Calentador de agua solar
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 23 de julio de 2020; las comprobaciones requieren 14 ediciones .Un calentador de agua solar es un tipo de colector solar . Diseñado para la producción de agua caliente sanitaria mediante la absorción de la radiación solar, su conversión en calor , acumulación y cesión al consumidor.
Historia
El primer calentador de agua solar fue creado en 1767 por el botánico suizo Horace Benedict de Saussure y, debido a su potencia, permitió cocinar sopa .
El tipo moderno de calentadores de agua fue creado en 1953 en Israel por el ingeniero Levi Issar y mejorado por el Dr. Zvi Tavor en 1955 , por lo que recibió 3 años más tarde un premio de 1000 liras israelíes de manos del Primer Ministro del país, David Ben-Gurion [ 1] .
Dispositivo
El calentador de agua solar de colector de vacío, el más eficiente aunque también el más caro, consta de dos elementos principales:
- unidad exterior - colectores solares de vacío;
- unidad interior - depósito-intercambiador de calor.
La unidad exterior consta de tubos de vacío con un revestimiento selectivo aplicado en el interior en varias capas y una capa reflectante. Este recubrimiento es el más importante en el funcionamiento de los colectores solares. La eficacia de un revestimiento selectivo se mide por el coeficiente de absorción (α) de la energía solar, la emisividad relativa (ε) de la radiación térmica de longitud de onda larga y la relación entre la absorbencia y la emisividad (α/ε). Principales tipos de recubrimientos selectivos utilizados para colectores de vacío: Al-N-Al, Al-N/SS/CU
El colector solar de vacío asegura la captación de la radiación solar en cualquier clima, debilitando la dependencia de la temperatura exterior. El coeficiente de absorción de energía de los colectores alcanza el 98%, pero debido a las pérdidas asociadas con la reflexión de la luz por los tubos de vidrio y su transmisión de luz incompleta, es menor.
La eficiencia de los colectores solares como primera aproximación se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
,
donde es el valor calculado de la eficiencia, es la eficiencia nominal (óptica) de la instalación en condiciones normales, es un coeficiente en función del tipo y aislamiento térmico del colector, es la diferencia de temperatura entre el refrigerante y el aire ambiente (gr. C), E es la insolación (W / m2).
Los datos para algunos tipos de colectores se dan a continuación.
| tipo de colector | Eficiencia nominal | Coeficiente |
|---|---|---|
| Colector solar de placa plana | 72-75 | 3-5 |
| Colector solar de vacío con tubos de calor | 60-65 | 0.7-1.1 |
| colector solar de plastico | 50-60 | hasta 80 |
Los colectores solares convierten la luz solar directa y dispersa en calor. La radiación infrarroja que atraviesa las nubes también es absorbida y convertida en calor.
Un depósito intercambiador de calor es un sistema para convertir, mantener y almacenar el calor recibido de la energía solar, así como de otras fuentes de energía (por ejemplo, un calentador tradicional que funciona con electricidad, gas o combustible diesel ), que aseguran el sistema en caso de Energía solar insuficiente. El agua calentada fluye desde el intercambiador de calor de la unidad interior hasta los radiadores del sistema de calefacción , y el agua del depósito se utiliza para el suministro de agua caliente .
Un calentador de gas o eléctrico no debe colocarse paralelo al calentador solar (en este caso calentará agua fría), sino que debe instalarse en serie después del calentador solar. Entonces su aporte al calentamiento será mínimo, ya que solo calentará el agua ya calentada por el sol.
Tipos de calentadores solares de agua
Los calentadores solares de agua pueden ser de tipo activo o pasivo. El sistema activo utiliza una bomba eléctrica para hacer circular el fluido a través del colector ; el sistema pasivo no tiene bomba y depende únicamente de la circulación natural. Hay muestras experimentales donde el refrigerante es bombeado por una bomba Stirling que recibe energía del sol.
Sistemas pasivos
Los sistemas pasivos (termosifón) mueven el agua tratada o el refrigerante a través del sistema debido a la gravedad natural que se produce cuando la diferencia de densidad del refrigerante calentado y enfriado. Los sistemas pasivos con convección son menos costosos que los sistemas activos, pero también menos eficientes debido a la lenta circulación en el sistema. Los sistemas de tuberías de calor son más caros que los sistemas convectivos, pero tienen costos operativos más bajos. Además, los sistemas de tubos de calor permiten que el calor se bombee hacia abajo, es decir, contra las fuerzas de convección. Las características dependen en gran medida del tipo específico de tubería.
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Un ejemplo de un sistema con circulación pasiva del refrigerante (dos circuitos).
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Sistema sin presión con circulación pasiva de refrigerante.
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Un ejemplo de un sistema con circulación activa de refrigerante (con un sistema de recalentamiento de una caldera de combustible convencional).
Sistemas activos
Los sistemas activos utilizan bombas , válvulas y controladores eléctricos para hacer circular el refrigerante a través del colector. Suelen ser más caros que los sistemas pasivos, pero también más eficientes.
Sistemas activos de lazo abiertoLos sistemas activos de circuito abierto utilizan bombas para hacer circular el agua a través de colectores . Los sistemas de circuito abierto activo son populares en regiones con temperaturas positivas o uso estacional. Puede funcionar a temperaturas del aire de hasta -20 °C o -25 °C.
Sistemas activos de circuito cerradoEn estos sistemas, el refrigerante del colector suele ser anticongelante de agua y glicol . Los intercambiadores de calor transfieren calor del refrigerante primario al agua almacenada en tanques (acumuladores de calor). Los sistemas de circuito cerrado son populares en áreas sujetas a temperaturas de congelación prolongadas, ya que tienen una buena protección contra la congelación. Debido a las altas temperaturas durante el estancamiento del refrigerante durante los períodos de máxima exposición, no todos los anticongelantes son adecuados para su uso en sistemas solares.
Con colector de panel
Debido a su confiabilidad y durabilidad, los colectores solares planos han ganado la mayor popularidad. En regiones ricas en luz solar ( Turquía , regiones del sur de China , Arabia Saudita , etc.), se utiliza una placa de aluminio o acero como absorbente en dichos colectores. Los valores de eficiencia de los colectores con un diseño de este tipo son bajos, lo que se compensa con valores altos (excesivos) de irradiancia solar superficial en estas regiones. En el diseño de los colectores solares planos modernos, se utilizan vidrios antirreflectantes con un contenido reducido de hierro, un recubrimiento absorbente de cobre selectivo y un mayor espesor de aislamiento térmico (mínimo 50 mm).
Para los valores de irradiancia solar (insolación), incluso en las regiones del sur de Rusia, se requieren colectores con una placa de cobre con un recubrimiento selectivo especial altamente efectivo. Debido a la alta conductividad térmica del cobre, la transferencia de calor de energía al refrigerante y la eficiencia general de un colector solar plano de cobre son mucho mayores.
Con un colector de vacío
Debido al uso de tubos de calor en el diseño de colectores de vacío, se logra una mayor eficiencia cuando se opera a bajas temperaturas y poca luz. Al mismo tiempo, el uso de un circuito térmico adicional conduce a pérdidas inevitables asociadas con la transferencia de calor entre medios, por lo tanto, a temperaturas superiores a +15 grados, la eficiencia de los colectores de vacío es prácticamente la misma y, a veces, incluso inferior. de colectores de placa plana. El diseño de dos tubos del colector solar de vacío carece de esta desventaja. Debido a los recubrimientos altamente selectivos multicapa de alta calidad y la evacuación, un colector solar moderno puede capturar la energía solar en un espectro de radiación muy amplio (mucho más amplio que el espectro visible).
Hay varios tipos principales de colectores solares de vacío:
- 1. Un matraz en un matraz.
- 2. Matraz en un matraz con un tubo de calor.
- 3. Matraz en matraz con tubo en forma de U.
- 4. Matraz de vacío.
En los colectores del primer tipo, el portador de calor se calienta en contacto con el revestimiento selectivo del bulbo de vidrio. Tanto el agua como el anticongelante (o su mezcla con agua) pueden actuar como refrigerante. Dichos sistemas funcionan en ausencia de un exceso de presión del refrigerante, ya que no pueden impermeabilizarse de manera efectiva. En la mayoría de los casos, estos son sistemas con circulación pasiva del refrigerante.
Matraz en un matraz con un tubo de calorEn colectores que utilizan matraces del segundo tipo, se utilizan tubos de calor de cobre. El calor se transfiere del absorbedor al tubo por medio de nervaduras. El tubo de calor transfiere calor al condensador del tubo de calor, que está conectado a un colector en el que circula el refrigerante.
Matraz en matraz con tubo en UEn los colectores que utilizan matraces del tercer tipo, se utilizan tubos de calor de cobre en forma de U. El calor se transfiere del absorbedor al tubo mediante aletas de aluminio. El refrigerante fluye directamente a través de los tubos de calor.
Matraz de vacíoLa principal diferencia entre los matraces del cuarto tipo es el aislamiento térmico al vacío del tubo de calor de cobre. Si en los matraces del primer y segundo tipo la capa de vacío se encuentra entre las paredes de vidrio de los matraces, entonces en los matraces al vacío tanto el absorbedor como el tubo de calor están a presión de aire reducida. Además, la presencia de una sola capa de vidrio en lugar de dos aumenta la eficiencia de la instalación.
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Matraz en un matraz con un tubo de calor.
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Dispositivo colector de vacío.
Según el dispositivo de transferencia de calor entre el matraz y el refrigerante, se distinguen los siguientes tipos principales de colectores:
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Sistema de dos tubos. El refrigerante circula dentro del matraz. tubo en U.
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Sistema de tubería única. El condensador de tubo de calor se inserta en el tubo colector.
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Sistema de dos tubos. El condensador del tubo de calor se inserta entre los tubos colectores.
Colectores de plástico
La solución más sencilla para la calefacción solar son los colectores solares de plástico . Fabricado en polietileno de alta densidad ( HDPE ) mediante estampación. Dichos colectores, por regla general, no tienen aislamiento térmico adicional y se utilizan para calentar agua en el verano. El rendimiento de los colectores de plástico depende en gran medida de la velocidad del viento. La baja resistencia hidráulica le permite conectar el circuito colector de este tipo directamente al sistema de circulación de agua.
Instalación
Los calentadores de agua solares se instalan en el techo de los edificios en un ángulo con el horizonte igual a la latitud geográfica del área. El ángulo de inclinación durante la instalación depende del ángulo de incidencia de los rayos del sol, al que la superficie debe ser perpendicular. El ángulo de inclinación óptimo en invierno es de 60°, en verano de 30°. En la práctica, se aconseja elegir 45 °. El segundo parámetro es el acimut , que no debe desviarse de 0° (hacia el sur). Esto no siempre es posible, por lo que es aceptable una desviación de la dirección sur de hasta 45 °.
Además, los grupos de calentadores se instalan en espacios abiertos, por ejemplo, encima de los aparcamientos, pero lo más cerca posible del consumidor (edificio).
Debido a que el calentador solar no se puede apagar, en periodos de máxima radiación solar y bajo consumo de agua, la temperatura ( temperatura de estancamiento o temperatura de estancamiento) en el mismo puede alcanzar, según el tipo, los 200 °C (sistemas planos) y 300 °C (sistemas de vacío).
Por lo tanto, las tuberías de plástico (polímero) y las tuberías de acero recubiertas de zinc no se pueden usar como tuberías para calentadores de agua . Deben utilizarse tuberías de cobre o acero inoxidable .
También es necesario proporcionar aislamiento térmico del primer circuito de tubería (caliente) de los calentadores de agua para evitar quemaduras e incendios, y el material del aislamiento térmico y los sujetadores deben cumplir con las condiciones de temperatura especificadas.
Las cajas de colector fabricadas están marcadas con la temperatura de estancamiento exacta para un rango de modelo dado.
La vida útil de los colectores es de al menos 15 años.
Hay intentos de instalar colectores en las paredes de las casas, casi en posición vertical. En este caso, especialmente en latitudes altas, la eficiencia del colector es mayor en los meses de invierno y menor en los meses de verano. Hay otro argumento a favor de una instalación de este tipo: el colector es más cómodo de mantener, acumula menos polvo, es más fácil de lavar y hay menos riesgo de daños por granizo. Además, dicho colector está ubicado bastante bajo en relación con el tanque con agua calentada, la tasa de convección aumenta significativamente y no hay necesidad de un sistema activo. La instalación del colector en la pared reduce la pérdida de calor de la casa (apartamento), lo que reduce la necesidad de energía para calefacción.
Aplicación
Los calentadores solares de agua se utilizan para el suministro de agua caliente doméstica y comercial, el suministro de calor industrial, el calentamiento de agua de piscinas, etc.
La mayor parte de los procesos de producción que utilizan agua caliente y templada (30-90 °C) tienen lugar en las industrias alimentaria y textil, que por lo tanto tienen el mayor potencial para el uso de colectores solares.
Ecología
El funcionamiento de un calentador de agua solar doméstico reduce las emisiones de CO 2 en proporción a la cantidad de combustible ahorrado. Además, en este caso, se reduce el efecto invernadero de las emisiones de dióxido de carbono.
Distribución
El líder mundial en producción y aplicación es China . En 2007, alrededor de 40 millones de familias con un total de 150 millones de personas usaron calentadores solares de agua en China. Para 2009, el área total de calentadores de agua solares instalados había crecido a 140 millones de m². Esto es suficiente para suministrar agua caliente a unos 60 millones de hogares [2] . Para 2020, 300 millones de m² de locales en China estarán equipados con calentadores solares de agua.
En 2010, alrededor de 2800 empresas produjeron calentadores solares de agua en China, de los cuales 1200 empresas produjeron componentes. El mercado total de calentadores solares de agua de China fue de 73.500 millones de yuanes (aproximadamente $11.500 millones) en 2010. Los mayores fabricantes chinos son Sunrain Group, Linuo Group, Himin Solar y Sangle Solar. Las ventas anuales de cada una de las cuatro grandes empresas superan los 2.000 millones de yuanes (aproximadamente 313 millones de dólares) [3] .
Los calentadores de agua también son muy utilizados en Israel , donde aproximadamente el 85% de los apartamentos están equipados con este equipo. . Esto se debe a una ley aprobada en 1976 . y obligando a construir viviendas con calentadores solares de agua incorporados. La excepción es edificios de gran altura (más de 9 pisos), donde el área del techo es insuficiente para acomodar colectores solares suficientes para todos los consumidores del edificio. Este uso generalizado de calentadores de agua solares ahorra alrededor del 8% de toda la electricidad producida en el país.
Véase también
Notas
- ↑ http://my.ynet.co.il/pic/yarok/020908/index.htm (enlace descendente) Carta de agradecimiento de Ben-Gurion (hebreo)
- ↑ Eric Martinot, Actualización de la política de energía renovable de Junfeng para China, 21 de julio de 2010 . Consultado el 22 de julio de 2010. Archivado desde el original el 13 de febrero de 2015.
- ↑ La competencia termosolar de Bärbel Epp se calienta en China 10 de septiembre de 2012 . Fecha de acceso: 13 de septiembre de 2012. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2013.
Literatura
- M. Zgut. Trampas para el sol // Ciencia y vida, editorial Pravda. 1988 No. 6, págs. 87-88
- GV Kazakov Principios de mejora de la arquitectura solar. Dulce, 1990