadores eléctricos o de gas. [2] En instalaciones a gran escala, los espejos pueden concentrar la luz solar en un colector más pequeño.

A partir de 2017, la capacidad térmica global de agua caliente solar (ACS) es de 472 GW y el mercado está dominado por China , Estados Unidos y Turquía . [3] Barbados , Austria , Chipre , Israel y Grecia son los países líderes en capacidad por persona. [3]

Un anuncio de un calentador de agua solar que data de 1902
El motor solar de Frank Shuman en la portada de marzo de 1916 de The Electrical Experimenter de Hugo Gernsback

Los registros de colectores solares en los Estados Unidos datan de antes de 1900, [4] que involucran un tanque pintado de negro montado en un techo. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore encerró un tanque en una caja de madera, creando así el primer 'calentador de agua por lotes' como se los conoce hoy. Frank Shuman construyó la primera central termosolar del mundo en Maadi, Egipto , utilizando cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 caballos de fuerza) que bombeaba 23.000 litros (6.000 galones estadounidenses) de agua por minuto desde el río Nilo a campos de algodón adyacentes.

Los colectores de placa plana para calentar agua con energía solar se utilizaron en Florida y el sur de California en la década de 1920. El interés aumentó en América del Norte después de 1960, pero especialmente después de la crisis del petróleo de 1973 .

La energía solar se utiliza en Australia , Canadá , China , Alemania , India , Israel , Japón , Portugal , Rumania , España , Reino Unido y Estados Unidos .

Mediterráneo

Calentadores de agua solares pasivos ( termosifón ) en una azotea en Jerusalén

Israel, Chipre y Grecia son los líderes per cápita en el uso de sistemas solares de calentamiento de agua que sustentan del 30% al 40% de los hogares. [5]

Los sistemas solares de placa plana se perfeccionaron y utilizaron a gran escala en Israel. En la década de 1950, la escasez de combustible llevó al gobierno a prohibir calentar el agua entre las 10 de la noche y las 6 de la mañana. Levi Yissar construyó el primer prototipo de calentador de agua solar israelí y en 1953 lanzó NerYah Company, el primer fabricante comercial de calentamiento solar de agua de Israel. [6] El 20% de la población usaba calentadores de agua solares en 1967. Tras la crisis energética de la década de 1970, en 1980 Israel requirió la instalación de calentadores de agua solares en todas las casas nuevas (excepto en torres altas con techo insuficiente). [7] Como resultado, Israel se convirtió en el líder mundial en el uso de energía solar per cápita con el 85% de los hogares que utilizan sistemas solares térmicos (3% del consumo de energía primaria nacional), [8] se estima que ahorrará al país 2 millones. barriles (320.000 m 3 ) de petróleo al año. [9] [10]

En 2005, España se convirtió en el primer país del mundo en exigir la instalación de generación de electricidad fotovoltaica en nuevos edificios, y el segundo (después de Israel) en exigir la instalación de sistemas solares de calentamiento de agua, en 2006. [11]

Asia

Nuevas instalaciones solares de agua caliente durante 2007, en todo el mundo

Después de 1960, los sistemas se comercializaron en Japón. [4]

Australia tiene una variedad de regulaciones nacionales, estatales y para la energía solar térmica a partir de MRET en 1997. [12] [13] [14]

Los sistemas solares de calentamiento de agua son populares en China, donde los modelos básicos comienzan en alrededor de 1.500 yuanes (US $ 235), alrededor de un 80% menos que en los países occidentales para un tamaño de colector determinado. Al menos 30 millones de hogares chinos tienen uno. La popularidad se debe a los tubos de vacío eficientes que permiten que los calentadores funcionen incluso bajo cielos grises y a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. [15]

El tipo, la complejidad y el tamaño de un sistema de calentamiento solar de agua están determinados principalmente por:

  • Cambios en la temperatura ambiente y la radiación solar entre verano e invierno
  • Cambios en la temperatura ambiente durante el ciclo día-noche
  • Posibilidad de que el agua potable o el líquido colector se sobrecaliente o congele

Los requisitos mínimos del sistema generalmente se determinan por la cantidad o la temperatura del agua caliente requerida durante el invierno, cuando la salida del sistema y la temperatura del agua entrante están típicamente en su nivel más bajo. La salida máxima del sistema está determinada por la necesidad de evitar que el agua del sistema se caliente demasiado.

Protección contra congelamiento

Las medidas de protección contra congelamiento evitan daños al sistema debido a la expansión del fluido de transferencia congelado. Los sistemas Drainback drenan el fluido de transferencia del sistema cuando la bomba se detiene. Muchos sistemas indirectos utilizan anticongelante (p. Ej., Propilenglicol ) en el fluido caloportador.

En algunos sistemas directos, los colectores se pueden drenar manualmente cuando se espera congelación. Este enfoque es común en climas donde las temperaturas de congelación no ocurren con frecuencia, pero puede ser menos confiable que un sistema automático, ya que depende de un operador.

Un tercer tipo de protección contra la congelación es la tolerancia a la congelación, donde las tuberías de agua de baja presión hechas de caucho de silicona simplemente se expanden al congelarse. Uno de estos colectores cuenta ahora con la acreditación europea Solar Keymark.

Protección contra el sobrecalentamiento

Cuando no se ha utilizado agua caliente durante uno o dos días, el fluido en los colectores y el almacenamiento puede alcanzar altas temperaturas en todos los sistemas sin drenaje. Cuando el tanque de almacenamiento en un sistema de drenaje alcanza la temperatura deseada, las bombas se detienen, terminando el proceso de calentamiento y evitando así que el tanque de almacenamiento se sobrecaliente.

Algunos sistemas activos enfrían deliberadamente el agua en el tanque de almacenamiento haciendo circular agua caliente a través del colector en momentos en que hay poca luz solar o por la noche, perdiendo calor. Esto es más efectivo en la plomería de almacenes directos o térmicos y es virtualmente ineficaz en sistemas que usan colectores de tubo de vacío, debido a su aislamiento superior. Cualquier tipo de colector aún puede sobrecalentarse. Los sistemas térmicos solares sellados de alta presión dependen en última instancia del funcionamiento de válvulas de alivio de temperatura y presión . Los calentadores con ventilación abierta de baja presión tienen controles de seguridad más simples y confiables, generalmente una ventilación abierta.

Los diseños simples incluyen una caja aislada con tapa de vidrio simple con un absorbedor solar plano hecho de chapa de metal, unido a tubos de intercambiador de calor de cobre y de color oscuro, o un conjunto de tubos de metal rodeados por un cilindro de vidrio evacuado (casi vacío). En los casos industriales, un espejo parabólico puede concentrar la luz solar en el tubo. El calor se almacena en un tanque de almacenamiento de agua caliente . El volumen de este tanque debe ser mayor con sistemas de calefacción solar para compensar el mal tiempo [se necesita aclaración ] y porque la temperatura final óptima para el colector solar [ aclaración necesaria ] es menor que la de un calentador de inmersión o de combustión típico. El fluido de transferencia de calor (HTF) para el absorbedor puede ser agua, pero más comúnmente (al menos en sistemas activos) es un circuito separado de fluido que contiene anticongelante y un inhibidor de corrosión entrega calor al tanque a través de un intercambiador de calor (comúnmente un bobina de tubería de cobre del intercambiador de calor dentro del tanque). El cobre es un componente importante en los sistemas de calefacción y refrigeración solar térmica debido a su alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión por soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua). [dieciséis]

Otro concepto de menor mantenimiento es el "drenaje de retorno". No se requiere anticongelante; en cambio, toda la tubería está inclinada para hacer que el agua drene de regreso al tanque. El tanque no está presurizado y funciona a presión atmosférica. Tan pronto como la bomba se apaga, el flujo se invierte y las tuberías se vacían antes de que se produzca la congelación.

Cómo funciona un sistema de agua caliente solar

Las instalaciones solares térmicas residenciales se dividen en dos grupos: sistemas pasivos (a veces llamados "compactos") y activos (a veces llamados "bombeados"). Ambos incluyen típicamente una fuente de energía auxiliar (elemento de calentamiento eléctrico o conexión a un sistema de calefacción central de gas o fueloil) que se activa cuando el agua en el tanque cae por debajo de un ajuste de temperatura mínima, asegurando que el agua caliente esté siempre disponible. La combinación de calentamiento de agua solar y calor de respaldo de una chimenea de estufa de leña [17] puede permitir que un sistema de agua caliente funcione durante todo el año en climas más fríos, sin que el requisito de calor adicional de un sistema de calentamiento de agua solar se cumpla con combustibles fósiles o electricidad.

Cuando se utilizan juntos un sistema de calefacción de agua solar y un sistema de calefacción central de agua caliente, el calor solar se concentrará en un tanque de precalentamiento que se alimenta al tanque calentado por la calefacción central , o el intercambiador de calor solar reemplazará el elemento de calefacción inferior y el elemento superior permanecerá para proporcionar calor adicional. Sin embargo, la principal necesidad de calefacción central es por la noche y en invierno cuando la ganancia solar es menor. Por lo tanto, el calentamiento solar del agua para lavarse y bañarse es a menudo una mejor aplicación que la calefacción central porque la oferta y la demanda están mejor adaptadas. En muchos climas, un sistema de agua caliente solar puede proporcionar hasta el 85% de la energía del agua caliente sanitaria. Esto puede incluir sistemas térmicos solares de concentración no eléctricos domésticos . En muchos países del norte de Europa, los sistemas combinados de agua caliente y calefacción (sistemas combinados solares ) se utilizan para proporcionar del 15 al 25% de la energía de calefacción del hogar. Cuando se combina con almacenamiento , la calefacción solar a gran escala puede proporcionar entre el 50% y el 97% del consumo anual de calor para la calefacción urbana . [18] [19]

Transferencia de calor

Directo

Sistemas directos: (A) Sistema CHS pasivo con tanque sobre colector. (B) Sistema activo con bomba y controlador accionado por panel fotovoltaico.

Los sistemas de circuito abierto o directo hacen circular agua potable a través de los colectores. Son relativamente baratos. Los inconvenientes incluyen:

  • Ofrecen poca o ninguna protección contra el sobrecalentamiento a menos que tengan una bomba de exportación de calor.
  • Ofrecen poca o ninguna protección contra el congelamiento, a menos que los recolectores sean tolerantes al congelamiento.
  • Los colectores acumulan sarro en áreas de agua dura, a menos que se utilice un ablandador de intercambio iónico.

La llegada de diseños tolerantes a la congelación expandió el mercado de CSA a climas más fríos. En condiciones de congelación, los modelos anteriores se dañaron cuando el agua se convirtió en hielo, rompiendo uno o más componentes.

Indirecto

Los sistemas de circuito cerrado o indirecto utilizan un intercambiador de calor para transferir calor del fluido de "fluido de transferencia de calor" (HTF) al agua potable. El HTF más común es una mezcla de anticongelante / agua que generalmente usa propilenglicol no tóxico . Después de calentar los paneles, el HTF viaja al intercambiador de calor, donde su calor se transfiere al agua potable. Los sistemas indirectos ofrecen protección contra congelamiento y típicamente protección contra sobrecalentamiento.

Propulsión

Pasivo

Los sistemas pasivos se basan en convección impulsada por calor o tubos de calor para hacer circular el fluido de trabajo. Los sistemas pasivos cuestan menos y requieren poco o ningún mantenimiento, pero son menos eficientes. El sobrecalentamiento y la congelación son preocupaciones importantes.

Activo

Los sistemas activos utilizan una o más bombas para hacer circular agua y / o fluido de calefacción . Esto permite una gama mucho más amplia de configuraciones del sistema.

Los sistemas de bombeo son más costosos de comprar y operar. Sin embargo, operan con mayor eficiencia y pueden controlarse más fácilmente.

Los sistemas activos tienen controladores con características tales como interacción con un calentador de agua de respaldo eléctrico o de gas, cálculo y registro de la energía ahorrada, funciones de seguridad, acceso remoto y pantallas informativas.

Sistemas directos pasivos

Un sistema de almacenamiento de colector integrado (ICS)

Un sistema de almacenamiento de colector integrado (ICS o calentador de lotes) utiliza un tanque que actúa como almacenamiento y colector. Los calentadores de lote son tanques rectilíneos delgados con un lado de vidrio que mira hacia el sol al mediodía . Son simples y menos costosos que los colectores de placas y tubos, pero pueden requerir refuerzos si se instalan en un techo (para soportar 400-700 lb (180-320 kg) lbs de agua), sufren una pérdida significativa de calor durante la noche desde el costado estar frente al sol es en gran parte sin aislamiento y solo son adecuados en climas moderados.

Un sistema de unidad de almacenamiento de calor por convección (CHS) es similar a un sistema de ICS, excepto que el tanque de almacenamiento y el colector están físicamente separados y la transferencia entre los dos es impulsada por convección. Los sistemas CHS suelen utilizar colectores de tubo de vacío o de placa plana estándar. El tanque de almacenamiento debe ubicarse por encima de los colectores para que la convección funcione correctamente. El principal beneficio de los sistemas CHS sobre los sistemas ICS es que se evita en gran medida la pérdida de calor, ya que el tanque de almacenamiento se puede aislar completamente. Dado que los paneles están ubicados debajo del tanque de almacenamiento, la pérdida de calor no causa convección, ya que el agua fría permanece en la parte más baja del sistema.

Sistemas indirectos activos

Los sistemas anticongelantes presurizados utilizan una mezcla de anticongelante (casi siempre propilenglicol de baja toxicidad) y una mezcla de agua para HTF a fin de evitar daños por congelación.

Aunque son efectivos para prevenir daños por congelación, los sistemas anticongelantes tienen inconvenientes:

  • Si el HTF se calienta demasiado, el glicol se degrada en ácido y luego no proporciona protección contra la congelación y comienza a disolver los componentes del circuito solar.
  • Los sistemas sin tanques de drenaje deben hacer circular el HTF, independientemente de la temperatura del tanque de almacenamiento, para evitar que el HTF se degrade. Las temperaturas excesivas en el tanque provocan una mayor acumulación de sarro y sedimentos, posibles quemaduras graves si no se instala una válvula de templado y, si se usa para almacenamiento, posible falla del termostato.
  • El HTF de glicol / agua debe reemplazarse cada 3 a 8 años, según las temperaturas que haya experimentado.
  • Algunas jurisdicciones requieren intercambiadores de calor de doble pared más costosos a pesar de que el propilenglicol es poco tóxico.
  • Aunque el HTF contiene glicol para evitar la congelación, hace circular agua caliente desde el tanque de almacenamiento hacia los colectores a bajas temperaturas (por ejemplo, por debajo de 40 ° F (4 ° C)), lo que provoca una pérdida sustancial de calor.

Un sistema de drenaje es un sistema indirecto activo donde el HTF (generalmente agua pura) circula a través del colector, impulsado por una bomba. La tubería del colector no está presurizada e incluye un depósito de drenaje abierto que está contenido en un espacio acondicionado o semi-acondicionado. El HTF permanece en el depósito de drenaje a menos que la bomba esté funcionando y regresa allí (vaciando el colector) cuando la bomba está apagada. El sistema colector, incluida la tubería, debe drenar por gravedad al tanque de drenaje. Los sistemas Drainback no están sujetos a congelación o sobrecalentamiento. La bomba funciona solo cuando es apropiado para la recolección de calor, pero no para proteger el HTF, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos de bombeo. [20]

Hágalo usted mismo (bricolaje)

Los planes para los sistemas solares de calentamiento de agua están disponibles en Internet. [21] Los sistemas de CSA de bricolaje suelen ser más baratos que los comerciales y se utilizan tanto en el mundo desarrollado como en desarrollo. [22]

Comparación

Característica ICS (lote) Termosifón Activo directo Activo indirecto Drainback Bomba de burbujas
Perfil bajo, discreto Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Colector ligero Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Sobrevive al clima helado Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Bajo mantenimiento Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Simple: sin control auxiliar Green tickY Green tickY Green tickY
Potencial de readaptación a la tienda existente Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Ahorro de espacio: sin tanque de almacenamiento adicional Green tickY Green tickY
Comparación de sistemas CSA. Fuente: Conceptos básicos sobre calentamiento de agua solar—homepower.com [23]

Coleccionista

Los colectores solares térmicos capturan y retienen el calor del sol y lo utilizan para calentar un líquido. [24] Dos principios físicos importantes rigen la tecnología de los colectores solares térmicos:

  • Cualquier objeto caliente finalmente regresa al equilibrio térmico con su entorno, debido a la pérdida de calor por conducción , convección y radiación. [25] La eficiencia (la proporción de energía térmica retenida durante un período de tiempo predefinido) está directamente relacionada con la pérdida de calor de la superficie del colector. La convección y la radiación son las fuentes más importantes de pérdida de calor. El aislamiento térmico se utiliza para reducir la pérdida de calor de un objeto caliente. Esto sigue la Segunda ley de la termodinámica (el 'efecto de equilibrio').
  • El calor se pierde más rápidamente si la diferencia de temperatura entre un objeto caliente y su entorno es mayor. La pérdida de calor se rige principalmente por el gradiente térmico entre la superficie del colector y la temperatura ambiente. Conducción, convección y radiación todo ocurren más rápidamente en grandes gradientes térmicos [25] (el delta- t efecto).
Colector solar térmico de placa plana, visto desde el nivel del techo

Placa plana solar

Los colectores de placa plana son una extensión de la idea de colocar un colector en una caja similar a un 'horno' con el vidrio directamente frente al sol. [1] La mayoría de los colectores de placa plana tienen dos tubos horizontales en la parte superior e inferior, llamados cabezales, y muchos tubos verticales más pequeños que los conectan, llamados elevadores. Los elevadores están soldados (o conectados de manera similar) a finas aletas absorbentes. El fluido de transferencia de calor (agua o mezcla de agua / anticongelante) se bombea desde el tanque de almacenamiento de agua caliente o el intercambiador de calor al cabezal inferior de los colectores, y viaja por los elevadores, recolectando calor de las aletas del absorbedor y luego sale del colector. del encabezado superior. Los colectores de placa plana serpentina difieren ligeramente de este diseño de "arpa" y, en su lugar, utilizan un solo tubo que se desplaza hacia arriba y hacia abajo del colector. Sin embargo, dado que no se pueden drenar correctamente el agua, los colectores de placa plana serpentina no se pueden usar en sistemas de drenaje.

El tipo de vidrio utilizado en los colectores de placa plana es casi siempre vidrio templado con bajo contenido de hierro . Dicho vidrio puede soportar granizo significativo sin romperse, que es una de las razones por las que los colectores de placa plana se consideran el tipo de colector más duradero.

Los colectores no vidriados o formados son similares a los colectores de placa plana, excepto que no están aislados térmicamente ni protegidos físicamente por un panel de vidrio. En consecuencia, estos tipos de colectores son mucho menos eficientes cuando la temperatura del agua excede la temperatura del aire ambiente. Para aplicaciones de calefacción de piscinas, el agua que se va a calentar suele estar más fría que la temperatura ambiente del techo, momento en el que la falta de aislamiento térmico permite que se extraiga calor adicional del entorno circundante. [26]

Tubo de evacuación

Calentador de agua solar de tubo de vacío en un techo

Los colectores de tubos de vacío (ETC) son una forma de reducir la pérdida de calor [1] inherente a las placas planas. Dado que la pérdida de calor debido a la convección no puede atravesar el vacío, forma un mecanismo de aislamiento eficiente para mantener el calor dentro de las tuberías colectoras. [27] Dado que dos hojas de vidrio planas generalmente no son lo suficientemente fuertes para resistir el vacío, el vacío se crea entre dos tubos concéntricos. Por lo tanto, la tubería de agua en un ETC está rodeada por dos tubos concéntricos de vidrio separados por un vacío que admite el calor del sol (para calentar la tubería) pero que limita la pérdida de calor. El tubo interior está recubierto con un absorbente térmico. [28] La vida útil del vacío varía de un colector a otro, de 5 a 15 años.

Los colectores de placa plana son generalmente más eficientes que los ETC en condiciones de pleno sol. Sin embargo, la producción de energía de los colectores de placa plana se reduce un poco más que los ETC en condiciones nubladas o extremadamente frías. [1] La mayoría de los ETC están hechos de vidrio recocido, que es susceptible al granizo , fallando debido a partículas del tamaño de una pelota de golf. Los ETC hechos de "vidrio de coque", que tiene un tinte verde, son más fuertes y menos propensos a perder su vacío, pero la eficiencia se reduce ligeramente debido a la reducción de la transparencia. Los ETC pueden recolectar energía del sol durante todo el día en ángulos bajos debido a su forma tubular. [29]

Bomba

Bomba fotovoltaica

Una forma de alimentar un sistema activo es a través de un panel fotovoltaico (PV) . Para garantizar el rendimiento y la longevidad adecuados de la bomba, la bomba (CC) y el panel fotovoltaico deben coincidir adecuadamente. Aunque una bomba de energía fotovoltaica no funciona de noche, el controlador debe asegurarse de que la bomba no funcione cuando sale el sol pero el agua del colector no está lo suficientemente caliente.

Las bombas fotovoltaicas ofrecen las siguientes ventajas:

  • Instalación y mantenimiento más sencillos / económicos
  • El exceso de salida fotovoltaica se puede utilizar para uso doméstico de electricidad o volver a conectarse a la red.
  • Puede deshumidificar el espacio habitable [30]
  • Puede funcionar durante un corte de energía
  • Evita el consumo de carbono por el uso de bombas alimentadas por red.

Bomba de burbujas

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El separador de burbujas de un sistema de bomba de burbujas

Una bomba de burbujas (también conocida como bomba de géiser) es adecuada para paneles planos y sistemas de tubos de vacío. En un sistema de bomba de burbujas, el circuito HTF cerrado está a presión reducida, lo que hace que el líquido hierva a baja temperatura a medida que el sol lo calienta. Las burbujas de vapor forman un géiser, provocando un flujo ascendente. Las burbujas se separan del fluido caliente y se condensan en el punto más alto del circuito, después de lo cual el fluido fluye hacia abajo hacia el intercambiador de calor causado por la diferencia en los niveles de fluido. [31] [32] [33] El HTF generalmente llega al intercambiador de calor a 70 ° C y regresa a la bomba de circulación a 50 ° C. El bombeo comienza típicamente a unos 50 ° C y aumenta a medida que sale el sol hasta que se alcanza el equilibrio.

Controlador

Un controlador diferencial detecta las diferencias de temperatura entre el agua que sale del colector solar y el agua en el tanque de almacenamiento cerca del intercambiador de calor. El controlador pone en marcha la bomba cuando el agua del colector está suficientemente caliente entre 8 y 10 ° C más que el agua del tanque y la detiene cuando la diferencia de temperatura alcanza los 3 a 5 ° C. Esto asegura que el agua almacenada siempre gane calor cuando la bomba funciona y evita que la bomba se encienda y apague en exceso. (En los sistemas directos, la bomba se puede activar con una diferencia de alrededor de 4 ° C porque no tienen intercambiador de calor).

Tanque

El colector más simple es un tanque de metal lleno de agua en un lugar soleado. El sol calienta el tanque. Así fue como funcionaron los primeros sistemas. [4] Esta configuración sería ineficaz debido al efecto de equilibrio: tan pronto como comience el calentamiento del tanque y el agua, el calor ganado se pierde al ambiente y esto continúa hasta que el agua en el tanque alcanza la temperatura ambiente. El desafío es limitar la pérdida de calor.

  • El tanque de almacenamiento puede ubicarse más bajo que los colectores, lo que permite una mayor libertad en el diseño del sistema y permite el uso de tanques de almacenamiento preexistentes.
  • El tanque de almacenamiento se puede ocultar a la vista.
  • El tanque de almacenamiento se puede colocar en un espacio acondicionado o semi-acondicionado, reduciendo la pérdida de calor.
  • Se pueden utilizar tanques de drenaje.

Tanque aislado

Los colectores ICS o discontinuos reducen la pérdida de calor al aislar térmicamente el tanque. [1] [34] Esto se logra encerrando el tanque en una caja con tapa de vidrio que permite que el calor del sol llegue al tanque de agua. [35] Las otras paredes de la caja están aisladas térmicamente, lo que reduce la convección y la radiación. [36] La caja también puede tener una superficie reflectante en el interior. Esto refleja la pérdida de calor del tanque hacia el tanque. De una manera simple, se podría considerar un calentador de agua solar ICS como un tanque de agua que se ha encerrado en un tipo de "horno" que retiene el calor del sol así como el calor del agua en el tanque. El uso de una caja no elimina la pérdida de calor del tanque al medio ambiente, pero reduce en gran medida esta pérdida.

Los colectores ICS estándar tienen una característica que limita fuertemente la eficiencia del colector: una pequeña relación superficie-volumen. [37] Dado que la cantidad de calor que un tanque puede absorber del sol depende en gran medida de la superficie del tanque directamente expuesta al sol, se deduce que el tamaño de la superficie define el grado en que el sol puede calentar el agua. . Los objetos cilíndricos, como el tanque en un colector de ICS, tienen una relación de superficie a volumen inherentemente pequeña. Los recolectores intentan aumentar esta proporción para un calentamiento eficiente del agua. Las variaciones de este diseño básico incluyen colectores que combinan contenedores de agua más pequeños y tecnología de tubos de vidrio evacuados, un tipo de sistema ICS conocido como colector de lote de tubos evacuados (ETB). [1]

Tubo de evacuación

Los ETSC pueden ser más útiles que otros colectores solares durante la temporada de invierno. Los ETC se pueden utilizar para fines de calefacción y refrigeración en industrias como la farmacéutica y farmacéutica, el papel, el cuero y la industria textil y también para casas residenciales, hospitales, residencias de ancianos, hoteles, piscinas, etc.

Un ETC puede funcionar en un rango de temperaturas de media a alta para agua caliente solar, piscina, aire acondicionado y cocina solar.

El rango de temperatura operativa más alto de los ETC (hasta 200 ° C (392 ° F)) los hace adecuados para aplicaciones industriales como generación de vapor, motores térmicos y secado solar.

Piscinas

Los sistemas de revestimiento de piscinas flotantes y los STC separados se utilizan para calentar piscinas.

Los sistemas de revestimiento de piscinas, ya sean láminas sólidas o discos flotantes, actúan como aislante y reducen la pérdida de calor. Gran parte de la pérdida de calor ocurre por evaporación y el uso de una cubierta ralentiza la evaporación.

Los STC para uso de agua de piscina no potable a menudo están hechos de plástico. El agua de la piscina es levemente corrosiva debido al cloro. El agua circula a través de los paneles utilizando el filtro de piscina existente o la bomba suplementaria. En ambientes templados, los colectores de plástico sin vidriar son más eficientes como sistema directo. En ambientes fríos o ventosos, se utilizan tubos de vacío o placas planas en una configuración indirecta junto con un intercambiador de calor. Esto reduce la corrosión. Se utiliza un controlador de temperatura diferencial bastante simple para dirigir el agua a los paneles o al intercambiador de calor girando una válvula o haciendo funcionar la bomba. Una vez que el agua de la piscina ha alcanzado la temperatura requerida, se utiliza una válvula de desvío para devolver el agua directamente a la piscina sin calentarla. [38] Muchos sistemas están configurados como sistemas de drenaje en los que el agua se drena hacia la piscina cuando la bomba de agua está apagada.

Los paneles colectores generalmente se montan en un techo cercano o se montan en el suelo en un bastidor inclinado. Debido a la baja diferencia de temperatura entre el aire y el agua, los paneles suelen ser colectores formados o colectores de placa plana sin esmaltar. Una regla empírica simple para el área de panel requerida necesaria es el 50% de la superficie de la piscina. [38] Esto es para áreas donde las piscinas se usan solo en la temporada de verano. Agregar colectores solares a una piscina al aire libre convencional, en un clima frío, generalmente puede extender el uso cómodo de la piscina por meses y más si se usa una cubierta de piscina aislante. [26] Cuando tienen un tamaño de cobertura del 100%, la mayoría de los sistemas solares de agua caliente son capaces de calentar una piscina desde tan solo 4 ° C para una piscina expuesta al viento, hasta 10 ° C para una piscina protegida contra el viento cubierta de manera constante con manta solar para piscina. [39]

Se puede utilizar un programa de análisis del sistema de energía solar activo para optimizar el sistema de calefacción solar de la piscina antes de su construcción.

Una lavandería en California con paneles en el techo que proporcionan agua caliente para lavar

La cantidad de calor entregada por un sistema de calentamiento de agua solar depende principalmente de la cantidad de calor entregada por el sol en un lugar en particular ( insolación ). En los trópicos, la insolación puede ser relativamente alta, por ejemplo, 7 kWh / m 2 por día, frente a, por ejemplo, 3,2 kWh / m 2 por día en las zonas templadas . Incluso en la misma latitud, la insolación promedio puede variar mucho de un lugar a otro debido a las diferencias en los patrones climáticos locales y la cantidad de cielo nublado. Hay calculadoras disponibles para estimar la insolación en un sitio. [40] [41] [42]

A continuación se muestra una tabla que ofrece una indicación aproximada de las especificaciones y la energía que podría esperarse de un sistema de calentamiento solar de agua que involucre unos 2 m 2 de área de absorción del colector, mostrando dos tubos de vacío y tres sistemas de calentamiento solar de agua de placa plana. Se utilizan datos de certificación o cifras calculadas a partir de esos datos. Las dos filas inferiores dan estimaciones de la producción de energía diaria (kWh / día) para un escenario tropical y templado . Estas estimaciones son para calentar agua a 50 ° C por encima de la temperatura ambiente.

Con la mayoría de los sistemas solares de calentamiento de agua, la producción de energía se escala linealmente con el área de superficie del colector. [43]

Producción diaria de energía (kW th .h) de cinco sistemas solares térmicos. Los sistemas de tubos de evacuación utilizados a continuación tienen 20 tubos.
Tecnología Plato plano Plato plano Plato plano ETC ETC
Configuración Directo activo Termosifón Activo indirecto Activo indirecto Directo activo
Tamaño total (m 2 ) 2,49 1,98 1,87 2,85 2,97
Tamaño del absorbedor (m 2 ) 2.21 1,98 1,72 2,85 2,96
Máxima eficiencia 0,68 0,74 0,61 0,57 0,46
Producción de energía (kWh / día):
- Aislamiento 3,2 kWh / m 2 / día ( templado )
- p . Ej., Zúrich, Suiza 		5.3 3.9 3.3 4.8 4.0
- Aislamiento 6,5 kWh / m 2 / día (tropical)
- por ejemplo, Phoenix, EE. UU. 		11,2 8.8 7.1 9,9 8.4

Las cifras son bastante similares entre los colectores anteriores, produciendo unos 4 kWh / día en un clima templado y unos 8 kWh / día en un clima tropical cuando se utiliza un colector con un absorbedor de 2 m 2 . En el escenario templado, esto es suficiente para calentar 200 litros de agua a unos 17 ° C. En el escenario tropical, el calentamiento equivalente sería de unos 33 ° C. Muchos sistemas de termosifón tienen una producción de energía comparable a la de los sistemas activos equivalentes. La eficiencia de los colectores de tubo de vacío es algo menor que la de los colectores de placa plana porque los absorbedores son más estrechos que los tubos y los tubos tienen espacio entre ellos, lo que da como resultado un porcentaje significativamente mayor del área total inactiva del colector. Algunos métodos de comparación [44] calculan la eficiencia de los colectores de tubos de vacío basándose en el área real del absorbedor y no en el espacio ocupado como se ha hecho en la tabla anterior. La eficiencia se reduce a temperaturas más altas.

En lugares soleados y cálidos, donde la protección contra el congelamiento no es necesaria, un calentador de agua solar ICS (tipo lote) puede ser rentable. [36] En latitudes más altas, los requisitos de diseño para climas fríos aumentan la complejidad y el costo del sistema. Esto aumenta los costos iniciales , pero no los costos del ciclo de vida. Por lo tanto, la consideración más importante es el gran desembolso financiero inicial de los sistemas solares de calentamiento de agua. [45] La compensación de este gasto puede llevar años. [46] El período de recuperación es más largo en ambientes templados. [47] Dado que la energía solar es gratuita, los costes operativos son pequeños. En latitudes más altas, los calentadores solares pueden ser menos efectivos debido a la insolación más baja, posiblemente requiriendo sistemas de calefacción más grandes o dobles. [47] En algunos países, los incentivos gubernamentales pueden ser importantes.

Los factores de costo (positivos y negativos) incluyen:

  • Precio del calentador de agua solar (los sistemas más complejos son más caros)
  • Eficiencia
  • Costo de instalacion
  • Electricidad utilizada para bombeo
  • Precio del combustible para calentar agua (por ejemplo, gas o electricidad) ahorrado por kWh
  • Cantidad de combustible para calentar agua utilizada
  • Subsidio gubernamental inicial y / o recurrente
  • Costo de mantenimiento (por ejemplo, anticongelante o reemplazos de la bomba)
  • Ahorro en el mantenimiento del sistema de calentamiento de agua convencional (eléctrico / gas / aceite)

Los tiempos de recuperación pueden variar mucho debido al sol regional, el costo adicional debido a las necesidades de protección contra las heladas de los recolectores, el uso de agua caliente en el hogar, etc. el gráfico de los Estados Unidos. [48]

Costos y períodos de recuperación para sistemas de CSA residenciales con ahorros de 200 kWh / mes (usando datos de 2010), costos de mantenimiento, subsidios y costos de instalación
País Divisa Costo del sistema Subvención(%) Costo efectivo Costo de electricidad / kWh Ahorro de electricidad / mes Período de recuperación (y)
 BrasilBRL2500 [49]025000,25504.2
 SudáfricaZAR1400015 [50]119000,91805.5
 AustraliaAUD5000 [51]40 [52]30000,18 [53]366,9
 BélgicaEUR4000 [54]50 [55]20000,1 [56]208.3
 Estados UnidosDólar estadounidense5000 [57]30 [58]35000.1158 [59]23.1612,6
 Reino UnidoGBP4800 [60]048000,11 [61]2218,2

El período de recuperación es más corto dada una mayor insolación. Sin embargo, incluso en áreas templadas, el calentamiento solar de agua es rentable. Históricamente, el período de amortización de los sistemas fotovoltaicos ha sido mucho más largo. [47] Los costos y el período de recuperación son más cortos si no se requiere un sistema complementario / de respaldo. [46] extendiendo así el período de recuperación de dicho sistema.

Subvenciones

Australia opera un sistema de Créditos de Energía Renovable, basado en objetivos nacionales de energía renovable. [52]

La iniciativa de vecindarios solares de Toronto ofrece subsidios para la compra de unidades solares de calentamiento de agua. [62]

Huella energética

La fuente de electricidad en un sistema de CSA activo determina la medida en que un sistema contribuye al carbono atmosférico durante la operación. Los sistemas solares térmicos activos que utilizan la electricidad de la red para bombear el fluido a través de los paneles se denominan "energía solar baja en carbono". En la mayoría de los sistemas, el bombeo reduce el ahorro de energía en aproximadamente un 8% y el ahorro de carbono de la energía solar en aproximadamente un 20%. [63] Sin embargo, las bombas de baja potencia funcionan con 1-20W. [64] [65] Suponiendo que un panel colector solar entregue 4 kWh / día y una bomba que funcione de manera intermitente con la red eléctrica durante un total de 6 horas durante un día soleado de 12 horas, el efecto potencialmente negativo de dicha bomba se puede reducir a alrededor del 3% del calor producido.

Sin embargo, los sistemas solares térmicos activos que funcionan con energía fotovoltaica suelen utilizar un panel fotovoltaico de 5 a 30 W y una bomba de diafragma o bomba centrífuga pequeña de baja potencia para hacer circular el agua. Esto reduce la huella energética y de carbono operativa.

Los sistemas de bombeo alternativos no eléctricos pueden emplear expansión térmica y cambios de fase de líquidos y gases.

Evaluación de la energía del ciclo de vida

Se pueden utilizar estándares reconocidos para ofrecer evaluaciones cuantitativas y sólidas del ciclo de vida (LCA). La LCA considera los costos financieros y ambientales de adquisición de materias primas, fabricación, transporte, uso, servicio y eliminación del equipo. Los elementos incluyen:

  • Costos y ganancias financieras
  • Consumo de energía
  • CO 2 y otras emisiones

En términos de consumo de energía, un 60% va al tanque y un 30% al colector [66] (termosifón placa plana en este caso). En Italia, [67] se utilizan unos 11 gigajulios de electricidad en la producción de equipos de CSA, aproximadamente el 35% se destina al tanque y otro 35% al ​​colector. El principal impacto relacionado con la energía son las emisiones. La energía utilizada en la fabricación se recupera durante los primeros 2-3 años de uso (en el sur de Europa).

Por el contrario, se informa que el tiempo de recuperación de la energía en el Reino Unido es de solo 2 años. Esta cifra corresponde a un sistema directo, adaptado a un depósito de agua existente, con bombeo fotovoltaico, tolerante a la congelación y con una apertura de 2,8 metros cuadrados. A modo de comparación, una instalación fotovoltaica tardó alrededor de 5 años en recuperarse de la energía, según el mismo estudio comparativo. [68]

En términos de emisiones de CO 2 , una gran fracción de las emisiones ahorradas depende del grado en que se utilice el gas o la electricidad para complementar el sol. Utilizando el sistema Ecoindicador de 99 puntos como criterio (es decir, la carga medioambiental anual de un habitante europeo medio) en Grecia, [66] un sistema impulsado exclusivamente por gas puede tener menos emisiones que un sistema solar. Este cálculo supone que el sistema solar produce aproximadamente la mitad de las necesidades de agua caliente de un hogar. Pero debido a que las emisiones de metano (CH 4 ) del ciclo del combustible del gas natural [69] eclipsan el impacto de efecto invernadero del CO 2 , las emisiones netas de efecto invernadero (CO 2 e) de los sistemas impulsados ​​por gas son mucho mayores que las de los calentadores solares, especialmente si son complementarios. La electricidad también proviene de una generación libre de carbono. [ cita requerida ]

Un sistema de prueba en Italia produjo alrededor de 700 kg de CO 2 , considerando todos los componentes de fabricación, uso y eliminación. El mantenimiento se identificó como una actividad costosa en cuanto a emisiones cuando se reemplazó el fluido de transferencia de calor (a base de glicol). Sin embargo, el costo de las emisiones se recuperó en aproximadamente dos años de uso del equipo. [67]

En Australia, también se recuperaron las emisiones del ciclo de vida. El sistema SWH probado tuvo aproximadamente el 20% del impacto de un calentador de agua eléctrico y la mitad del de un calentador de agua a gas. [46]

Al analizar su sistema de calentamiento solar de agua tolerante a la congelación de retroadaptación de menor impacto, Allen et al. (qv) reportó un impacto de producción de CO 2 de 337 kg, que es aproximadamente la mitad del impacto ambiental reportado en Ardente et al. (qv) estudio.

  • La mayoría de las instalaciones de CSA requieren calefacción de respaldo.
  • La cantidad de agua caliente que se consume cada día debe ser reemplazada y calentada. En un sistema solo solar, consumir una gran fracción del agua en el reservorio implica variaciones significativas de temperatura del reservorio. Cuanto mayor sea el depósito, menor será la variación diaria de temperatura.
  • Los sistemas SWH ofrecen economías de escala significativas en costos de colectores y tanques. [66] Por tanto, la báscula más económicamente eficiente satisface el 100% de las necesidades de calefacción de la aplicación.
  • Los sistemas directos (y algunos sistemas indirectos que utilizan intercambiadores de calor) se pueden adaptar a las tiendas existentes.
  • Los componentes del equipo deben estar aislados para lograr todos los beneficios del sistema. La instalación de un aislamiento eficiente reduce significativamente la pérdida de calor.
  • Las bombas fotovoltaicas más eficientes arrancan lentamente con niveles de luz bajos, por lo que pueden causar una pequeña cantidad de circulación no deseada mientras el colector está frío. El controlador debe evitar que el agua caliente almacenada tenga este efecto de enfriamiento.
  • Las matrices de colectores de tubos de vacío se pueden ajustar quitando / agregando tubos o sus tubos de calor, lo que permite la personalización durante / después de la instalación.
  • Por encima de los 45 grados de latitud, los colectores orientados al sol montados en el techo tienden a producir más que los colectores montados en la pared. Sin embargo, los conjuntos de colectores empinados montados en la pared a veces pueden producir más energía útil porque las ganancias en la energía utilizada en invierno pueden compensar la pérdida de energía no utilizada (exceso) en el verano.

Europa

  • EN 806: Especificaciones para instalaciones en el interior de edificios que transportan agua para consumo humano. General.
  • EN 1717: Protección contra la contaminación del agua potable en las instalaciones de agua y requisitos generales de los dispositivos para prevenir la contaminación por reflujo.
  • EN 60335: Especificación para la seguridad de aparatos eléctricos domésticos y similares. (2-21)
  • UNE 94002: 2005 Sistemas solares térmicos para producción de agua caliente sanitaria. Método de cálculo de la demanda de calor.

Estados Unidos

  • OG-300: Certificación OG-300 de sistemas solares de calentamiento de agua. [70]

Canadá

  • CAN / CSA-F378 Serie 11 (Colectores solares)
  • CAN / CSA-F379 Serie 09 (Sistemas de agua caliente sanitaria solares compactos)
  • SRCC Standard 600 (estándar mínimo para colectores de concentración solar térmica)

Australia

  • Ley de energía renovable (electricidad) de 2000
  • Ley de energía renovable (electricidad) (cargo por déficit de generación a gran escala) de 2000
  • Ley de Energía Renovable (Electricidad) (Cargo por Déficit de Tecnología a Pequeña Escala) de 2010
  • Reglamento de energía renovable (electricidad) de 2001
  • Regulaciones de energía renovable (electricidad) 2001 - Metodología de cálculo de STC para calentadores de agua solares y calentadores de agua con bomba de calor de fuente de aire
  • Reglamento de Enmienda (Disposición Transitoria) de Energía Renovable (Electricidad) de 2010
  • Reglamento de modificación (disposiciones transitorias) de energías renovables (electricidad) de 2009

Todos los participantes relevantes del objetivo de energía renovable a gran escala y el esquema de energía renovable a pequeña escala deben cumplir con las leyes anteriores. [71]

Sistema de agua caliente solar instalado en una vivienda de bajo costo en el municipio local de Kouga , Sudáfrica
Principales países que utilizan energía solar térmica en todo el mundo (GW th ) [11] [72] [73] [74] [75] [76] [77]
# País 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
1 porcelana55,567,984,0105,0101,5117,6--262,3 [78]
- UE11,213,515,520,022,823,525,629,731,4
2 Estados Unidos1,61.81,72.014,415,3--16,8 [78]
3 Alemania---7.88,99,810,511,412,1
4 pavo5.76.67.17.58.49.3--11,0 [78]
5 Australia1.21.31.21.35,05.8--5,8 [78]
6 Brasil1,62.22.52.43,74.3--6,7 [78]
7 Japón5,04,74.94.14.34.0--3.2 [78]
8 Austria---2.53,03.22.83.43,5
9 Grecia---2,72.92.92.92.92.9
10 Israel3.33.83,52.62.82.9--2.9 [78]
Mundo (GW th )88105126149172196---

Europa

Calefacción solar térmica en la Unión Europea (MW th ) [79] [80] [81]
# País 2008 2009 2010 [74]2011 2012 2013
1 Alemania7.7669.0369,83110,49611,41612,055
2 Austria2,2683,03132272,7923,4483,538
3 Grecia2.7082,8532.8552,8612,8852,915
4 Italia1.1241.4101,7532,1522,3802.590
5 España9881,3061,5431,6592.0752,238
6 Francia1,1371,2871.4701,2771,6911.802
7 Polonia2543574596378481.040
8 Portugal223395526547677717
9 República Checa116148216265625681
10  Suiza416538627---
11 Países Bajos254285313332605616
12 Dinamarca293339379409499550
13 Chipre485490491499486476
14 Reino Unido270333374460455475
15 Bélgica188204230226334374
dieciséis Suecia202217227236337342
17 Irlanda5285106111177196
18 Eslovenia96111116123142148
19 Hungría1859105120125137
20 Eslovaquia677384100108113
21 Rumania *6680737493110
22 Bulgaria *225674815859
23 Malta*252932363435
24 Finlandia *182023233033
25 Luxemburgo *dieciséis1922252327
26 Estonia*11131012
27 Letonia *11131012
28 Lituania *122368
TotalEU27 + Sw (GW th )19,0821,6023.4925.5529,6631,39
* = estimación, F = Francia en su conjunto

  • Concentración de energía solar
  • Solar pasivo
  • Comercialización de energías renovables
  • Calor renovable
  • Certificado de energía renovable (Estados Unidos)
  • Aire acondicionado solar
  • Calefacción de aire solar
  • Sistema combinado solar
  • Energía solar
  • Agua caliente solar en Australia
  • Colector solar térmico
  • Energía solar térmica
  • Diseño sostenible

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