Termopaneles. Termodinámica Profesor: Dr. Patricio Perez. Universidad de Santiago de Chile Departamento de Física

Transcripción

1 Universidad de Santiago de Chile Departamento de Física Ingeniería Física Termopaneles Termodinámica Profesor: Dr. Patricio Perez Integrantes: Baneza Gaete Gómez Juan Araneda Medina Gabriel Fuentes Ampuero Santiago de Chile - Diciembre 2010

2 1. Resumen El siguiente trabajo fue enfocado en el uso de termopaneles o colectores solares, que aprovechan la energía transmitida por el sol mediante radiación para calentar fluidos. Ademas se describen los diversos termopaneles según el uso que se desea dar, principalmente el uso domestico. Por otro lado se analizaron su ventajas y desventajas, como lo son su simplicidad y larga vida útil; y su alto valor comercial respectivamente. 1

3 Índice 1. Resumen 1 2. Introducción 4 3. Características de la Energía Solar Dispersión Intermitencia Aprovechamiento de la Energía Aprovechamiento Pasivo Aprovechamiento Activo Calentamiento del agua Calentamiento de agua para piscinas Instalación Funcionamiento básico de un sistema solar para calentamiento de piscinas Dimensiones Sistemas para uso domestico Sistema Termosifón Sistema Forzado Sistema Integrado Otras aplicaciones Secadores solares Deshidratación de alimentos Funcionamiento deshidratador solar Costos de inversión, operación y mantenimiento Conclusiones Bibliografia 15 2

4 Índice de figuras 1. Radiación mundial promedio anual kw h/m Colector solar para piscina Esquema básico del sistema de calentamiento de agua para piscina Esquema colector solar plano Sistema Termosifón Esquema Sistema Forzado Esquema Sistema Integrado Secador solar para madera Esquema Sistema deshidratador solar Costos de sistemas térmicos. América central

5 2. Introducción El sol, fuente de vida y origen de las diversas formas de energía que el ser humano ha utilizado desde el inicio de su historia, puede satisfacer prácticamente todas nuestras necesidades, si aprendemos como aprovechar de forma racional su luz. El sol es una estrella formada por diversos gases, principalmente hidrógeno, en condiciones tales que producen, de forma espontanea e ininterrumpida, un proceso de fisión nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energía solar. La energía emitida por el sol llega hasta la tierra en forma de radiación, dicha energía equivale a veces el consumo mundial. El sol se encuentra a unos 150 millones de kilómetros de la Tierra y la radiación que emite tarda algo mas de 8 minutos en alcanzar nuestro planeta, a una velocidad de km s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que solo la mitad de la radiación solar llega a la superficie de la Tierra; la restante se pierde por reflexión y absorción en la capa de aire. La forma mas usual de medir la energía emitida por el sol sobre la superficie terrestre es en kw m 2 horizontal. En la siguiente figura se observa el mapa mundial de radiación solar: de área Figura 1: Radiación mundial promedio anual kw h/m 2. Se observa que en la mayoría de América central recibe una cantidad de 1950 kwh por año, un valor muy m 2 alto si se compara con Europa Central que recibe a penas 1,100 kwh. Es decir la radiación solar depende de m 2 la latitud, a medida que se aleja del ecuador la radiación solar disminuye. El aprovechamiento activo se puede regir bajo dos puntos de vista bien diferenciados: la conversión o aprovechamiento del calor contenido en la radiación solar, y la conversión eléctrica o aprovechamiento de la energía luminosa (fotones), para generar directamente energía eléctrica (efecto fotovoltaico). En este trabajo se discutirá sobre la conversión de la energía térmica emitida por el sol. 4

6 El aprovechamiento térmico del sol era conocido ya por los romanos. Ellos sabían que un cuerpo negro absorbe mas calor que un cuerpo claro, pero fue hasta la crisis del petroleo de los años setenta en siglo pasado, cuando comenzó la difusión masiva de los sistemas solares térmicos. Durante esta crisis energética, en todo el mundo, nacieron empresas que se dedicaban a la fabricación e instalación de colectores solares, pero por falta de experiencia y conocimientos, la mayoría fracaso. Así en esa época, tales empresas se dieron cuenta de que la energía solar térmica, a primera vista, parece una tecnología primitiva y simple, pero requiere especificaciones técnicas con respecto al uso de materiales, pues no cualquiera soporta temperaturas máximas que superen los 150 C. En el pasado no se calcularon los problemas de dilatación de los materiales en cambios de temperatura bruscos, lo que significaba que se rompieran los vidrios de los colectores. Los problemas de corrosión por el contacto directo de diferentes metales era otra polémica que provoco que muchas instalaciones solares no lograran el rendimiento esperado, por lo que la vida útil quedo por muy debajo de lo calculado teóricamente. Sin embargo, en la actualidad en los países desarrollados los productos han alcanzado una buena calidad, con una vida útil de mas de 20 años y con un alto rendimiento. La aplicación de la energía solar térmica que ha tenido un mayor uso y divulgación es el calentamiento de agua para uso domestico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en EEUU hacia finales del siglo XIX. En México, se han estado utilizando y desarrollando desde la década de los 40 s y paises como Japón, Israel, Chipre, Barbados, Grecia o España han instalado varios miles de unidades. El incremento del precio del petroleo favorece aun más la utilización de estos sistemas. En Centroamérica la utilización de termopaneles, es principalmente domestico, piscinas, hospitales y hoteles. 3. Características de la Energía Solar La energía solar presenta dos características muy importantes que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia Dispersión En condiciones favorables, la densidad de la energía del sol apenas alcanza 1kW/m 2, un valor muy por debajo de lo necesario para producir trabajo. Esto significa que para obtener densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de concentración de rayos solares Intermitencia La energía solar no es continua, lo cual hace necesarios sistemas de almacenamiento. 4. Aprovechamiento de la Energía El aprovechamiento de la energía solar se puede llevar a cabo de dos formas: 4.1. Aprovechamiento Pasivo No requiere de ningún dispositivo para captar la energía. Por ejemplo es utilizado en la arquitectura en sistemas de calefacción en climas fríos, a través de grandes ventanales orientados hacia donde el sol emite sus rayos durante la mayor parte del día. Otras aplicaciones son el sacado de productos agrícolas o de ropa. 5

7 4.2. Aprovechamiento Activo Los sistemas activos se basan en la captación de la radiación solar por medio de un elemento denominado colector. El aprovechamiento térmico de la energía solar se divide en tres áreas: Aprovechamiento de baja temperatura (menos de 90 C), aplicado para calentamiento de agua y preparación de alimentos. Aprovechamiento de mediana temperatura(menos de 300 C), aplicado en la industria. Aprovechamiento de alta temperatura (hasta 4000 C), aplicado en la generación de electricidad. En este trabajo se abarcara los sistemas de baja temperatura, básicamente colectores encargados de calentar agua para uso domestico. 5. Calentamiento del agua Esta tecnología incluye el calentamiento de agua por debajo de su punto de ebullición. Existen diferentes diseños y aplicaciones, pero el aprovechamiento térmico de los rayos del sol en su funcionamiento principal siempre es igual: un cuerpo negro (colector) absorbe la radiación térmica en forma de calor. En general los colectores son tubos de metal pintados de negro Calentamiento de agua para piscinas El calentamiento de agua para piscinas constituye una de las aplicaciones de la energía solar mas comunes, por las claras ventajas de economía y sencillez que presenta frente a otros sistemas que utilizan energías convencionales. Dado que los colectores utilizados aquí únicamente deberían ser capaces de mantener temperaturas menores a los 30 C, lo ideal es utilizar plástico sin recubrimiento, los cuales son mucho más económicos que aquellos para calentar agua de uso domestico. Los fabricantes utilizan colectores hechos de plástico negro, resistente a los rayos ultravioleta del sol y las condiciones climáticas. Los tres materiales mas usados son polipropileno, polietileno y etileno propileno (termopolimero elastomero). Los colectores plásticos trabajan con una eficiencia muy alta, en un rango de temperaturas entre C, ya que las perdidas de calor son mínimas, debido a las temperatura bajas de operación. Figura 2: Colector solar para piscina. 6

8 Instalación Los cambios que se deben realizar para adaptar un sistema solar a un circuito existente de una piscina son sencillos. Solamente hay que instalar una válvula de 3 vías y un control termodiferencial despues del filtro que permite el paso del agua automáticamente hacia los colectores en caso de que haya sol (figura 2). Desde estos el agua retorna mas caliente, por medio de tubos de PVC a la piscina. Figura 3: Esquema básico del sistema de calentamiento de agua para piscina Funcionamiento básico de un sistema solar para calentamiento de piscinas Un reloj programable(timer)enciende diariamente, a la misma hora, la bomba de la piscina y la apaga por la tarde. Apenas el sensor de los colectores mide una temperatura un poco mas caliente que la del agua de la piscina, el control termodiferencial da una señal a la válvula de 3 vías para abrir el paso del agua hacia los colectores. Desde éstos el agua retorna mas caliente hacia la piscina. Si la temperatura del sensor mide igual que la del agua de la piscina (normalmente por la tarde), el control manda nuevamente una señal a la válvula para cerrar el paso del agua Dimensiones Con una temperatura promedio de 20 a 22 C (la temperatura del agua de las piscinas esta normalmente entre uno o dos grados por sobre la del ambiente), se requiere un colector entre un 70 % a 100 % del área de la piscina, para aumentar la temperatura del agua en unos cuatro o cinco grados centígrados. Según esto, el costo inicial de un sistema solar depende del tamaño de la piscina. Cuanto mas grande la piscina, mas elevado es el costo inicial del sistema solar Sistemas para uso domestico Los sistemas de uso domestico son una alternativa a los convencionales para calentamiento del agua, como lo son tanques eléctricos, termoduchas o calentadores a gas. Para lograr temperaturas elevadas entre 40 Cy 70 C, se requiere del empleo de colectores planos, que cuenten con un recubrimiento, generalmente de vidrio, 7

9 que provoque un efecto invernadero dentro de ellos. El colector plano tiene cuatro componentes principales. Dentro de un marco de aluminio aislado se encuentra el absorbedor (registro de tubos de cobre, soldados a una lamina delgada de cobre pintado de negro, donde circula el agua), así como un vidrio especial de lata transmisión, sellado a su marco. Para aumentar la eficiencia del absorbedor, se utilizan placas selectivas (aleaciones de varios metales con tratamientos especiales de la superficie). Figura 4: Esquema colector solar plano. Se utilizan, principalmente dos sistemas solares diferentes para uso domestico, termosifón y el forzado. Existe otro denominado integrado, el cual solo es utilizado en zonas tropicales. El funcionamiento básico de todos ellos es el mismo: un colector capta los rayos solares y transmite el calor al agua circulando hacia un tanque de almacenamiento, donde permanece hasta que se requiera su uso. El tanque se encuentra aislado con el fin de reducir las perdidas de calor Sistema Termosifón El sistema de termosifón es muy conocido en climas cálidos, donde no hay peligro de congelación. Por su fácil e independiente funcionamiento (la circulación del agua entre el colector y el tanque ocurre por efecto de la gravedad), es muy popular para casas o viviendas. Su instalación normalmente es sobre el techo y el tanque debe estar ubicado a una altura superior a la del colector. Hace años su desventaja era su estética, pero hoy varios fabricantes han logrado mejorar la apariencia incorporando los componentes en un solo equipo. Funcionamiento termosifón. El colector capta la radiación solar directa y difusa y, por el efecto termosifón, el agua caliente del colector sube hasta el tanque y la mas fría, con mayor densidad, baja al colector para ser calentada. El tanque cuenta con un excelente aislamiento que solo permite perdidas mínimas de calor durante la noche. Opcionalmente se puede instalar una resistencia eléctrica (encendido y apagado automático) para garantizar siempre agua caliente en condiciones climáticas adversas, cuando no haya radiación solar. 8

10 Figura 5: Sistema Termosifón. Dimensiones. El colector básico para una casa consiste en un colector de 2, 1m 2 y un tanque de alrededor de 200lt. Este es capaz de cubrir la necesidades básicas de agua caliente para 4 personas. Su temperatura depende de la radiación solar y del consumo, pero uno termosifón de buena calidad debería ser capaz de elevarse unos 40 C, aunque, durante todo el día, haya una radiación solar difusa Sistema Forzado En este sistema, los colectores solares son instalados sobre el techo, mientras que los tanques de acumulación son instalados en un lugar bajo techo. Esto implica que la circulación del agua este encargada por una bomba de recirculación, que tranporte el agua desde el tanque hasta el colector para ser calentada y viceversa. El sistema forzado resulta mas estético, respecto a la arquitectura, sin embargo requiere mas material y, por lo tanto, el costo es mas elevado. Funcionamiento Sistema Forzado. Un regulador termodiferencial, a través de dos sensores, uno ubicado en la parte mas caliente del colector y otro en la parte mas fría del tanque, enciende la bomba de recirculación (consume 38W atts, menos que una bombilla) apenas se detecta una diferencia de temperatura. La bomba lleva el agua mas fría del tanque hacia el colector, para ser calentada y, en vez caliente, regresa al tanque. Si la temperatura del colector es la misma que la del tanque, el regulador apaga la bomba, normalmente en la tarde. El agua tiene perdidas caloríficas mínimas en el tanque, y se conserva hasta su consumo. 9

11 Figura 6: Esquema Sistema Forzado Sistema Integrado Para lugares en el trópico, donde la temperatura promedio es de 25 C, existe la posibilidad de generara agua caliente a un bajo costo debido a la facilidad de construcción un colector integrado. La gran diferencia entre los colectores tradicionales y el integrado es su construcción. Por un lado, el termosifón cuenta con dos componentes, colector plano y estanque, el forzado consta de tres, colector plano, estanque y bomba hidráulica, mientras que el integrado solamente consta de un componente, el cual cumple la función de absorber calor y almacenar agua caliente. Figura 7: Esquema Sistema Integrado. El sistema integrado tiene un costo significativamente menor que el termosifón y el forzado, pero su mayor problema es la alta perdida de calor durante las horas sin sol, a través del recubrimiento transparente, por falta de un buen aislamiento. 10

12 Funcionamiento Sistema Integrado. En el interior de una caja aislada por sus costados, y en su parte inferior, se instala un cilindro metálico negro que debe recibir la radiación del sol directa, y la reflejada por los lados, los cuales cuentan con papel aluminio reflectante. De esta manera se caliente el agua dentro del recipiente durante las horas del sol y el cobertor térmico transparente reduce las perdida caloríficas al mínimo durante las horas sin sol Otras aplicaciones Secadores solares El secado al aire libre, donde los productos se exponen directamente al sol colocándolos sobre el suelo, es uno de los usos mas antiguos de le energía solar térmica y es, aun, uno de los procedimientos agrícolas mas comunes en el mundo, como en el secado de fardos de pasto y trigo, por ejemplo. Este procedimiento es de costo, pero puede sufrir grandes perjuicios por las lluvias y el ataque de insectos o animales. Para evitar esos problemas y lograr mayores eficiencias, se han desarrollado diferentes sistemas de secado solar, que cuentan principalmente con dos elementos: Colector, donde la radiación calienta el aire Cámara de secado, donde el producto es deshidratado por el aire caliente que circula Los elementos pueden ser diseñados de diferentes formas para integrarse a los equipos de secadores. Existen distintos tipos de diseño, como secadores solares indirectos, (utilizan el calor del sol para secar), secadores solares directos (utilizan la radiación del sol para secar) y mixtos. La combinación del colector y la cámara en una sola unidad puede ser mas económico, en especial en colectores de menor tamaño. Su funcionamiento consiste en que el aire circula dentro del secador con el fin de eiliminar la humedad evaporada del producto. Como se muestra en la figura siguiente: Figura 8: Secador solar para madera. La circulación se logra por conveccion natural o forzada cuando el aire es movido por ventiladores. 11

13 Deshidratación de alimentos La conservación de los alimentos mediante la deshidratación se basa en la disminución de la cantidad de agua que limita la reacciones químicas de degradación posibles, así como el desarrollo de los microorganismos responsable de su deterioro. Un procedimiento sencillo de remoción de agua es hacer circular alrededor de los alimentos aire caliente y seco, por ejemplo, aire a 50 C y 30 % de humedad relativa Funcionamiento deshidratador solar El proceso consiste básicamente en exponer una superficie absorbente, normalmente una placa metálica de color negro, a radiación solar de onda corta. Cuando la placa se calienta comienza a emitir radiación de onda larga, pero la cubierta transparente que la envuelve no permite que esta energía escape lográndose un incremento mayor que la temperatura del aire. Este efecto es similar al que ocurre en el interior de un auto con los vidrios cerrador o un invernadero. El aire caliente es luego empujado por el aire fresco, hacia la zona del producto donde ocurre el proceso de deshidratación. El flujo constante se logra por medio de un ventilador ubicado a la entrada del deshidratador. Figura 9: Esquema Sistema deshidratador solar. Este sistema ofrece un proceso mas eficiente, limpio y seguro que al realizarlo al aire libre, protegiendo el producto de la lluvia y elementos que pudiesen contaminarlo. 6. Costos de inversión, operación y mantenimiento Uno de los principales problemas de los sistemas de termopaneles, es el alto costo monetario inicial en comparación con sistemas convencionales, por ejemplo al comparar un sistemas solar domestico con una termoducha, alimentada eléctricamente, el costo inicial del sistema solar supera en 40 veces el del sistema convencional. Por otro lado la vida útil de un sistema de colectores solares es de años, y su mantención se basa prácticamente en una limpieza anual del estanque y un aseo periódico del vidrio para aumentar la eficiencia, lo cual es relativo dada las condiciones en que se encuentre. La tabla siguiente muestra los costos para diferentes sistemas solares térmicos en la región: 12

14 Figura 10: Costos de sistemas térmicos. América central

15 7. Conclusiones Los termopaneles o colectores solares, se presentan como una opción viable frente al consumo de energías no renovables, principalmente en el uso domestico, por medio de un proceso mas limpio y simple, manteniendo la calidad y eficiencia de los sistemas convencionales, sin embargo, no requieren de mantención continua y la vida útil del sistema supera con creces los de sistemas convencionales, siendo en este aspecto superiores. Por otro lado, su alto costo inicial conlleva a que sea un sistema poco utilizado y muchas veces se tiene poco conocimiento de sus variados usos, por lo que se lleva a la toma de malas decisiones y en consecuencia el sistemas no satisface las necesidades del usuario. 14

16 8. Bibliografia Manuales sobre Energía: Solar Térmica/Biomass Users Network (Bun-CA).-1ed.-San José CR 15