[2019] ENERGร A SOLAR
Juan Gรณmez Blรกzquez
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ÍNDICE Página
Obtención de agua caliente por energía solar......................................................
Colectores ............................................................................................................................... Placas de absorción ................................................................................................................ Carcasas y aislantes ................................................................................................................ Tapa de cristal......................................................................................................................... Acumulador ............................................................................................................................ Colector solar casero .............................................................................................................. Memoria ................................................................................................................................. Materiales ............................................................................................................................... Para el colector ....................................................................................................................... Para el serpentín del intercambiador ...................................................................................... Para el deposito ...................................................................................................................... Croquis ................................................................................................................................... Calentador solar sencillo ........................................................................................................ Memoria ................................................................................................................................. Consta de ................................................................................................................................ Desarrollo técnico................................................................................................................... Materiales ............................................................................................................................... Croquis ................................................................................................................................... Tipos de calentadores .............................................................................................................
Energía Solar
OBTENCIÓN DE AGUA CALIENTE POR ENERGÍA SOLAR El calentamiento de agua es una aplicación sencilla de la energía solar y la única aplicación directa con éxito comercial. Los requerimientos de temperaturas por debajo de los 60º se pueden satisfacer fácilmente con colectores planos estacionarios. En todos los calentadores solares de agua interviene una superficie plana, grande y negra que recibe la radiación solar y calienta el agua. Los calentadores solares se construyen con una cubierta transparente de vidrio o plástico que reduce la re-radiación y la convección de calor al aire en movimiento. La cubierta es transparente para la luz solar pero es opaca a la radiación infrarroja larga que emite el agua caliente y actúa como una trampa para el calor. Para reducir las pérdidas de conducción y convección el colector se debe colocar en una caja aislada térmicamente. El agua una vez calentada se lleva a un depósito de almacenamiento que debe estar bien aislado. La circulación de agua entre el depósito y el colector solar se efectúa normalmente por gradiente térmico, puesto que el agua caliente es menos densa y sube hacia el tanque colocado en posición superior. También se puede utilizar una bomba para proporcionar una circulación forzada. Si la radiación solar incide perpendicularmente sobre una lámina de material transparente como el vidrio y algunos plásticos, casi toda la energía pasará a través de ella. La capacidad de absorción de energía es mayor en un cuerpo de color negro, ya que absorbe casi la totalidad de las ondas de distinta longitud. La energía radiante absorbida se transforma en calor: el choque de las ondas incidentes hace que los electrones de las moléculas vibren transformando el movimiento en calor. Una vez que la temperatura de un cuerpo absorbente ha comenzado a subir, este empieza a irradiar energía. Si queremos que actúe de colector esta re-radiación debe reducirse al mínimo. Esto podemos conseguirlo mediante:
- el efecto invernadero: los vidrios y plásticos dejan pasar las radiaciones solares (corta longitud de onda) pero actuan de filtro frente a las longitudes de onda (altas) que los cuerpos saturados de calor emiten. - control de la temperatura de trabajo: se extrae el calor del cuerpo absorbente, almacenandola en un acumulador.
COLECTORES Un colector consta de cuatro elementos: placa de absorción, cubierta transparente, aislamiento y carcasa.
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La carcasa tiene forma de cajón poco profundo, abierto por arriba y aislado pos los costados y el fondo. Dentro de él yace la placa de absorción o calentador, quedando todo cubierto por una lámina de vidrio.
El funcionamiento básico es el siguiente: la radiación solar alcanza la tapa y una pequeña cantidad la absorbe la propia tapa, otra se refleja en la misma y el resto pasa a través de ella incidiendo en la placa de absorción. Esta energía se transforma en calor que pasa al agua contenida en el circuito del colector.
El rendimiento es variable. Se potencia favoreciendo la transmisión a través de la tapa, la absorción en la placa y la trasferencia de calor de la placa al agua. Las pérdidas de calor se deben sobre todo a la conducción de calor a través de la carcasa, las corrientes de convección sobre la placa y a las pérdidas por radiación de la misma.
Por ello, el colector debe situarse orientado al sur y en un ángulo perpendicular a los rayos solares. La tapa ha de ser lo mas transparente posible, sin suciedad y si hay grandes pérdidas de calor con doble acristalamiento. La capacidad absorbente de la placa puede aumentarse dándole un acabado negro mate, pero fino para que no suponga una barrera térmica. El material de la placa debe ser de un buen conductor térmico y la placa debe tener un contacto máximo con el agua.
Placa de absorción
Calentadores de tubos: tubos paralelos que se suelda a otros horizontales de reparto; el más bajo de entrada de agua fría y el superior para la salida de agua caliente. Hay grandes pérdidas por lo que se suelen soldar a una chapa ennegrecida de cobre. Una variante es un único tubo de cobre doblado como un serpentín y soldado a la lámina colectora de cobre; el serpentín se coloca con los tubos casi paralelos al suelo (con una ligera pendiente) y con la salida de agua caliente en la parte superior para que no existan problemas de resistencia a la circulación del agua por la gravedad. Página 3
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Para construir canales paralelos se puede unir con remaches un trozo de acero galvanizado ondulado de techar con una chapa de acero galvanizado. En los canales se introduce un tubo de plástico sobredimensionado para obtener un buen contacto térmico (ha de ser un plástico especial que resista altas temperaturas).
El material ideal para los tubos es el cobre, pues se puede doblar fácilmente sin herramientas, es resistente a la corrosión, sirve tanto para agua caliente como fría y es buen conductor térmico. La unión de los tubos puede hacerse mediante manguitos, codos o derivaciones. Se corta el tubo con una sierra de metal, se repasan los bordes con una lima, se introduce tuerca y arandela de presión y se coloca el elemento de unión.
Para evitar sobrepresiones conviene instalar un vaso de expansión que se situará en la parte más alta de la instalación.
Carcasa y aislante Si es metálica se debe evitar el contacto directo con la placa y tuberías de la instalación para evitar pérdidas por conducción. Las perdidas pueden minimizarse recubriendo el interior con una capa de aislante de espesor variable según el material empleado.
Tapa de cristal Evita perdidas de calor por convección. Para sujetarla lo mejor es colocar juntas de fieltro o plástico flexible. Se pueden usar, en vez de cristal, plásticos del tipo PVC que son más baratos y ligeros, aunque tienen el inconveniente de mayores pérdidas por radiación.
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ACUMULADOR
El agua calentada se almacena en depósitos. La circulación del agua puede hacerse por gradiente térmico y entonces la distancia entre el depósito y el colector ha de ser reducida para permitir una circulación fácil incluso cuando el agua esté ligeramente caliente. La base del depósito ha de estar a 60 cm por encima de la parte más alta del colector para impedir la circulación en sentido inverso; el agua caliente al ser menos densa sube. Conviene instalar una válvula de retención para impedir el flujo hacia abajo del agua caliente.
Para evitar pérdidas de calor en los depósitos abiertos, se puede solucionar con una capa flotante de algún material aislante como bolas de propileno, que han de ser de diámetro mayor que las cañerías para evitar obstrucciones.
Si existe peligro de heladas, a veces interesa el uso de un sistema doble con el colector que utiliza glicol, etileno u otra solución anticongelante, y el calor se transmite al agua a través de un serpentín situado en el depósito (tipo indirecto).
COLECTOR SOLAR CASERO
Memoria El más sencillo de construir se hace enfundando un radiador de chapa, tipo panel, en una caja de madera con tapa de vidrio. Se puede conseguir en chatarrerías y almacenes de material de derribo. Los mejores son los que admiten poco volumen de agua (paneles delgados de chapa estampada). Si los orificios de entrada y salida no nos satisfacen y se dispone de equipos de soldadura, se hacen nuevos agujeros y se sueldan tubos de cobre. Si no es posible adquirir uno, se puede construir con tubo de cobre dispuesto en serpentín sobre una placa negra.
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El despiece del colector sería (de abajo hacia arriba):
- Fondillo, panel de madera de tamaño en función del colector - Marco interior de madera de listones finos donde apoyarán los traveseros, de tamaño ajustable al marco exterior - Marco exterior de madera más gruesa de tamaño igual al fondillo y altura en función de la placa. Las esquinas se refuerzan con angulares atornillados. Comprobar que es totalmente plana con ayuda de un nivel. Una vez que se conozcan los puntos de orificios de entrada y salida de agua de la placa, se hacen los correspondientes taladros. - Traveseros de madera donde apoyara el aislante y la placa - Capa de aislante que recubra bien el fondo y las paredes. Si se usa fibra de vidrio hay que manipularla con guantes, pues produce irritaciones en la piel, y una careta para evitar inhalaciones de partículas. - Placa de absorción (colector). Conviene comprobar su estanqueidad llenandolo de agua y cerando las bocas. Se limpia y se le da una capa de negro mate. Si es necesario se aplica primero un par de manos de minio. Una vez depositado en la carcasa se insertan los tubos de cobre en los elementos de unión. Si no se dispone de placa, se puede fabricar una con tubos de cobre (de 15 mm de diámetro) en serpentín soldados a una placa de cobre. Si es necesario se unen distintos tubos mediante codos. Para asegurarnos que el serpentín esté en contacto en toda su superficie con la placa, se hace en esta unos surcos en los que se insertan los tubos. Finalmente se pinta de negro. - Lámina de vidrio. Se puede ajustar con fieltro o con silicona. - Marco de sujeción del vidrio, angular de metal que haga de tapadera. Los otros elementos necesarios son: el serpentín que actuará de intercambiador y el acumulador o depósito.
El serpentín se une a los tubos del colector mediante manguitos. El de unión con el tubo de salida de agua caliente será un manguito en T para acoplar el tubo del vaso de expansión que evitará sobrepresiones al calentarse el agua.
El depósito, si se quiere que el agua ascienda por efecto termosifón, debe estar colocado por encima del colector (a unos 60 cm). Tendrá en la parte inferior la entrada de agua fría. La salida de agua caliente ha de hacerse de manera que el agua se recoja de la parte superior. Esto puede conseguirse conectando al grifo, por el interior, un tubo de goma flexible unido a un flotador. Si es un depósito abierto conviene colocar sobre el agua un material aislante (por ejemplo en forma de bolas) para evitar pérdidas de calor.
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Materiales
Para el colector:
Tablero de contrachapado o aglomerado para el fondillo Listones de madera para el marco interior de 1,5 cm Listones de madera para el marco exterior de 2,5 cm de grosor Listones de madera para los traveseros de 5 cm Aislante de fibra de vidrio Placa de absorción. Si hay que hacerla se necesitan tubos de cobre, codos de unión y chapa de cobre. Lámina de vidrio Silicona Pintura protectora de madera Pintura negra mate para la placa Angulares de metal para el marco del vidrio. Angulares para refuerzo de esquinas del marco exterior Cola de carpintero Clavos y tornillos Tubos de cobre para la salida y entrada de agua Manguitos roscados para la unión de tubos; uno de ellos en T para el tubo del vaso de expansión
Para el serpentín del intercambiador: Tubos de cobre Codos
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Para el depósito:
Recipiente de plástico resistente al calor o depósito procedente de un calentador eléctrico antiguo Tuercas, arandelas y manguitos roscados para la unión con tubo de entrada de agua fría y salida agua caliente Grifo Flotador Tubo de goma flexible
Croquis
Instalación general Despiece del colector Unión de tubos con manguito
CALENTADOR SOLAR SENCILLO (agua caliente solo de día)
Memoria
Consta de:
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- un marco rectangular de madera de 10 cm de alto, 1m de largo por 0,5m de ancho, que se coloca sobre un terreno horizontal. Se excava ligeramente el terreno dentro del marco y se nivela el fondo. - un aislante de fibra de vidrio que se coloca sobre el terreno. - una lámina de plástico que se sujeta al marco, para formar una especie de bandeja, directamente sobre el terreno, que contendrá el agua. - una capa de agua de unos 5 cm de profundidad. - una lámina de plástico negro que flotara sobre el agua. Servirá para transmitir el calor más eficazmente y además impedirá condensación de vapor de agua en la tapa. El plástico o goma ha de fuerte para soportar las temperaturas a las que va a estar sometido. - un termómetro sobre el plástico negro, para poder tener información rápida de la temperatura. - un marco de madera mas ligero y un poco mayor que el primero, cubierto por una lámina de plástico estirada, que actuará de tapadera. Para llenar y vaciar el calentador, en la parte frontal se practica un agujero y se introduce una manguera, de forma que un extremo llegue al fondo del depósito y el otro se sujeta a un palo vertical a una altura suficiente para que el agua no salga. En la operación de llenado se introduce agua fría por la manguera. Para extraer agua caliente se succiona el agua para hacer sifón y se vierte a un recipiente que esté colocado a una altura menor (por ejemplo en una excavación en el terreno).
Desarrollo teórico Como el mismo calentador actúa de depósito, la temperatura del agua descenderá conforme disminuya la radiación solar y por tanto, solo se podrá obtener agua caliente desde media mañana hasta por la tarde.
Si la bandeja tiene una profundidad de 5 cm de agua y suponemos la radiación de 1 cal/cm2sg, se necesitarían 5 min. para elevar un grado la temperatura del agua (2 hora y media para pasar de 20º a 50º). Esto en teoría porque en la práctica como hay pérdidas se necesitaría más tiempo.
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Materiales Para el colector:
Para el montaje:
Listones de madera de 2,5cm x 10cm (3 m)
Pala
Listones de madera de 1,5cm x 3cm (3,25 m)
Martillo
Cola
Sierra
Aislante de fibra de cristal suficiente para cubrir Cuchillo o navaja la base (1m x 0,5m) Lámina de plástico de 1,5m x 1m Prendas de protección personal (guantes) Lámina de plástico negro de 1m x 0,5 m Termómetro Clavos Un tubo flexible de 1-1,5 m Un embudo Un cubo o recipiente similar Un palo o listón de madera de aprox. 1m
Croquis Vista general y corte.
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TIPOS DE CALENTADORES
** Bandeja de madera forrada interiormente por una gruesa hoja de polivinilo negro. Está provista de un tubo de entrada y otro de salida y de una cubierta de vidrio abatible, de doble acristalamiento para evitar condensación de gotas de vapor. Se puede colocar una cubierta de plástico convexa para que las gotitas de agua escurran por los lados. ** Bandeja inclinada con una cubierta de chapa soldada, rodeada de aislante y en una caja de madera con ventana de vidrio. ** Tipo almohadilla de agua, colocado sobre una plataforma de madera o en el tejado. En invierno es necesario colocarle una cubierta de plástico transparente para obtener agua más caliente.
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