¿Qué son los sistemas de calefacción solar: tipos y características?

Octubre de 2021 y en general el final de este año estuvo marcado por el hecho de que los precios de la electricidad en España han aumentado significativamente, lo que impulsa a los propietarios a buscar oportunidades adicionales en este ámbito. La energía de la radiación solar es respetuosa con el medio ambiente y además, la transición a la energía solar puede ser económicamente muy beneficiosa.

Posibilidades de las tecnologías modernas

La superficie de la tierra recibe diferentes cantidades de energía solar, todo depende de la ubicación del territorio en relación con el ecuador y la estación. Por ejemplo, en el Ártico hay mucho menos sol que en la parte ecuatorial. Además, la radiación solar es más intensa en verano que en invierno. Al calcular los valores medios, los expertos han determinado que en una hora un metro cuadrado de la superficie terrestre recibe unos 160 vatios de energía solar. Los sistemas modernos se caracterizan por una alta productividad, lo que hace posible utilizar la energía de la radiación solar en casi cualquier lugar.

Para obtener la máxima eficiencia en el uso de energía solar, se utilizan dos métodos:

• Calentamiento directo de colectores de calor. La luz solar directa calienta los colectores de calor, que a su vez transfieren el calor al líquido del circuito de calefacción y del sistema de suministro de agua caliente. Los colectores de calor pueden ser abiertos y cerrados, planos o esféricos. La energía térmica recibida de los colectores se puede utilizar para calentar el medio de trabajo en el sistema de suministro de agua y el portador de calor en el sistema de calefacción.
• El uso de paneles solares. En este caso, la energía solar se convierte en electricidad, que posteriormente se transmite al consumidor a través de un sistema especial.

El desarrollo de soluciones para la captación, almacenamiento y uso de energía solar avanza con bastante rapidez. Sin embargo, hay muchos aspectos positivos y negativos en este ámbito.

Ventajas y desventajas del uso de colectores solares y baterías.

La principal ventaja de utilizar sistemas de calefacción solar es la disponibilidad general. En segundo lugar, está la ausencia de emisiones. La energía solar se considera la forma de energía más ecológica y natural.

Además, el funcionamiento de los colectores y paneles solares es silencioso, y la ubicación en el techo del edificio ahorra espacio utilizable.

El principal inconveniente del uso de energía solar para los consumidores domésticos es la iluminación intermitente. Por ejemplo, por la noche no hay posibilidad de recolectar energía, y en invierno, cuando se requiere mucho calor, las horas de luz son bastante cortas.

Además, es necesario monitorear constantemente la limpieza de los paneles para no reducir la eficiencia. También debe tenerse en cuenta que la depreciación de los equipos, el funcionamiento de la bomba de circulación y la electrónica de control requieren costos constantes.

Colectores solares abiertos

El diseño de colectores solares abiertos se realiza en forma de sistema de tubos, desprotegidos de influencias externas. En el interior de este sistema circula un refrigerante que se calienta directamente de los rayos del sol. Los tubos se fijan sobre el panel de soporte en modo de serpiente o con filas paralelas y salen al ramal. Los tubos se pueden llenar con agua, gas, aire o anticongelante.

El diseño simple y la falta de aislamiento hacen que los colectores abiertos sean asequibles para casi todos los consumidores. Además, los artesanos del hogar tienen la oportunidad de hacer calefacción solar de una casa privada con sus propias manos.

La falta de aislamiento en los tubos del sistema no permite almacenar la energía solar recibida, por lo que dichos sistemas tienen una eficiencia muy baja. Su principal uso es para calentar agua en piscinas y duchas durante el verano. Muy a menudo, los residentes de regiones cálidas y soleadas utilizan colectores de tipo abierto, donde la temperatura del aire y el agua caliente no tienen diferencias significativas. La mayor eficiencia en el trabajo se observó en un clima soleado en ausencia de viento.

Colectores solares tubulares

Se utilizan tubos separados llenos de agua, gas o vapor para ensamblar el colector solar tubular. Este diseño es uno de los tipos de sistemas solares abiertos, pero con un mayor refrigerante, más protegido de los efectos negativos de factores externos. Esto incluye instalaciones de vacío basadas en el principio del termo.

En un colector solar tubular, los tubos están dispuestos en paralelo con conexiones individuales al sistema común. Esto permite reemplazar un tubo averiado por un elemento nuevo sin afectar el funcionamiento de toda la estructura. Además, el sistema se puede montar directamente en el techo del edificio, lo que simplifica enormemente el proceso de instalación.

La principal ventaja del colector solar tubular es la forma cilíndrica de los elementos principales. Gracias a esto, la energía solar se recolecta durante todo el día, y esto no requiere la instalación de dispositivos adicionales que monitoreen el movimiento del sol.

Dependiendo de las características de diseño, los colectores solares se dividen en dos tipos: pluma y coaxial.

Los tubos de tipo coaxial tienen cierto parecido con un termo convencional. Su diseño consta de dos matraces con aire bombeado entre ellos. La superficie del interior de la primera bombilla está recubierta de una sustancia altamente selectiva que es capaz de absorber al máximo la energía solar. Es esta capa la que sirve como una especie de conductor de energía térmica al intercambiador de calor interno, que consta de placas de aluminio. Sin embargo, esta etapa se caracteriza por una gran cantidad de pérdida de calor no deseada.

Los tubos de plumas están hechos de vidrio y tienen una forma cilíndrica; un absorbente de plumas está ubicado dentro del cilindro de vidrio. La ausencia de aire dentro del tubo aumenta significativamente las características de aislamiento térmico. La cantidad de calor transferido desde el absorbedor prácticamente no disminuye, por lo tanto, la eficiencia de dichos colectores es mucho mayor.

La transferencia de calor se realiza mediante un sistema de flujo directo y mediante un termotubo.

Un termotubo es un recipiente sellado, dentro del cual se vierte un líquido que se evapora fácilmente, que se usa con mayor frecuencia como agua a baja presión. Al calentarse desde las paredes internas de un recipiente o un absorbente de plumas, el líquido hierve y sus vapores se elevan hacia arriba. Después de la transferencia de energía térmica al portador de calor del sistema de calefacción o suministro de agua caliente, el vapor se condensa en un líquido que fluye por las paredes.

El sistema directo es un tubo en forma de U con un refrigerante que circula en el interior.

En una mitad del tubo, se ubica un portador de calor frío, a través de la segunda parte, se descarga el líquido calentado. A medida que aumenta la temperatura, el refrigerante se expande y entra al tanque de almacenamiento para asegurar la circulación natural.

La condición principal para la ubicación del termotubo y el sistema de flujo directo es la creación de un cierto ángulo de inclinación, que no debe ser inferior a 20 grados.

Los sistemas más eficientes son del tipo de flujo directo, ya que el refrigerante se calienta directamente en ellos.

Ventajas y desventajas de los sistemas de calefacción.

Como cualquier sistema, los colectores solares tubulares tienen sus lados positivo y negativo. Las ventajas del sistema son las siguientes:

• Ligera pérdida de calor.
• La capacidad de usar a una temperatura del aire suficientemente baja, hasta -30 grados.
• Alta eficiencia durante todo el día.
• Indicadores de alto desempeño en regiones con climas fríos y templados.
• Baja resistencia al viento, que se explica por el hecho de que los sistemas tubulares atraviesan por sí mismos la mayor parte de las masas de aire.
• La capacidad de calentar el refrigerante a alta temperatura.
• Larga vida operativa.

De las deficiencias del sistema, se destacan las siguientes:

• El sistema no es capaz de eliminar la nieve, el hielo y las heladas por sí solo.
• Alto nivel de precios.

En cuanto al alto costo, debe tenerse en cuenta aquí que los colectores tubulares se amortizan en un tiempo bastante corto.

Colectores solares planos de tipo cerrado

La estructura del colector plano es un marco de aluminio con una capa absorbente especial y un revestimiento transparente. También incluye tubería y aislamiento.

La capa absorbente es una lámina de cobre ennegrecido con excelente conductividad térmica, ideal para sistemas solares. El absorbedor absorbe la energía de la radiación solar y la transfiere al refrigerante, que circula por la tubería adyacente.

La parte exterior del panel está protegida en forma de un revestimiento transparente, para cuya fabricación se utilizó vidrio templado, resistente a los daños mecánicos. Esto le permite crear una protección confiable contra el granizo. El ancho de banda de dicho vidrio es de 0,4 a 1,8 micrones, que es suficiente para la máxima radiación solar. El lado interior del panel tiene una buena capa de aislamiento térmico.

Los paneles planos cerrados tienen una serie de ventajas innegables:

• Construcción sencilla.
• Alta eficiencia cuando se usa en regiones cálidas.
• La presencia de un dispositivo para cambiar el ángulo de inclinación del panel, lo que le permite elegir la disposición óptima de la estructura.
• Autolimpiante de heladas y nieve.
• Costo aceptable.
• Los productos de calidad y larga vida útil pueden durar hasta medio siglo.

Si el uso del sistema se ha incluido en el diseño del edificio, se puede obtener un gran beneficio.

De las deficiencias, se llama la atención sobre las siguientes:

• Gran pérdida de calor.
• Bastante gran masa de la estructura.
• Elevada resistencia al viento de los paneles inclinados.
• Bajo rendimiento a cambios de temperatura de hasta 40 grados.

El área de uso de paneles planos cerrados para calentar una casa mediante paneles solares es bastante amplia:

• En verano, los sistemas satisfacen plenamente la demanda de agua caliente.
• Entre temporadas de calefacción, pueden reemplazar los aparatos de calefacción de gas y los calentadores eléctricos.

Características comparativas de algunos tipos de colectores solares.

La principal característica de cualquier colector solar es su rendimiento. La eficiencia del sistema se determina en función de las características de diseño y la diferencia de temperatura. Hay que tener en cuenta que el coste de los colectores planos es mucho menor que el de los sistemas tubulares.

Al elegir un colector solar, debe estudiar cuidadosamente los parámetros de los que dependen la eficiencia del calentamiento solar del agua y la potencia de la estructura.

Los colectores solares tienen una serie de características bastante importantes:

• El coeficiente de adsorción se puede utilizar para determinar la relación entre la energía total y absorbida de la radiación solar.
• La relación entre la cantidad de calor transferido y la energía absorbida está determinada por el factor de emisión.
• La relación entre el área total y de apertura.
• Eficiencia.

El área de apertura debe entenderse como el área de trabajo del colector. Los sistemas de tipo plano se caracterizan por los valores máximos de este indicador. El área de apertura corresponde al área de la capa absorbente.

Cómo se conectan los paneles solares

El diagrama de conexión del colector solar, en el que se acumula energía solar, no se puede utilizar para conectar paneles solares. En este caso, deberá instalar adicionalmente un paquete de baterías costoso. Por lo tanto, debe utilizar otra opción.

La energía de los paneles solares se transfiere a un controlador de carga, que está diseñado para suministrar energía continuamente a las baterías y estabilizar el voltaje. Cuando se suministra electricidad al inversor, la corriente continua se convierte en una corriente alterna monofásica de 220 V.

Recibir una forma universal de energía para calentar una casa del sol hace que los paneles solares sean más rentables, pero no se olvide de la menor eficiencia de este sistema. También hay que tener en cuenta que un colector solar no puede almacenar energía como lo hacen los paneles solares.

Cálculo de potencia

Para utilizar los colectores solares de forma rentable, es importante tener en cuenta las siguientes recomendaciones del fabricante:

• El sistema debe proporcionar solo el 70% del suministro de agua caliente.
• El sistema de calefacción de colectores solares no puede recibir más del 30% de la energía.

Solo en este caso es posible lograr ahorros en los costos de calefacción y agua caliente en casi un 40%.

Al calcular la capacidad del colector para calentar una casa con energía solar, también debe tener en cuenta la ubicación del sistema, el ángulo de inclinación de los paneles y la temperatura media anual en la región.