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2010 Energía Solar Térmica Manual técnico para termas solares Autores M. Sc. Ing. Carlos Orbegozo Ing. Roberto Arivilca Green Energy Consultoría y Servicios SRL ©

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1 Proyecto ID 772: Promoviendo mercados locales articulados de energías renovables

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Energía Solar Térmica Manual técnico para termas solares

Autores M. Sc. Ing. Carlos Orbegozo

Ing. Roberto Arivilca

Green Energy Consultoría y Servicios SRL ©

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ENERGIA SOLAR TÉRMICA Manual técnico para termas solares

Módulo Básico

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PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

La publicación del presente documento ha sido posible gracias a la ayuda financiera del Deutscher Entwicklungsdienst (DED). El contenido es responsabilidad exclusiva de GREEN ENERGY y no se debe considerar como opinión del DED. GREEN ENERGY desea que la información existente en el presente documento sirva para el desarrollo profesional de los (las) lectores (lectoras).

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CLÁUSULA DE EXENCIÓN DE RESPONSABILIDAD Mediante el presente documento, GREEN ENERGY pretende difundir conceptos básicos sobre la tecnología de los calentadores (termas) solares de agua y su utilización con respeto al medio ambiente, dentro del contexto social y económico de los países involucrados. Trataremos de corregir los errores que se nos señalen, aplicando el concepto de la mejora continua. No obstante, GREEN ENERGY no asume responsabilidad alguna en relación con el contenido de las siguientes páginas, puesto que:

consiste únicamente en información básica que no aborda circunstancias específicas relativas a los componentes y sistemas analizados;

contiene en algunas ocasiones enlaces a páginas externas sobre las que las actividades de GREEN ENERGY no tienen control alguno y respecto de las cuales declina toda responsabilidad;

no ofrece asesoría profesional o jurídica (si desea efectuar una consulta de este tipo, diríjase siempre a un profesional debidamente calificado).

Pretendemos reducir al mínimo los problemas ocasionados por errores de carácter técnico. Sin embargo, algunos datos o informaciones contenidas en las siguientes páginas pueden haber sido creados o estructurados en archivos o formatos no exentos de errores, por lo que no podemos garantizar que nuestro servicio no quede interrumpido o afectado de cualquier otra forma por tales problemas. GREEN ENERGY no asume responsabilidad alguna respecto de dichos problemas, que puedan resultar de la consulta de las presentes páginas. La presente cláusula de exención de responsabilidad no tiene por objeto limitar la responsabilidad de GREEN ENERGY de forma contraria a lo dispuesto por las normativas nacionales aplicables, ni excluir su responsabilidad en los casos en los que, en virtud de dichas normativas, no pueda excluirse.

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TABLA DE CONTENIDOS 1. PRÓLOGO ................................................................................................................................................ 7

2. GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS ........................................................................................................ 8

3. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 12

3.1 ¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA? .............................................................................................................. 12 3.2 APLICACIONES .............................................................................................................................................. 12 3.3 POSIBILIDADES Y LIMITACIONES ........................................................................................................................ 15

4. EL SOL: RECURSO ENERGÉTICO .............................................................................................................. 16

4.1 FLUCTUACIONES DIARIAS Y ESTACIONALES .......................................................................................................... 16 4.2 RADIACIÓN SOLAR EN UN LUGAR ESPECÍFICO (INCLINACIÓN, ORIENTACIÓN) .............................................................. 17 4.3 SOMBRAS Y REFLEJOS ..................................................................................................................................... 18 4.4 UNIDADES ................................................................................................................................................... 19 4.5 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ......................................................................................................................... 20 4.6 MIDIENDO LA RADIACIÓN TOTAL ...................................................................................................................... 20 4.7 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................ 20

5. ¿COMO OPERA UNA TERMA SOLAR? .................................................................................................... 22

5.1 TERMA SOLAR CON CIRCULACIÓN NATURAL: EFECTO TERMOSIFÓN .......................................................................... 22 5.2 TERMA SOLAR DE CIRCULACIÓN FORZADA........................................................................................................... 22 5.3 EL COLECTOR................................................................................................................................................ 23 5.4 TANQUE DE ALMACENAMIENTO, USO DEL AGUA Y ABASTECIMIENTO DE AGUA CALIENTE .............................................. 29 5.5 CONEXIÓN ENTRE EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO Y EL COLECTOR ....................................................................... 30

6. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UNA TERMA SOLAR ....................................................................... 33

6.1 CÁLCULO DEL CONSUMO DE AGUA CALIENTE Y DEL PATRÓN DE DEMANDA ................................................................ 33 6.2 DISEÑO DE UNA TERMA SOLAR ......................................................................................................................... 33 6.3 TAMAÑO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ..................................................................................................... 34 6.4 EFICIENCIA DE UN SISTEMA.............................................................................................................................. 35 6.5 PÉRDIDA DE CALOR EN UNA TERMA SOLAR.......................................................................................................... 35

7. INSTALACIÓN DE UNA TERMA SOLAR ................................................................................................... 37

7.1 INSTALACIÓN DE UNA TERMA SOLAR ................................................................................................................. 37 7.2 INSPECCIÓN DE UNA TERMA SOLAR INSTALADA .................................................................................................... 38 7.3 MANTENIMIENTO DE UNA TERMA SOLAR (QUÉ HACER Y QUÉ NO HACER) .................................................................. 38 7.4 GUÍA DE SOLUCIÓN DE PROBLEMAS................................................................................................................... 39

8. CONSTRUCCIÓN DE UNA TERMA SOLAR SIMPLE ................................................................................... 42

8.1 DISEÑO DE LA TERMA SOLAR ........................................................................................................................... 42 8.2 TRABAJOS DE PLOMERÍA DE LA RED DEL COLECTOR Y CONEXIÓN DE LAS ALETAS .......................................................... 44 8.3 CONSTRUCCIÓN DE LA CAJA DE MADERA ............................................................................................................ 45 8.4 CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO Y DE LOS CONDUCTOS .............................................................. 47 8.5 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DE SOPORTE ................................................................................................. 50 8.6 INSTALACIÓN DEL COLECTOR Y DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ......................................................................... 51 8.7 INSTALACIÓN DEL COLECTOR............................................................................................................................ 52 8.8 INSTALACIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA ................................................................................... 52 8.9 CONEXIÓN DEL COLECTOR, DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO Y DEL SUMINISTRO DE AGUA ........................................ 53 8.10 LLENADO DEL SISTEMA .............................................................................................................................. 53 8.11 AISLAMIENTO Y FINALIZACIÓN DE LA TERMA SOLAR ......................................................................................... 54

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ANEXOS .......................................................................................................................................................... 56

ANEXO 1: LISTA DE VERIFICACIÓN PARA LA INSPECCIÓN DE TERMAS SOLARES ............................................... 57 ANEXO 2: LEGISLACIÓN Y NORMATIVA Y RENOVABLE ...................................................................................... 61

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Figura 1: Termas solares en un techo

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1. PRÓLOGO

El curso Energía solar térmica ha sido diseñado especialmente para el Proyecto ID/772. En él se tratarán los aspectos teóricos y prácticos básicos de esta tecnología, utilizando un lenguaje sencillo y acompañando cada tema con gráficos, tablas y fotos. El objetivo principal del curso es poner a disposición de los interesados, un conocimiento básico acerca de los fundamentos de la tecnología de los calentadores (termas) solares de agua a través de un enfoque práctico del tema, desarrollando únicamente los puntos más relevantes del aspecto teórico. De este modo, al finalizar el curso, el alumno habrá adquirido un conocimiento básico acerca de la tecnología de estos sistemas, sus posibilidades, restricciones y aplicaciones. A su vez, será capaz de dimensionar, instalar, inspeccionar y dar mantenimiento a calentadores solares de agua. Por último, aprenderá a realizar mediciones y a detectar errores en el sistema. ¿Porqué estudiar la energía solar térmica? El calentamiento de agua mediante energía solar es un sistema que permite el ahorro de dinero, ya que a lo largo de su vida útil, el combustible para que funcione es cero. Además, las termas solares son bastante eficientes en lugares soleados como el Perú. El Estado peruano y la empresa privada están moviendo el mercado para que existan las condiciones necesarias para masificar estos sistemas. Entonces, existe hoy en día una demanda creciente de termas solares y la oferta aún no es suficiente. Sobre todo de tecnología nacional que pueda competir sanamente con tecnología extranjera. Este es un nicho que aún tiene mucho espacio para los fabricantes e instaladores de estos sistemas.

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2. GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS Debido a la gran diversidad de especialidades técnicas que utilizan el presente manual, es necesario comenzar con una lista de definiciones que ayudarán a comprender mejor los términos técnicos utilizados. 1. Aerodinámica: Es la parte de la física que trata el movimiento del aire y los efectos producidos

por su acción en los cuerpos.

2. Aerogenerador (turbina eólica): Dispositivo mediante el cual se puede llevar a cabo la captación de la energía eólica para transformarla en energía eléctrica.

3. Aislamiento térmico: Aquellos materiales de bajo coeficiente de conductividad térmica, cuyo empleo en los sistemas solares tiene por objeto reducir las pérdidas de calor.

4. Ángulo de inclinación del colector: Ángulo menor entre el plano de abertura de un colector solar y el plano horizontal.

5. Área total del colector: Área máxima proyectada del colector completo, excluyendo cualquier medio integral de montaje y de tuberías conectadas para transporte de fluido.

6. Área total de la red colectora (red colectora): Suma total de las áreas colectoras de los colectores individuales.

7. Bombas de circulación: Dispositivo que produce el movimiento forzado de un fluido.

8. Calentador auxiliar: Dispositivo o equipo que suministra calor mediante combustible o energía eléctrica.

9. Capacidad de almacenamiento solar: Cantidad de calor sensible por unidad de volumen que se puede almacenar, por cada grado de cambio de temperatura.

10. Capacidad del dispositivo de almacenamiento: Volumen del fluido en el dispositivo de almacenamiento, medido cuando está lleno.

11. Capacidad de entrega: Volumen de agua caliente que el sistema debe suministrar diariamente para el consumo, en las condiciones de máxima demanda y a la temperatura máxima prevista.

12. Circulación por termosifón o natural: Movimiento del fluido de trabajo a través del sistema de aprovechamiento de energía solar, inducido por la convección libre generada por la diferencia de densidades del agua fría y el agua caliente.

13. Circulación forzada: Movimiento del fluido de trabajo a través del sistema de aprovechamiento de energía solar, inducido por dispositivos externos o auxiliares.

14. Combustibles fósiles: Los combustibles fósiles convencionales son: carbón, petróleo, petróleo diáfano, diesel, combustóleo, gasóleo, gas licuado de petróleo, butano, propano, metano, isobutano, propileno, butileno, gas natural, o cualesquiera de sus combinaciones.

15. Componentes: Partes del sistema solar de calentamiento de agua incluyendo colectores, dispositivo de almacenamiento, bombas, intercambiador de calor, controles, etc.

16. Colector solar; colector solar térmico: Dispositivo que absorbe la energía solar incidente, la convierte en energía térmica y la transfiere al fluido que está en contacto con él. También llamado Calentador Solar.

17. Colector, placa plana: Colector solar no concentrador, en el que la superficie de absorción es esencialmente plana.

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18. Control: Dispositivo de regulación del sistema solar térmico o componente en funcionamiento normal; puede ser manual o automático.

19. Cubierta del colector (colector solar): Material o materiales transparentes (o traslúcidos) que cubren el absorbedor para reducir las pérdidas de calor y proporcionar protección ante la intemperie.

20. Dispositivo de almacenamiento (térmico): Recipiente usado para almacenar energía térmica. Incluye todos los elementos contenidos en él1.

21. Doméstico: Para uso residencial y pequeños edificios comerciales.

22. Energía auxiliar: Energía proporcionada mediante una fuente térmica (calor) auxiliar.

23. Energía solar disponible: Es la cantidad de radiación solar estimada a partir de mediciones hechas en un lugar determinado, como un proceso diario (sobre cada mes) mensual.

24. Fuente térmica (calor) auxiliar: Fuente de energía térmica, diferente a la solar, usada para complementar la salida suministrada por el sistema de energía solar; usualmente en la forma de calor de resistencia eléctrica o energía térmica derivada de la combustión de combustibles fósiles.

25. Fluido: Agua o cualquier otro medio utilizado para el transporte de energía en un sistema de calentamiento de agua con la energía solar.

26. Fuente de calor auxiliar: Fuente de calor, diferente a la solar, usada para complementar la producción suministrada por el sistema de calentamiento solar.

27. Instalador: Se refiere a la persona que realiza la instalación del Sistema y responde por esta acción.

28. Intercambiador de calor: Dispositivo especialmente diseñado para transferir calor entre dos fluidos físicamente separados. Los intercambiadores de calor pueden tener paredes simples o dobles.

29. Manómetro: Dispositivo para medir la diferencia de presión entre un sistema y el medio ambiente.

30. Montaje a ras: Instalación de un colector de modo que queda montado en el mismo plano que la superficie del techo y nivelado de modo que la superficie del colector forme parte de la superficie del techo.

31. Potable: Apropiada para consumo humano; bebible.

32. Presión máxima de operación: Aquella definida por el fabricante como la mayor presión de trabajo para la cual fue diseñado el sistema de calentamiento de agua con energía solar.

33. Radiación solar (energía solar): Radiación emitida por el sol, prácticamente toda la que es incidente en la superficie terrestre en longitudes de onda menores que 3 µm; a menudo llamada radiación de onda corta.

34. Sistema: Se refiere al Sistema de Calentamiento de Agua con Energía Solar.

35. Sistema abierto: Sistema en que el fluido de transferencia de calor está en contacto permanente con la atmósfera.

36. Sistema cerrado; sistema sellado; sistema sin ventilación: Sistema en que el fluido de transferencia de calor no está en contacto con la atmósfera.

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El fluido de transferencia y accesorios tales como intercambiadores de calor, dispositivos de conmutación de flujo, válvulas

y desviadores, firmemente fijos al o los recipientes de almacenamiento térmico, se consideran parte del dispositivo de almacenamiento.

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37. Sistema circulante: Sistema en que el fluido de transferencia de calor circula entre el colector y el dispositivo acumulador o el intercambiador de calor durante los períodos de funcionamiento2.

38. Sistema con almacenamiento cerrado – acoplado: Sistema en que el dispositivo acumulador está montado directamente adyacente al colector.

39. Sistema conectado en serie: Sistema de calentamiento solar en que el fluido a calentar pasa directamente desde un punto de suministro a través del colector a un dispositivo acumulador, o a un calentador que emplea una fuente de calor auxiliar, o a un punto de uso.

40. Sistema convencional de calentamiento de agua: Equipo que se utiliza para calentar agua, mediante la utilización de combustibles fósiles o electricidad.

41. Sistema de alivio de presión: Dispositivo de acción pasiva o activa que protege al sistema de calentamiento de agua, de incrementos de presión que pudiesen comprometer su integridad física u operacional.

42. Sistema de alivio de temperatura: Dispositivo de acción pasiva o activa que protege al sistema de calentamiento de agua, de incrementos de temperatura que pudiesen comprometer su integridad física u operacional.

43. Sistema de calentamiento de agua por medio del aprovechamiento de la energía solar: Conjunto formado por el colector(es) solar(es), el termotanque o sistema de acumulación de agua caliente, tuberías, accesorios, así como todos y cada uno de los componentes que permiten el aprovechamiento de la radiación electromagnética emitida por el sol para el calentamiento de agua.

44. Sistema de circulación forzada: Sistema que utiliza una bomba para hacer circular el fluido de transferencia de calor a través del (de los) colector (es).

45. Sistema de drenado: Tapón o válvula que se utiliza para permitir la salida de los sedimentos o partículas sólidas contenidas en el agua, de modo que se evite su acumulación.

46. Sistema de precalentamiento solar: Sistema de calentamiento solar para precalentar agua o aire, previo a su entrada dentro de cualquier otro tipo de calentador de agua o aire.

47. Sistema directo: Sistema de calentamiento solar en que el agua calentada para consumo final o circulado al usuario, pasa directamente a través del colector.

48. Sistema indirecto: Sistema de calentamiento solar en que un fluido de transferencia de calor, diferente del agua para consumo, pasa directamente a través del colector.

49. Sistema solamente solar: Sistema de calentamiento solar sin ninguna fuente de calor auxiliar.

50. Sistema solar más suplementario: Sistema de calentamiento solar que utiliza en forma integrada ambas fuentes de energía, solar y auxiliar, y que es capaz de proporcionar un servicio de calentamiento específico, independiente de la disponibilidad de energía solar.

51. Sistema termosifón: Sistema que utiliza sólo los cambios de densidad del fluido de transferencia de calor, para lograr la circulación entre el colector y el dispositivo acumulador o el colector y el intercambiador de calor.

52. Sistema ventilado: Sistema en que el contacto entre el fluido de transferencia de calor y la atmósfera está restringido a la superficie libre de una cisterna de alimentación y expansión o solamente a una tubería abierta ventilada.

53. Temperatura, aire ambiente: Temperatura del aire alrededor de un dispositivo de almacenamiento de energía térmica o colectores solares.

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La circulación se lleva a cabo mediante una bomba, o mediante convección natural.

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54. Temperatura de entrada del fluido: Temperatura a la entrada del colector.

55. Transporte de fluidos: Transferencia de aire, agua u otro fluido entre componentes del sistema.

56. Temperatura de salida del fluido: Temperatura a la salida del colector.

57. Termotanque o sistema de acumulación de agua caliente: Depósito en el que se almacena el fluido calentado mediante el aprovechamiento de la energía solar y que se utiliza para conservar su temperatura con las menores pérdidas térmicas posibles.

Fuente: Norma Técnica Peruana NTP 399.482-2007, Sistemas de calentamiento de agua con energía solar: Procedimientos para su instalación eficiente.

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3. INTRODUCCIÓN 3.1 ¿Qué es la energía solar térmica? En forma directa o indirecta, el trabajo diario de complejos y elegantes colectores solares, como son las hojas de las plantas y árboles, nos proporciona alimento y produce combustible para que millones de hogares en el mundo entero puedan cocinar, al igual que ha creado todas nuestras reservas de combustibles fósiles en el pasado. En el presente manual estudiaremos la generación de calor a partir de la energía solar, aprovechando la radiación infrarroja. En el método de conversión a calor, la luz solar es absorbida por una superficie de color negro, que por ende se calienta. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de conversión de la energía solar térmica. 3.2 Aplicaciones En el caso de la energía solar térmica, la radiación solar es convertida directamente en calor y puede ser empleada para el calentamiento de agua, aire u otros elementos. Las aplicaciones más conocidas son:

– Destiladores solares de agua – Secadores solares – Termas solares

3.2.1 Destilador solar de agua El destilador solar de agua purifica el agua evaporándola y luego condensándola. El destilador no contiene sales, minerales ni impurezas orgánicas. El agua obtenida puede ser utilizada tanto para consumo directo, en hospitales, como agua para baterías, entre otros. Se aconseja su uso en áreas en los lugares donde haya abundante agua contaminada o salobre y, naturalmente, donde haya abundante sol. Por último, los materiales básicos, es decir, el vidrio o las láminas transparentes y resistentes a los rayos ultravioletas, deberán obtenerse fácilmente y tener un costo moderado. Como parámetro base, un destilador solar razonablemente funcional produce cuatro litros diarios de agua destilada por metro cuadrado de superficie útil. Las principales características operativas son las mismas para todos los destiladores solares. A continuación encontrará la descripción de cómo opera un destilador.

Figura 2: Ejemplo de destilador solar de agua

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El agua que será destilada es colocada en un recipiente dentro de una caja con cubierta inclinada de vidrio. El agua ingresa al destilador solar a través de la entrada. La radiación solar penetra a través de la cubierta de vidrio y calienta el fondo del recipiente, es decir, la radiación solar es absorbida al igual que el calor, por la superficie negra ubicada bajo el agua almacenada. El agua sobre la superficie es calentada por el sol y convertida en vapor de agua. El vapor se condensa en la cubierta de vidrio, cuya temperatura es baja debido al contacto con el ambiente. El agua condensada baja por el vidrio hasta un canal que va al tanque de almacenamiento. Todo el destilador deberá ser lo más hermético posible para evitar pérdidas de vapor. De la descripción se deduce fácilmente que un destilador con esas características puede ser construido en forma artesanal. Cualquier mecánico o carpintero con experiencia podría construirlo. 3.2.2 Secador solar Todos los secadores solares cuentan con los mismos componentes básicos:

a) Una cubierta transparente que permita el paso de la luz solar y limite las pérdidas de calor (vidrio o plástico)

b) Una superficie absorbente, de color oscuro, que recoge la luz solar y la convierte en calor, para luego liberarlo en forma de aire. El aire caliente absorbe más agua que el frío, de modo que el aire caliente y seco es llevado a través del producto que se quiere secar

c) Una capa de aislamiento por debajo d) Una entrada y una salida de aire, a través de las cuales el aire húmedo puede ser reemplazado

por aire fresco y más seco. Los secadores solares pueden ser de dos clases:

1) Secadores en las que la luz solar se utiliza directamente. En este tipo de secadores, la absorción de calor la realiza principalmente el producto mismo.

Figura 3: Secador solar, empleado directamente

Fuente: www.alternative-technology.de

2) Secadores en las que la luz solar se utiliza indirectamente. En este tipo de secadores, el aire de

secado se calienta en un espacio distinto de donde se coloca el producto. Los productos no son expuestos directamente a la luz solar.

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Figura 4: Secador solar, empleado indirectamente

Fuente: www.terra.org

A continuación detallamos cómo opera una secadora. El aire recorre la secadora por convección natural (en el Capítulo 5 se describe el principio de convección natural para el caso del agua, sin embargo, el principio básico es el mismo en este caso). El aire se calienta al pasar por el colector, y luego se enfría parcialmente mientras recoge la humedad del producto que se va a secar. El producto es calentado tanto por el aire caliente como por la luz solar directa. El aire de escape sale a través de la chimenea ubicada en la parte superior de la cámara de secado. 3.2.2 Terma solar Una terma solar consta de uno o más colectores, así como de un tanque de almacenamiento aislado; está diseñada para ser utilizada en casas, hospitales, lavanderías, etc. El mecanismo de operación de una terma solar es el siguiente: La luz solar es absorbida por una superficie de color negro cubierta por láminas de vidrio, que por ende se calientan. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, éstos también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de una terma solar. El sistema de una terma solar está formado básicamente por un colector plano y un tanque de almacenamiento de agua. La Figura 5 ilustra el diseño más simple para una terma solar.

Figura 5: Vista general de las partes principales de una terma solar

Fuente: Elaboración propia

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3.3 Posibilidades y limitaciones La fuente de energía, es decir, la radiación solar, no cuesta; sin embargo, el equipo necesario para poder aprovechar los rayos solares puede ser caro, y, por lo general, requiere mantenimiento. Además, el usuario deberá tener nociones básicas sobre su funcionamiento. Una de las características de las termas solares es que las hay de distintos grados de perfección y con un amplio rango de costos y tamaños. La tabla 1 presenta un listado de ventajas y desventajas del uso de termas solares.

Cuadro 1: Ventajas y desventajas del uso de una terma solar

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Apropiadas para la producción local

Bajo costo operativo

Bajo costo de mantenimiento

(Relativamente) altos costos de

inversión

Salida del agua dependiendo de la radiación solar

Necesidad de personal técnico para su instalación

Necesidad de materiales de construcción de alta calidad

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4. EL SOL: RECURSO ENERGÉTICO Para determinar las dimensiones de un colector solar, usualmente no es necesario medir la radiación solar porque los valores promedios se conocen para muchos de los lugares sobre la Tierra. Los valores promedios pueden usarse y esto es suficientemente exacto para los estudios de factibilidad. Sólo se deben considerar mediciones in situ cuando se realizan estudios de factibilidad para sistemas muy grandes que demandan grandes inversiones. En el Perú tenemos ya un Atlas Solar, el cual nos da una primera aproximación de los lugares donde la radiación solar se puede aplicar. Para acceder a este Atlas, el enlace (link) es: http://dger.minem.gob.pe/atlassolar En esta sección aprenderemos a medir la radiación solar y a comprender las mediciones realizadas por terceros, ya que es lo primero que debemos hacer antes de dimensionar o instalar un sistema solar térmico. 4.1 Fluctuaciones diarias y estacionales Además de las variaciones de un lugar a otro, también las hay de una estación a otra (ver Figura 8). Las fluctuaciones estacionales para el Perú están registradas en un cuadro que muestra la radiación solar mensual. De este cuadro se puede concluir que la radiación para Tumbes varía de 3.0 kWh/m2-día en julio a 5.1 kWh/m2-día en marzo (ver Cuadro 2)

Figura 6: Fluctuaciones estacionales del sol

Las fluctuaciones estacionales son un problema común a muchas de las fuentes de energías renovables (es por ello que en ocasiones son llamadas fuentes intermitentes); y constituyen además una de sus mayores limitaciones. Por esta razón, es necesario usar algún tipo de almacenamiento. El almacenar energía siempre resulta costoso y disminuye la eficiencia del sistema. En lo posible, deberá evitarse almacenar energía y, en otras circunstancias, debería minimizarse su uso. Almacenar calor por un corto tiempo (por unas horas o por un par de días) es posible utilizando un buen tanque de almacenamiento. Los tanques de almacenamiento y el aislamiento son descritos en detalle más adelante. Por lo tanto, las fluctuaciones diarias pueden ser manejadas si se cuenta con un tanque. La mayor cantidad de energía es recibida sólo durante unas pocas horas, poco antes y después del mediodía. Por lo general, la demanda de calor tiene lugar durante la tarde o la noche, cuando el sol ya se ha ocultado. En estaciones de lluvia, puede haber una ausencia prolongada de sol. En caso de que sea necesario contar con suministro continuo de calor, se deberá aumentar tanto la capacidad del tanque como el tamaño de los colectores solares. Normalmente el sistema debería estar diseñado de manera que se pueda cubrir tranquilamente un día sin luz solar. Por otro lado, no es posible almacenar calor por un período más largo (dos /tres días) porque el almacenamiento óptimo y, otras opciones son muy costosas. Por lo tanto, en algunas ocasiones se utiliza otra solución para nivelar fluctuaciones estacionales; por ejemplo, un calentador eléctrico.

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Cuadro 2: Estimación de la media mensual de la radiación solar diaria del Perú

LAT. ALT. MEDIA ANUAL

Gra. m ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC kWh/m2

Tumbes Tumbes Corales 3.6 85 4.6 4.9 5.1 4.9 4.5 4.1 3.0 3.9 4.2 4.2 4.6 4.9 4.5

Piura Talara El Alto 4.3 270 4.5 4.6 4.5 4.1 3.9 3.4 3.5 3.6 3.9 3.9 4.0 4.4 4.0

Piura Huancabamba Huancabamba 5.2 57 4.6 4.8 4.5 4.7 4.4 4.2 4.4 5.0 5.1 4.9 4.4 4.9 4.7

Lambayeque Lambayeque Lambayeque 6.7 10 5.4 5.4 5.2 5.0 4.6 3.9 3.8 4.3 4.9 5.1 5.3 5.3 4.9

Lambayeque Chiclayo Cayalti 7.1 150 5.9 5.9 5.5 5.5 5.0 4.4 4.5 4.9 5.6 5.8 6.1 6.2 5.5

La Libertad Ascope Casagrande 7.7 150 4.8 5.1 4.7 4.5 4.5 3.4 3.3 4.1 4.1 4.7 4.9 5.1 4.4

La Libertad Ascope Cartavio 7.9 51 5.0 6.1 5.0 4.7 4.8 3.8 3.6 4.4 4.3 4.9 5.3 5.5 4.8

Ancash Santa Nepena 9.2 203 5.5 6.4 5.9 5.3 5.5 3.5 3.7 4.6 4.5 5.6 5.7 5.7 5.2

Ancash Huaraz Huaraz 9.5 30 5.2 5.0 5.0 5.1 4.9 4.7 4.9 5.3 5.4 5.4 5.5 5.2 5.1

Lima Barranca Paramonga 10.7 15 5.3 4.4 5.1 4.7 2.7 1.9 2.3 2.1 2.7 4.3 4.9 5.5 3.0

Lima Lima Jesus Maria 12.1 10 5.5 5.3 5.2 5.0 5.6 2.3 2.0 2.2 2.4 3.3 4.0 4.8 3.8

Lima Lima La Molina 12.1 150 4.3 4.9 4.2 4.3 3.7 2.2 2.0 2.0 2.2 2.8 3.3 4.2 3.4

Ica Chincha Chincha Alta 13.4 94 5.3 4.7 4.9 5.0 3.5 2.7 2.6 3.2 3.9 4.8 5.6 4.9 4.2

Ica Inca Caucato 13.7 35 5.8 5.7 5.8 5.0 4.3 3.2 3.2 3.6 4.8 5.1 5.1 5.5 4.8

Ica Nazca Marcona 15.1 620 5.4 5.1 5.2 4.9 4.3 3.8 3.8 4.4 5.1 5.8 5.8 5.7 4.9

Arequipa Arequipa Arequipa 16.3 2150 5.4 5.1 5.0 5.2 4.5 4.4 4.5 5.1 5.7 6.1 6.5 6.2 5.3

Arequipa Arequipa Characato 16.4 2451 5.2 5.0 5.2 5.1 4.6 4.4 4.6 5.2 5.7 6.6 6.5 5.9 5.3

Arequipa Arequipa Pampa de Majes 16.5 140 5.8 5.5 5.7 5.4 4.7 4.5 4.8 5.3 5.0 6.7 6.6 6.4 5.6

Hoquegua Mariscal Nieto Moquegua 17.2 1412 5.5 5.2 5.8 5.2 4.6 4.3 4.4 4.8 5.7 6.4 6.6 6.3 5.4

Tacha Tarata Paucarani 17.5 4541 5.1 5.3 5.0 5.8 4.8 4.7 4.8 5.5 5.8 6.2 6.1 5.6 5.4

Tacha Tacna Cajana 17.9 875 5.6 5.5 5.2 4.8 4.2 3.8 4.0 4.4 4.9 5.7 6.0 5.9 5.0

Cajamarca Cajamarca Cajamarca 7.1 2640 4.5 4.4 4.3 4.2 4.2 4.1 4.8 4.5 4.4 4.6 4.9 4.7 4.5

Huanuco Leoncio Prado Tingo Maria 9.1 640 3.8 3.9 3.8 3.8 3.7 3.6 3.9 4.6 4.5 4.5 4.2 3.9 4.0

Huanuco Huanuco Huanuco 9.9 1895 4.5 4.3 4.4 4.4 4.3 4.2 4.4 4.7 4.7 4.9 4.9 4.7 4.5

Junin Chanchamayo Humaya 1.1 5.1 5.3 5.3 4.7 4.6 3.5 3.6 4.3 4.2 5.0 4.9 5.3 4.7

Junin Huanuco Huachac 12.0 1150 5.0 4.9 4.7 4.7 4.6 4.4 4.5 4.8 4.9 5.3 5.4 5.2 4.9

Huancavelica Castrovirreyna Aconococha 13.1 4520 4.9 3.7 4.1 4.3 4.2 4.6 4.3 4.6 4.9 4.9 5.2 4.9 4.8

Ayacucho Huamanga Ayacucho 13.2 2760 5.1 5.1 4.7 4.7 4.5 4.2 4.2 4.7 5.0 5.4 5.7 5.3 4.9

Apurinac Abancay Abancay 13.6 2378 4.8 4.7 4.7 4.6 4.4 4.2 4.2 4.7 5.0 5.5 5.4 5.0 4.7

Cuzco La Convencion Santa Ana 12.9 920 4.0 4.0 4.0 3.8 3.9 3.8 3.9 4.0 4.1 4.3 4.3 4.9 4.0

Cuzco Cuzco San Jeronimo 13.6 320 4.6 4.6 4.6 4.6 4.4 4.3 4.4 4.6 4.9 5.2 5.2 4.8 4.7

Puno Puno Duno 15.8 3875 5.1 5.2 5.1 5.1 4.6 4.4 4.6 5.0 5.5 6.0 6.0 5.6 5.2

Amazonas Bagua Had Valor 5.7 421 4.1 4.2 4.4 4.4 4.1 4.2 4.1 4.6 4.8 4.9 5.3 4.8 4.5

San Martin San Martin Juan Guerra 6.6 30 3.9 4.0 3.8 3.4 3.7 3.6 3.9 4.2 4.2 4.3 4.2 4.1 4.0

Loreto Maynas Iquitos 3.8 125 3.4 3.7 3.5 3.7 3.0 3.1 3.7 4.2 4.7 3.8 4.2 3.8 3.7

Loreto Requera Requena 5.0 180 3.9 4.0 3.7 3.5 3.4 3.4 3.7 4.2 4.3 4.4 4.2 3.8 3.9

Ucayali Padre Abad Padre Abad 8.5 270 4.0 3.9 3.8 3.5 3.7 3.5 4.0 4.6 4.6 4.5 4.2 4.1 4.0

Ucayali Atalaya Yurac-Yurua 9.0 -1 2.5 2.6 2.7 2.7 2.7 3.0 3.3 3.8 4.0 3.5 3.4 3.2 3.1

Madre de Dios Tahuamanu Iberia 1.4 150 3.7 3.7 3.7 3.7 3.5 3.5 3.8 4.3 4.3 4.1 4.2 3.9 3.9

Estos datos son calculados en base a mediciones de horas de sol, horas por dia, usando la formula de Angstromg.

DEPARTAMENTO PROVINCIA DISTRITO

Es una adaptación de la fuente original, Vasques, J.W. & Lloyd, P, Estimacion de la energia solar en el Peru en Revista Energetica, OLADE, ANO 11 No 1, abril de 1987.

IRRADIACION DIARIA MEDIA MENSUAL EN KWh/m2

4.2 Radiación solar en un lugar específico (inclinación, orientación) Tome en cuenta que las cifras utilizadas en la sección anterior dan cantidades de energía por m2 en una superficie horizontal. Muchos de los colectores solares están inclinados para captar mayor radiación solar. La cantidad óptima de energía se capta cuando el colector está inclinado en el mismo ángulo que el de latitud. Este debería ser de por lo menos 15o para asegurar que el agua de las lluvias drene fácilmente, lavando el polvo al mismo tiempo. A latitudes mayores (> 30o N ó S), los colectores están más inclinados sobre el ángulo de latitud para tratar de nivelar fluctuaciones por estaciones. Si los colectores solares están inclinados para optimizar la recolección de energía, o si circunstancias locales rigen cuál debe ser el ángulo óptimo, entonces la radiación promedio recibida deberá ser corregida utilizando un factor de inclinación.

Cuadro 3: Factores de inclinación determinados para el Perú

Latitud Factores de inclinación

15º 20º 25º 30º 35º 40º

0 - 5º 0.99 0.97 0.94 0.92 0.88 0.84

5 - 10º 1.01 1.00 0.98 0.96 0.93 0.89

10 - 15º 1.03 1.02 1.02 1.00 0.98 0.96

15 - 20º 1.06 1.07 1.06 1.05 1.04 1.02

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Proyecto ID 772: Promoviendo mercados locales articulados de energías renovables

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Ejemplo: Para un lugar en el norte del Perú (latitud 0 - 5o), el factor de inclinación para un sistema de calentadores solares de agua orientados hacia el norte a un ángulo de 15° N es de 0.99 o menor. Esto es debido a que el ángulo óptimo sería de 5°. Pero para evitar que el polvo se asiente y para permitir un adecuado drenaje del agua, el ángulo mínimo deberá ser de 15°.

Por lo tanto, la energía real recibida en el lugar sobre los colectores debe ser 0.99 veces la radiación sobre la superficie horizontal. Para otros ángulos de inclinación y lugares, el factor de inclinación puede diferir sustancialmente de 1, desempeñando un papel importante en la determinación del tamaño y optimización del sistema.

Tome en cuenta que en este cuadro se supone que los colectores están mirando hacia la dirección correcta. Esto significa que en nuestro hemisferio (Sur), los colectores están mirando exactamente hacia el norte. Si éste no es el caso, uno debe utilizar factores de corrección similares a los de desviación de ángulo de inclinación óptimo. Se pueden utilizar compases o mapas de la ciudad para determinar la orientación correcta. Hay circunstancias locales que impiden la correcta colocación de los colectores. Por ejemplo, los colectores deben acoplarse sobre un techo que no tiene la inclinación adecuada y que no está mirando exactamente al sol. En países cercanos al ecuador, las consecuencias de desviaciones de la inclinación óptima son poco importantes. El ángulo de inclinación es pequeño, así que los colectores solares normales (normal =

línea haciendo ángulo de 90o con el colector) nunca se desvían mucho del ángulo promedio de incidencia sobre la radiación solar (que está cercana a la normal sobre la superficie de la tierra). Aún así, de ser posible, es mejor dejar que los colectores miren al sol. 4.3 Sombras y reflejos En lo posible, deben evitarse las sombras. Pero, cuál es exactamente la influencia de un pequeño árbol al Este del colector solar, de un edificio alto a 100 metros o de una pared detrás de los colectores solares. Cualquier sombra tiene una influencia negativa sobre el rendimiento de un

sistema solar. Así que, aún un árbol pequeño (además del hecho de que muchos de los árboles pequeños eventualmente se convierten en árboles grandes) puede tener una influencia sustancial sobre el rendimiento si está justo en el lugar equivocado. Como regla, la influencia de objetos en los alrededores puede olvidarse cuando el ángulo de la línea, desde el colector solar hasta la cima del objeto, con la horizontal, es menor a 20°. Otro efecto, frecuentemente olvidado, es el de los reflejos de la radiación solar desde la superficie de la tierra u objetos en los alrededores. Diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de reflexión. Por ejemplo, un edificio blanco refleja casi toda la radiación. Un edificio oscuro absorbe mucha radiación. El césped o los árboles reflejan parte de la radiación, mientras que la tierra oscura absorbe mucho más.

Figura 7: Sistema solar y algunos obstáculos bajos

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Si uno tiene la oportunidad de escoger el color de las paredes en el vecindario directamente relacionado con un sistema solar, es aconsejable escoger el blanco. De lo contrario, si uno tiene la oportunidad de escoger el lugar, se puede tomar en consideración este reflejo. Bajo ciertas circunstancias, la reflexión puede ser de un 10% del total de la radiación o más, así que sí vale la pena (vea la Figura 8)

Figura 8: Radiación directa indirecta

4.4 Unidades La radiación solar, la potencia solar, así como muchas otras variables pueden ser expresadas utilizando cualquier tipo de unidad. A pesar de muchos acuerdos para lograr una estandarización, aún se utiliza una gran diversidad de unidades. El siguiente cuadro presenta un panorama general de las unidades más utilizadas y sus factores de conversión.

Cuadro 2: Unidades más utilizadas y sus factores de conversión

UNIDAD EXPLICACIÓN CONVERSIÓN

Potencia Solar W KW W/m2

Watt Kilowatt (1000 W) Watt por metro cuadrado

- - -

Energía solar KWh/m2/día kJ/cm2 MJ/m2 KCal/cm2 Btu/ft2 Langley

kWh por metro cuadrado por día kJ por centímetro cuadrado MJ por metro cuadrado 1000 Calorías por centímetro cuadrado Unidades termales Británicas por pie cuadrado Caloría por centímetro cuadrado

A kWh/m2 1 2.778 0.2778 11.67 0.0428 0.0116

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Fuente

: vppx134.v

p.e

hu.e

s

Fuente:

ww

w.u

fpel.tc

he.b

r

Figura 9: Modelos de piranómetro

Fuente:

ww

w.a

rquim

edes.tv

4.5 Instrumentos de medición El instrumento que sirve para medir la energía solar es el solarímetro. Básicamente hay dos tipos de solarímetros: el piranómetro y el medidor fotovoltaico. Ambos tipos miden la radiación solar tanto directa como indirecta (difusa). El piranómetro posee una pequeña plancha de metal negro en su interior, con una termocupla unida a ella. Esta plancha negra se calienta al sol y con la termocupla, el aumento de temperatura se puede medir. La plancha y la termocupla están cubiertas y aisladas por una cúpula de vidrio. La salida de la termocupla es medida para la radiación instantánea total en un momento dado. El medidor fotovoltaico no es nada más que una pequeña célula fotovoltaica que genera electricidad. La cantidad de electricidad es medida para conocer la radiación instantánea. Estos medidores son mucho más económicos que los piranómetros pero menos exactos.

Figura 10: El medidor fotovoltaico

4.6 Midiendo la radiación total La radiación instantánea es útil para determinar el comportamiento de una instalación en cierto momento. Por ejemplo, al término de una inspección. La mayor parte del tiempo sin embargo, uno está más interesado en la radiación durante un período más largo; por día, por mes o por año. Especialmente si uno desea monitorear el comportamiento de un sistema en detalle, entonces será necesario medir la entrada y salida del sistema por un período más largo (varios meses, un año). Sólo en esa forma los disturbios o problemas a corto plazo pueden reglamentarse y hacerse evaluaciones más exactas del comportamiento. Una ventaja de los medidores fotovoltaicos es que también están disponibles con un integrador, para que la radiación total diaria u horaria pueda ser medida sin dificultad. Si se utilizan los piranómetros, esto no puede realizarse automáticamente. Si la insolación total por hora o por día es requerida, tendrán que utilizarse los data loggers (acumuladores de datos) para almacenar las mediciones instantáneas. NOTA: ¡En un estudio de medición del recurso sol, la radiación solar debe medirse bajo el mismo ángulo en que están colocados los módulos! 4.7 Conclusiones Para determinar y usar la radiación solar de manera óptima deben seguirse los siguientes pasos:

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a) Calcular el promedio diario de radiación en el lugar, utilizando los mapas o altas de radiación

solar del mundo o, mejor aún, los datos de radiación de una estación meteorológica cercana. Para sistemas solares costosos o a gran escala, la radiación debería medirse preferentemente, por varios años.

b) Determinar el ángulo de inclinación óptimo y la orientación para el lugar:

a. Inclinación = latitud, o b. Inclinación = latitud + 5o para optimización, orientación norte

Angulo mínimo de inclinación: 15° (para que la lluvia y el polvo no se estanquen en el módulo)

c) Calcular la influencia de sombras y reflejos. Si es necesario corregir el rendimiento de los

módulos o buscar una mejor ubicación.

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5. ¿COMO OPERA UNA TERMA SOLAR? Tal como figura en la sección 3.2.2, una terma solar consta principalmente de un colector y un tanque de almacenamiento de agua (vea la Figura 11). A continuación detallamos el principio de circulación natural del agua en el sistema. 5.1 Terma solar con circulación natural: Efecto termosifón La Figura 11 describe el principio de circulación natural en una terma solar. Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos (ver 1). El agua se calienta y sube por el conducto superior (vea 2) hacia el tanque de almacenamiento (vea 3). El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito. Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior (ver 4). Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se genera una circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar, cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema, éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º C. 5.2 Terma solar de circulación forzada

El sistema de efecto termosifón es el más simple y adecuado para ser construido y utilizado en nuestro medio y a un costo mínimo. Por el hecho de trabajar sin una bomba eléctrica, no requiere conexión a la red de alumbrado público, cosa que es muy ventajosa en el Perú, ya que hay lugares que no cuentan con dicha conexión. Por otro lado, en los lugares donde hay electricidad, es posible instalar un

sistema de circulación forzada (vea la Figura 12), es decir, un sistema en el que se emplea una bomba

Figura 11: Circulación natural del agua

Figura 12: Circulación forzada de agua

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eléctrica para hacer circular el agua en el sistema. En un sistema de circulación forzada, los sensores de temperatura prenden la bomba eléctrica en el momento en que detectan una diferencia de temperatura mayor de 4º C entre la parte más baja del tanque de almacenamiento y la parte superior del panel. En comparación con el sistema de efecto termosifón, este sistema es ligeramente más eficiente en términos de energía. En términos de costos, el sistema de circulación forzada es más caro. Además del aumento de eficiencia, el sistema de circulación forzada permite, por lo general, colocar el tanque de almacenamiento más abajo que el panel, en el interior de los edificios, por ejemplo. Otra razón por la que se utilizan sistemas de circulación forzada, es porque hacen del sistema una instalación resistente a la congelación. En climas muy fríos, cuando la temperatura baja de cero grados, el colector deberá estar vacío, o de lo contrario, deberá agregarse anticongelante al fluido del colector. En el primer caso, el tanque de almacenamiento es colocado más abajo que el colector y, sólo en caso de que haya suficiente luz solar, la bomba se pondrá en funcionamiento y el colector se llenará de agua. En el segundo caso, el circuito del colector y el circuito de agua deberán estar separados por un intercambiador de calor que reducirá la eficiencia de la terma solar. Una terma solar consta de uno o más colectores, tuberías y un tanque de almacenamiento aislado. En las próximas secciones describiremos en forma detallada sus diferentes componentes. 5.3 El colector La parte más importante de una terma solar es el colector (vea la Figura 13). La función del colector es convertir la radiación solar en calor y conducirlo al fluido del colector, es decir, al agua en la mayoría de los casos. El colector consta de:

Un absorbente pintado de negro, del cual se extrae el calor mediante el fluido del colector, es decir, el agua

Una cubierta transparente

Aislamiento en la parte posterior y a los lados del absorbente

Una cubierta de protección para el absorbente y su aislamiento.

Figura 13: Colector solar

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El absorbente deberá tener las siguientes características:

Alta eficiencia de absorción;

Bajo nivel de pérdidas de calor, es decir, un buen aislamiento;

Un buen sistema de tuberías;

Una buena conducción de calor entre la placa del absorbente y el fluido del colector. Existen tres tipos de absorbentes eficientes:

Absorbente de serpentín (vea la Figura 14)

Absorbente de registro tubular (vea la Figura 15)

Absorbente de placa (vea la Figura 16)

Figura 14: Absorbente de

serpentín Figura 15: Absorbente de

registro tubular Figura 16: Absorbente de placa

El Cuadro 4 presenta las diferencias entre los tres tipos de absorbentes. Hay que resaltar que esta tabla registra los resultados de un estudio limitado, y sólo presenta información general sobre los siguientes parámetros: calor absorbido, eficiencia, costos y horas de trabajo. En cada prueba, el tanque contenía 60 litros de agua. El ingreso de energía durante todo el periodo de medición fue de 5 kWh, es decir, el ingreso de energía medida e integrada por computadora. Se midió entonces la temperatura final del tanque, y a partir de ésta, se calculó el calor recogido. Todas las demás condiciones fueron idénticas.

Cuadro 4: Prueba de comparación de los diferentes tipos de absorbente

Tipo de absorbente

Absorbente de serpentín

Absorbente de registro tubular

Absorbente de placa

Conectado a la placa

Malla de alambre Entretejido -

Calor absorbido (kWh)

2.67

3.29

3.22

Porcentaje de eficiencia del sistema

-14%

-2%

Costo de materiales y energía

-25%

10%

Tiempo de trabajo necesario para su construcción (en horas)

6 h

8 h

12 h

Fuente: Streib, 1992

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5.3.1 Material absorbente El absorbente puede ser de diferentes metales, como cobre, aluminio y acero. La característica más importante del material empleado para la construcción de un absorbente es la conductividad del calor, la que deberá ser la mayor posible. Si se compara al aluminio con el cobre como material estándar, se puede decir que un absorbente hecho de aluminio es aproximadamente 4% menos eficiente, sin embargo, el aluminio es más fácil de usar. El acero es más barato en comparación con los otros dos materiales, pero es más difícil de utilizar y además, un absorbente de acero es aproximadamente 10% menos eficiente.

Cuadro 5: Resultados de una prueba de comparación de diferentes materiales absorbentes

Material Hierro Aluminio Cobre

Conductividad de calor W/m. 0C

40 200 400

Eficiencia del absorbente

-10% -4% Estándar

Costo Menor,

dependiendo del costo local

Menor, dependiendo del

costo local Estándar

Facilidad de uso 30% más difícil 30% más fácil Estándar

Además del tipo de material, la eficiencia del colector se ve afectada por los siguientes factores: el grosor de la placa absorbente, el diámetro de la tubería y el método de conexión de la placa y la tubería. Grosor de la placa absorbente Una placa absorbente gruesa tiene un nivel de eficiencia más elevado, en comparación con una placa delgada. Esto se ilustra en el siguiente cuadro:

Cuadro 6: Prueba de comparación del grosor de una placa absorbente de aluminio

Grosor(mm)

1

0.5

Eficiencia

8% más eficiente

Estándar

Fuente: Streib, 1992

En este ejemplo, una placa absorbente gruesa de aluminio es 8% más eficiente que una placa de 0.5 mm. Por supuesto, habrá un incremento en los costos de materiales y mano de obra. Efecto del método de conexión de la placa y la tubería En la conexión entre la placa y la tubería, la conducción de calor tiene lugar desde la placa absorbente hasta la tubería, e incluso hasta el fluido. La conexión entre la placa y la tubería es muy importante para lograr un eficiente transporte de calor. Existen varios métodos para conectar la placa y la tubería:

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- Vueltas de alambre; sólo hay contacto en ciertos puntos (vea la Figura 17)

- Entretejido con tiras de metal; hay contacto en forma de líneas

- Soldadura; se logra un contacto muy efectivo (vea la Figura 18)

Figura 18: Soldadura

La soldadura logra muy buen contacto entre la tubería y la placa; se aconseja utilizar absorbentes soldados tanto como sea posible. Revestimiento del absorbente Un metal puro refleja mucha luz. Por esta razón, es necesario pintar o revestir el absorbente para aumentar su porcentaje de absorción de calor. El absorbente puede ser pintado con brocha o soplete y con pintura mate simple de color negro, cuyo porcentaje de absorción es, por lo general, de 90 - 95 (es decir, convierte en calor el 90-95% de la energía que absorbe). Por un lado, el absorbente mismo irradia calor al aumentar la temperatura. Por otro lado, las pinturas negras normales no impiden la radiación (es decir, la emisión de calor) al entorno; por el contrario, las superficies negras también tienen una emisión muy elevada (90) (vea la Figura 19)

Figura 19: Absorción y radiación del absorbente

Sin embargo, utilizando revestimientos selectivos se logra minimizar las pérdidas de calor originadas por alzas de temperatura en las superficies negras. Tales revestimientos ayudan a la absorción de radiación solar (onda corta) y, al mismo tiempo, impiden la emisión de calor (onda larga). Los revestimientos selectivos pueden reducir la emisión de las superficies negras a porcentajes tan bajos como un 10% (vea la Figura 20).

Figura 17: Serpentín

Figura 20: Absorción y radiación del absorbente con un revestimiento selectivo

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Resulta difícil fabricar un revestimiento selectivo espectral, por lo que la mayoría de fabricantes de termas solares adquieren piezas absorbentes completas, donde el revestimiento ya haya sido aplicado sobre un tubo y una aleta de cobre. También se pueden comprar revestimientos selectivos-espectrales en forma de láminas, que pueden ser adheridas al absorbente. Para obtener una conexión efectiva y durable entre el revestimiento y el absorbente, es muy importante limpiar la placa de metal y las tuberías antes de sopletear, pegar o pintar. Utilice lija y solventes. 5.3.2 Cubierta transparente El colector cuenta con una cubierta transparente que ayuda a reducir las pérdidas de calor y a proteger la superficie del absorbente de la contaminación, alargando así la durabilidad del revestimiento.

Se pueden utilizar los siguientes materiales:

– vidrios – láminas de plástico – vidrio acrílico

El siguiente cuadro presenta las ventajas y desventajas de estos tres materiales:

Cuadro 7: Ventajas y desventajas de los diferentes materiales para cubiertas transparentes

MATERIAL VENTAJA DESVENTAJA

Vidrio

relativamente estable

durable, especialmente a la radiación UV

pesado

reducción de luz

difícil de obtener

puede ser muy costoso

se rompe fácilmente Lámina de Plástico

peso ligero fácil de manipular

fácil de obtener

alta transmisión de luz (hasta 98%)

durabilidad (dependiendo

del tipo) que varía entre unos pocos meses y varios años

Vidrio acrílico

peso ligero fácil de manipular

buena calidad de insolación

no es resistente a la

radiación UV, se torna opaco y blando

se rompe fácilmente

difícil de obtener

puede ser costoso Fuente: Streib, 1992

5.3.3 Caja del colector La función principal de esta caja (vea la Figura 21) es proteger las diferentes partes del colector de elementos externos como la lluvia, la humedad y el viento. Puede ser construida de madera, metal y plástico.

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La ventaja de utilizar madera es que dicho material es aislante, por lo que no será necesario aislar el interior del colector. La madera debe revestirse con una capa de pintura, pues tiende a malograrse bajo los efectos del agua y la luz solar. Si la caja es de metal será necesario aplicar una capa de pintura protectora, excepto cuando se utiliza una lámina galvanizada o de aluminio. Los lados de la caja de metal deberán ser aislados para evitar las pérdidas de calor. El aislamiento servirá para minimizar la pérdida de calor desde la parte posterior y los lados del colector, y deberá ser resistente a temperaturas mayores a 100ºC. Los materiales aislantes más comunes son el tecnopor y la lana de vidrio. El colocar una lámina de aluminio entre el absorbente y el aislante permite una mayor reducción de pérdida de calor.

Conexión de varios colectores En el caso de sistemas más grandes que operen con varios colectores, es muy importante que éstos estén conectados en forma eficiente, con el fin de obtener una óptima circulación de agua. Hay varias formas de hacerlo. La Figura 22 presenta las conexiones recomendables y no recomendables para los sistemas de calentadores solares.

Figura 21: Caja de colector

Figura 22: Conexiones recomendables y no recomendables para diferentes colectores

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5.4 Tanque de almacenamiento, uso del agua y abastecimiento de agua caliente 5.4.1 Introducción Basándose en el contenido de las secciones anteriores, ya tiene una idea del funcionamiento del colector y de sus componentes. Esta sección describe los puntos referentes al almacenamiento de agua, la conexión del tanque y el colector, y el abastecimiento y uso del agua. 5.4.2 Tanque de almacenamiento Por lo general, el agua calentada por el colector no se utiliza inmediatamente, por lo que debe ser almacenada en un tanque. Puede construirlo o comprarlo (nuevo o usado). Para los sistemas más pequeños hasta los sistemas de 1000 litros, se pueden utilizar cilindros de aceite o contenedores de plástico en buenas condiciones. Existen dos tipos de tanques de almacenamiento (y de termas solares): – Tanques no presurizados (vea la Figura 23) – Tanques presurizados (vea la Figura 24)

Figura 23: Tanque no presurizado Figura 24: Tanque presurizado

Los tanques no presurizados son más simples y baratos (se pueden emplear materiales más ligeros) que los tanques presurizados. Un tanque presurizado soporta altas presiones causadas por el aumento de temperatura (el agua se expande cuando se calienta) y por la misma presión del agua. La Figura 23 ilustra las diversas entradas y salidas de un tanque de almacenamiento. En un sistema de calentamiento, es imprescindible que tanto la entrada de agua caliente que viene desde el colector como la salida hacia el usuario estén ubicadas por debajo del nivel de agua. En los sistemas no presurizados, es necesario instalar en el tanque de almacenamiento una tubería de ventilación sobre el nivel del agua fría. La tubería de escape/tubería de ventilación es colocada sobre el nivel del agua para permitir que ésta se expanda y que el aire salga del sistema. En un sistema presurizado, la tubería de ventilación es reemplazada por una válvula automática de salida de presión, pequeña válvula que libera gotas de agua del sistema cuando la presión es muy alta (por ejemplo, cuando sobrepasa la barra de los 3 - 4) En el sistema de la Figura 23, el usuario sólo puede obtener agua caliente cuando hay un flujo simultáneo de entrada de agua fría. La entrada de agua fría se encuentra cerca del fondo del tanque con el fin de minimizar la alteración de los patrones de los flujos de agua en el sistema. Observe que

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la entrada de agua fría al colector está ubicada a varios centímetros sobre el fondo del tanque para evitar que la suciedad y las partículas entren en los tubos del colector (vea la Figura 25) Puede encontrar tanques de almacenamiento de agua caliente de forma horizontal y vertical (vea la Figura 26). La estratificación del agua (agua caliente en la parte superior del tanque, agua fría en el fondo) es mejor en un tanque vertical que en un tanque horizontal. Ésta mejora el funcionamiento de la terma solar.

Figura 26: Tanques de almacenamiento vertical y horizontal

5.4.3 Aislamiento El tanque de almacenamiento de agua deberá ser aislado apropiadamente, con el fin de evitar pérdidas de calor durante la noche. Al colocar el aislamiento, es importante asegurarse de que no haya pérdidas de calor a través de las tuberías de entrada y salida. El mejor método para ello es aislar las conexiones de las tuberías de entrada y salida del tanque. Asimismo, el tanque de almacenamiento deberá ser colocado en un lugar más alto que el colector (por lo menos 30 cm más alto) para evitar la circulación natural invertida. El material aislante utilizado para el tanque deberá estar protegido contra la lluvia y la humedad, ya que pierde su poder al mojarse. Como material de protección se puede utilizar láminas de plástico o de metal galvanizado delgado. 5.5 Conexión entre el tanque de almacenamiento y el colector 5.5.1 Tuberías de conexión Las tuberías de conexión deben ser lo más cortas posible para ahorrar en materiales y para reducir las pérdidas de calor.

Figura 25: Posición de la tubería de salida

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ADVERTENCIA La fuerza que rige la circulación natural es una fuerza débil (diferencia de gravedad específica entre agua fría y caliente). Por lo tanto, cada codo, angostura o válvula aumenta la fricción, y por ende, reduce la circulación.

Las tuberías de conexión entre el colector y el tanque de almacenamiento deberán estar inclinadas ligeramente hacia arriba, en un ángulo de por lo menos 1º; es decir: una inclinación de 2 cm para 1 m de largo. Esta inclinación es necesaria para evitar la formación de burbujas de aire.

Se debe evitar el uso de codos entre el tanque y el colector. Cada doblez angular aumenta la resistencia a la circulación y reduce el porcentaje de flujo que pasa por el absorbente, disminuyendo así la eficiencia.

El aire entra en el sistema con el primer flujo de agua, y en cada uno de los flujos posteriores. Al calentarse, el aire y los gases que están disueltos en el agua se liberan y tienen que ser extraídos del sistema. Si hay una burbuja de aire, la circulación puede paralizarse completamente, evitando que el agua caliente llegue al tanque. 5.5.2 Materiales adecuados para las tuberías La temperatura de salida del colector rara vez excede los 90ºC, por lo que es factible instalar tuberías de metal o plástico. Sin embargo, es importante verificar si la textura de las tuberías de plástico no se deforma debido a las altas temperaturas. Vale decir, que las tuberías de plástico tienen mayores desventajas. Cuando el colector está vacío por un lapso determinado (problemas en el abastecimiento de agua), su temperatura puede alcanzar los 100ºC, 120ºC o más y, cuando el agua empieza a fluir nuevamente, se produce vapor. El plástico en tuberías o material aislante no puede resistir estas temperaturas. Por esta razón, es preferible colocar tuberías de metal que son más durables bajo cualquier circunstancia. 5.5.3 Diámetro de las tuberías Una tubería de diámetro muy pequeño, reducirá el flujo debido al aumento de resistencia por fricción. El efecto de un flujo más pequeño es que el agua caliente permanece en el sistema de tuberías y en los colectores, lo que origina una constante pérdida de calor. Una tubería de diámetro demasiado grande también ocasiona una reducción en el flujo, y subsecuentemente, una mayor pérdida de calor. Para un sistema pequeño con un solo panel de 1 m2 y un tanque de almacenamiento de 60 litros, es suficiente utilizar tuberías de 16 mm de diámetro. Para sistemas más grandes, consulte el Cuadro, que contiene sugerencias acerca del diámetro interior de las tuberías de conexión en proporción al área de la superficie de panel.

Cuadro 8: Sugerencias para el diámetro interior de las tuberías de conexión (mm) en proporción al área de la superficie de panel (m2)

Área de la superficie (m2)

1-2

4-6

10-12

16-20

25-30

Diámetro interior

16 mm 1/2 "

20mm 3/4"

25mm

1"

32mm 1 1/4"

40mm 1 1/2"

Fuente: Streib, 1992 (pag. 56)

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5.5.4 Aislamiento de las tuberías El aislamiento de las tuberías de conexión que van hacia y desde el tanque de almacenamiento al colector, tiene como finalidad aumentar la eficiencia de las termas solares. El mejoramiento de la eficiencia depende de la calidad del aislamiento y de los materiales utilizados. 5.5.5 Abastecimiento de agua Para garantizar el abastecimiento de agua al tanque de almacenamiento, el tanque de la terma solar puede ser conectado a uno de agua fría o a la red de servicio público (si es lo suficientemente confiable). Cuando el colector está vacío, es esencial contar con un continuo suministro de agua fría para evitar daños ocasionados por altas temperaturas. El tanque de agua fría debe ser colocado a un nivel más alto que el de agua caliente para que el agua fluya con facilidad (vea la figura 27). Para regular el nivel del agua en el tanque de agua fría, se coloca una válvula de flotador.

Figura 27: Válvula de flotador para la regulación del suministro de agua fría en el tanque de almacenamiento

5.5.6 Superar las pérdidas nocturnas de calor

Por lo general, las tuberías de conexión de un sistema de efecto termosifón son colocadas fuera del tanque y del colector, y son aisladas (vea la Figura 28). Ligeros efectos tipo termosifón invertido se producen en las tuberías conectadas a la parte superior del tanque. Esto ocurre en periodos con ausencia de radiación y temperaturas externas más frías. De esta forma, se extrae calor del tanque de almacenamiento. Figura 28: Tuberías de conexión aisladas

Esto puede evitarse aislando todas las conexiones de las tuberías del tanque, especialmente aquellas que se encuentran en la parte superior del mismo.

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6. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE UNA TERMA SOLAR 6.1 Cálculo del consumo de agua caliente y del patrón de demanda Para establecer el tamaño óptimo de una terma solar para determinados clientes, primero necesita conocer la demanda de agua caliente. Para calcular el consumo de agua caliente y el patrón de demanda de una casa, hotel o empresa, es preferible utilizar medidores de energía (para medir el flujo y la temperatura del agua fría y caliente) durante un periodo de un año aproximadamente. El resultado de esta medición permite un cálculo detallado de la demanda y del patrón de demanda (por día, por mes y por año). Si no fuera posible usar medidores de energía, por lo menos se puede medir el consumo de agua caliente de una semana, con lo cual se podrá calcular el consumo por mes y por año. Otra opción para calcular el uso de agua caliente en un hogar es analizar mensualmente los recibos de agua. Para el promedio de familias, la cantidad de agua caliente utilizada constituye aproximadamente 25% del consumo total de agua. Si ninguno de estos métodos es factible, la demanda será calculada mediante reglas básicas, utilizando el siguiente cuadro para demanda de agua caliente (LPD = litros por día) a 60ºC.

Cuadro 9: Cantidad de agua caliente usada por diferentes sectores

Uso doméstico

- baños - cocina y lavado

25 LPD/persona 5 LPD/persona

Hoteles

- por cama personal

30 LPD

Hospitales

- por cama personal

35 LPD

Cafeterías

- por turno

5 LPD/persona

6.2 Diseño de una terma solar La energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia es una propiedad física conocida como el “calor específico” de dicha sustancia. El calor específico del agua (Cp) es 4200 J/kg/ºC. Eso significa que se necesitan 4200 joules de energía para elevar en un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua. Tomando como base los siguientes parámetros, se puede diseñar el colector de una terma solar:

Cp - calor específico (J/kg/ºC); I - radiación solar (kWh/m2); M - cantidad de agua caliente requerida (litros); T1 - temperatura del agua caliente requerida (ºC); T2 - temperatura del agua fría; Eeff - eficiencia de la terma solar

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En primer lugar, se debe calcular la energía necesaria basándose en la diferencia de temperatura requerida entre el agua fría y caliente. La fórmula está dada en la siguiente ecuación (1). En el ejemplo 1 se realiza un cálculo basado en dicha fórmula. Q = M x Cp x (T 1 - T 2) (1)

Ejemplo 1: Una familia consume 200 litros diarios de agua a 40º C. La temperatura del agua en la fuente es de 15º C. Calcule el coeficiente (Q) de energía de calor. Q = M x Cp x (T 1 - T 2) = 200 x 4200 x 25= 21 MJ = 5.8 kWh

Una vez calculada la energía necesaria, se puede calcular el área de la superficie del colector, tomando en cuenta la radiación solar (I) y la eficiencia del sistema (Eef).

Área del colector requerida = Q

I x E ef La radiación global varía durante el día, durante el año y también según la altitud y latitud. Para realizar los cálculos, puede utilizar el índice de radiación registrado para el Perú en el cuadro o utilizar. Para aplicar la fórmula, ver el ejemplo 2. La eficiencia del colector depende, entre otras cosas, del tipo de colector, el aislamiento, la instalación, etc. Por lo general, la eficiencia de un sistema completo (colector y tanque), si se utiliza adecuadamente (!), está entre 25 - 50%. Podemos decir, como regla básica, que se puede utilizar un promedio de 35 - 40%.

Ejemplo 2: Use el resultado del ejemplo 1. La radiación solar es 4 kWh/m2 y la eficiencia de la terma solar es de 35%. ¿Cuál es el área de superficie necesaria para la familia?

Superficie A = Q

= 5.8

= 4.1 m2 I x Eef 0.35 x 4.0

Entonces, se necesita un área de superficie de paneles total de 4.1 m2 para calentar 200 litros de agua a 40º C.

6.3 Tamaño del tanque de almacenamiento El tamaño del tanque deberá ser proporcional al requerimiento diario de agua. Si se instala un tanque más grande, el agua estará a una temperatura más baja durante los días de menor radiación. Un tanque más pequeño proporcionará agua caliente a temperatura más alta. Si un tanque es demasiado pequeño, se presentarán pérdidas de calor debido a la alta temperatura del flujo de

(2)

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entrada y probablemente, no pueda satisfacer la demanda completa de agua caliente. En días de mayor radiación, el tamaño del tanque deberá ser tal que la temperatura no exceda los 65 - 70º C. 6.4 Eficiencia de un sistema Se puede comparar la calidad de las termas solares y de los diversos tipos de colectores en base a su eficiencia. La eficiencia depende de cuánto de la energía suministrada se convierte en energía útil (ver fórmula 3).

Eficiencia (%) = Energía útil (Qu)

x 100 Energía suministrada (Qsum)

La energía suministrada por las termas solares es la radiación solar que cae sobre la superficie del colector. La energía útil es la energía sustraída de la terma solar en forma de agua caliente. La eficiencia de una terma solar está determinada, por supuesto, por la calidad de un sistema pero también, en gran medida, por su uso. En teoría, la eficiencia del sistema puede estar entre 0 y 100%, dependiendo del uso de agua caliente, que fluctúa entre 0 litros/día hasta una suma infinita por día. Esta es la razón por la que es más útil y común hablar de la capacidad de una terma solar expresada en litros por día, que hablar de eficiencia. Ahora, si Ud. desea comparar diferentes sistemas, puede ser útil medir la eficiencia de los mismos. Sin embargo, las circunstancias deberán estandarizarse y, al hablar de eficiencia, siempre deberán tomarse en cuenta los siguientes parámetros: – Temperatura del agua fría; – Radiación; – Temperatura del ambiente; – Consumo de agua caliente (por ejemplo 100 litros/día). Entonces, es posible calcular la salida de energía de la terma solar: Qsalida = m x Cp x (T1 - T2) La entrada de energía es: Qentrada= I x A

Y la eficiencia es la relación entre las dos: Eef = Qsalida

Qentrada 6.5 Pérdida de calor en una terma solar Si desea medir la capacidad del colector para permanecer caliente, puede llevar a cabo la prueba descrita en esta sección. Nota: Esta prueba no mide la capacidad del sistema para absorber el calor del sol. Para medir la pérdida de calor en el tanque de una terma solar, se deja enfriar poco a poco un tanque con agua caliente durante varias horas (de 8 a 24 horas). Durante ese lapso se mide la baja de temperatura del agua en el interior del tanque. Por lo general, un tanque de alto aislamiento tiene un valor de pérdida de calor de 1 - 2 W/ºC.

(3)

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Ejemplo 3: Un tanque con 100 litros de agua a una temperatura de 60ºC se deja enfriar en su entorno a una temperatura de 10ºC. Luego de 8 horas, la temperatura del agua es de 55ºC. Preguntas: Calcule la pérdida de energía del tanque y el valor de pérdida de calor del tanque (R) La pérdida de temperatura es de 60 ºC - 55 ºC = 5 ºC

Pérdida de energía: Q perd = m x Cp x Tperd = 100 x 4200 x 5 = 2.1 MJ La diferencia entre las temperaturas del ambiente y del agua en el tanque en un inicio, es de 50ºC. El tiempo en el que el tanque se enfría (t) es de 8 horas, es decir 8 x 3600 segundos.

R = Qperd

= 2.1

= 1,5 W/oC t x (T2- T1) 8 x 3600 x 50

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7. INSTALACIÓN DE UNA TERMA SOLAR 7.1 Instalación de una terma solar A pesar de parecer una acción simple y rápida, la instalación de una terma solar es, quizás, la parte más complicada de todo el proceso. Se cometen fallas y errores con mucha facilidad, y está comprobado que tales errores (por lo general pequeños) son la causa de la mayoría de problemas de funcionamiento. No importa cuán pequeños puedan ser, pero si podemos decir que estos errores pueden acarrear graves consecuencias.

La primera posibilidad, obviamente, es que el sistema no funcione adecuadamente después de la instalación; por ejemplo, que haya filtraciones en el sistema o que el agua no se caliente, son signos de que hay una avería. En consecuencia, el cliente protestará. Si bien el problema puede ser arreglado, esto le dará una mala reputación tanto al técnico que realizó la instalación, como a la compañía que hizo la venta. Este tipo de fallas puede ser evitado o detectado con una inspección visual del sistema completo inmediatamente después de la instalación (ver lista de verificación para la inspección de termas solares). Otra posibilidad es que, no obstante el sistema aparentemente funciona bien (es decir, no presenta fallas detectables a simple vista, por lo que el cliente no protestará), no lo hace óptimamente. Por ejemplo, si en un sistema de efecto termosifón, la red de tuberías del colector no ha sido construida adecuadamente, la resistencia en el circuito será muy alta y, por ende, el sistema no funcionará óptimamente. Si bien suministrará agua caliente, no utilizará toda su capacidad. Otro ejemplo es el de las termas con sistema de apoyo, con los cuales hay que ser especialmente cuidadoso. En esos casos, es posible que las termas no estén suministrando ni una gota de agua caliente, pero nadie se dará cuenta debido a la presencia del sistema de apoyo. A largo plazo, esto tampoco satisfará las necesidades del usuario final. Este tipo de errores sólo puede ser detectado realizando mediciones (ver la lista de verificación): hay que comparar la radiación con la salida del sistema. Esto es muy difícil pero puede ser bastante provechoso. Ambas situaciones deben evitarse y pueden evitarse, si el técnico pone atención durante la instalación. Los errores más comunes son: Errores de instalación:

Los más comunes (pequeños) durante la instalación son:

Filtraciones en las tuberías y conexiones entre las tuberías, el tanque de almacenamiento y el colector

Un trabajo de aislamiento inadecuado

Rotura de la cubierta de vidrio del colector

Error de inclinación de las tuberías del colector

Errores en los sensores de temperatura (cables equivocados, sensor “caliente” y “frío” prendido, conexiones eléctricas erradas)

Esto son errores pequeños que pueden ser evitados si el técnico realiza la instalación con cuidado y si inspecciona su trabajo. Errores en el diseño:

Entre estos errores encontramos:

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Orientación completamente equivocada del colector

Posición inadecuada del tanque de almacenamiento con respecto al colector

Tuberías demasiado largas o de un diámetro muy grande entre el colector, el tanque y los caños de agua caliente

Mala conexión de las tuberías

Tamaño inadecuado del tanque en comparación con el colector

Conexión inadecuada de los colectores (en el caso de los sistemas con más de un colector)

Bombas demasiado pequeñas o demasiado grandes (en sistemas de circulación forzada) En realidad, estos errores son más serios porque evidencian que quien diseñó/instaló el sistema no conoce bien el funcionamiento de una terma solar. En la parte práctica de este módulo, se instalará una terma solar simple. Esto le servirá de práctica. Pero tenga en cuenta de que cada marca de termas solares tiene sus propios requerimientos de instalación. El fabricante deberá especificar claramente sus requerimientos especiales en el manual de instalación. Por lo tanto: ¡Siempre lea el manual de instalación antes de empezar el trabajo!. 7.2 Inspección de una terma solar instalada Después de instalar una terma solar, el sistema y su instalación deben ser inspeccionados para asegurar un buen funcionamiento por un periodo prolongado. Si se instala un sistema comercial, el distribuidor deberá inspeccionar el sistema después de realizada la instalación. El Anexo 1 presenta un ejemplo de lista de verificación detallada, comúnmente usada para la inspección de sistemas hechos en casas y sistemas de termas solares disponibles en el mercado. La lista de verificación consta de las siguientes partes:

– Información general – Inspección visual – Prueba y medición – Opinión del usuario – Lista de acción Utilizando la lista de verificación es posible inspeccionar la correcta instalación y funcionamiento de todas las partes principales del sistema, y asegurarse de que haya sido bien instalado y funcione apropiadamente. 7.3 Mantenimiento de una terma solar (qué hacer y qué no hacer) Esta sección contiene un resumen sobre mantenimiento de termas solares, basado en un manual de operación y mantenimiento para los usuarios de termas solares. Las termas solares de efecto termosifón requieren escaso mantenimiento, o en algunos casos, ningún tipo de mantenimiento. Debido al principio termosifón, no hay piezas móviles ni unidades de control que puedan fallar. El sistema trabajará automáticamente; pero hay ciertos procedimientos básicos que pueden ser llevados a cabo para mejorar el funcionamiento de la terma solar.

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Las termas solares con bombas eléctricas y unidades de control requieren un mayor cuidado. El funcionamiento de la bomba y del colector deberá ser inspeccionado cada año. El siguiente resumen es aplicable a sistemas de efecto termosifón. ¿Qué hacer?

Limpie la cubierta de vidrio regularmente. El polvo y la suciedad en la cubierta de vidrio bloquearán el paso de los rayos solares y reducirán la salida del sistema. Dependiendo de los alrededores (cerca del camino, el entorno polvoriento, lluvia no frecuente, etc.), es aconsejable limpiar la cubierta de vidrio entre una vez al mes o varias al año.

Evite cualquier sombra en el colector. Pode las ramas posteriores de los árboles que rodean el colector para así permitir que reciba la mayor cantidad de luz solar posible.

Economice en el uso de agua caliente. Trate de minimizar su frecuencia de uso. Cada vez que Ud. abre el caño, tomará cierto tiempo calentar las tuberías desde el tanque hasta la terma. Quizás sólo hay una pequeña pérdida de energía, pero si las tuberías son largas y el uso de agua caliente es frecuente, la pérdida de energía aumentará.

Haga correr el agua caliente lentamente; esto impedirá la mezcla de agua caliente y fría en el tanque de almacenamiento.

Si hay un sistema eléctrico de apoyo, gradúe el termostato tan bajo como sea posible. Usualmente, una temperatura de 60º C es suficiente. Un punto de graduación más alta aumentará el recibo de la luz.

Asegúrese de que no falte suministro de agua fría para la terma solar. Deje siempre abierta la válvula de entrada de agua fría y observe que el tanque de agua fría esté siempre lleno.

Enjuague el sistema completo una vez al año para remover toda la suciedad. Si en su área el agua es pesada, utilice un suavizador de agua para evitar obstrucciones en las tuberías del colector.

Revise una vez al año el revestimiento del tanque de agua, del colector y de las tuberías entre el tanque y el colector. Asegúrese de que el revestimiento no esté dañado y repárelo si es necesario. Esto asegurará que no entre agua de lluvia en el aislamiento del colector, del tanque y de las tuberías, mejorará el funcionamiento de su sistema y aumentará su tiempo de vida.

¿Qué no hacer?

No cierre o bloquee la tubería de ventilación. Es muy importante que permanezca abierta y que esté colocada en un lugar más alto que el tanque de agua fría.

No coloque obstáculos que puedan sombrear el colector.

No utilice una escobilla dura o productos químicos para limpiar la cubierta de vidrio.

No deje prendido el sistema eléctrico de apoyo cuando no sea necesario. Si está prendido, el sol no tendrá oportunidad de calentar el agua y su recibo de luz aumentará considerablemente.

7.4 Guía de solución de problemas A continuación encontrará una guía de solución de problemas que incluye algunos de los más comunes que pueden presentarse con las termas solares y sus soluciones.

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a) No hay agua en el caño de agua caliente

Verifique el suministro de agua fría; la válvula colocada en la salida de agua fría deberá estar abierta y el tanque de almacenamiento de agua fría deberá estar lleno.

b) El sistema sólo abastece agua fría

Esto es normal en días muy nublados. Una terma solar sólo calienta agua cuando hay sol o cuando hay pocas nubes. Para un suministro inmediato de agua caliente, use el sistema eléctrico de apoyo si es necesario.

Si el uso de agua excedió su capacidad máxima para ese día, la terma solar necesitará tiempo para calentar agua nuevamente. Para tener agua caliente inmediatamente, use el sistema eléctrico de apoyo si es necesario.

Si ninguno de los puntos anteriores es relevante, revise que no haya obstrucciones en el circuito del colector. La fuerza del efecto termosifón que hace circular el agua es bastante débil, y puede detenerse por causa de pequeñas burbujas de aire en el colector o por dobladuras en las tuberías entre el tanque de almacenamiento y el colector. Verifique la circulación estimando la temperatura en la entrada y salida de las tuberías cercanas al colector. Cuando hay sol, la temperatura de salida deberá ser mucho más alta que la temperatura de entrada. ¡Tenga cuidado: la tubería de salida puede estar muy caliente! Si no logra detectar una circulación de efecto termosifón (y no hay codos en las tuberías), es probable que haya burbujas de aire en el sistema. Desagüe el colector y vuelva a llenarlo.

c) Por la noche hay un gran descenso en la temperatura del agua (más de 10ºC)

Verifique el aislamiento alrededor el tanque. Las paredes calientes del tanque y las tuberías cercanas al mismo no deben estar expuestas al frío de la noche.

Asegúrese de que el aislamiento esté seco. Si está mojado por causa de la lluvia que se filtra a través del revestimiento o de una filtración en el tanque, entonces el sistema no mantendrá el agua caliente.

Asegúrese de que el tanque esté colocado por lo menos a 1 pie (30 centímetros) más arriba que el colector. El flujo de circulación de un sistema de efecto termosifón puede enfriarse durante la noche si existe una diferencia de altura demasiado pequeña entre el tanque y el colector.

d) El sistema abastece sólo agua tibia

Asegúrese de que la cubierta de vidrio esté limpia. Si está sucia, la eficiencia de la terma solar se reducirá. Limpie el vidrio cuando sea necesario.

Asegúrese de que los obstáculos no den sombra al colector. De ser posible, retírelos.

Asegúrese de haber instalado una válvula de retención en la tubería de salida de agua caliente. Si no ha instalado una, y si su sistema tiene caños que mezclan el agua (para la ducha), el agua fría puede fluir dentro del tanque de almacenamiento; ya que la presión en la línea de agua fría siempre es mayor que la presión en la línea de agua caliente. Si no cuenta con una válvula de retención, el agua fría podría mezclarse con la caliente, y la temperatura en el tanque descendería. La solución es instalar una válvula de retención o instalar líneas y caños independientes para agua fría y caliente.

Revise el aislamiento alrededor del tanque de agua, del colector y de las tuberías. Si el aislamiento está dañado o mojado, puede haber una gran pérdida de calor. Repare los pequeños agujeros en el revestimiento o aislamiento.

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e) Hay condensación en el interior de la cubierta de vidrio del colector

Si esto ocurre sólo en las mañanas frías, no hay problema. El aire en la caja del colector siempre contiene algo de humedad que puede condensarse sobre la cubierta de vidrio si ésta está fría. Tan pronto como salga el sol, la condensación deberá desaparecer.

Si la condensación no desaparece al salir el sol, probablemente se trate de una filtración ya sea en el sello de la cubierta de vidrio o en el absorbente. Ud. puede reparar filtraciones visibles en el sello de la cubierta de vidrio utilizando un juego de reparación resistente a la intemperie. Un colector con filtraciones debe ser cambiado o reparado.

f) La terma solar está filtrando agua

Trate de determinar el origen del agua. Si no se trata de agua de lluvia, localice y repare la filtración.

g) No hay suministro de agua caliente aún cuando la terma eléctrica está prendida

Prenda el sistema eléctrico de apoyo. Si no hay agua después de 30 minutos, verifique que el termostato haya sido regulado a la temperatura correcta. Para tomar una ducha confortable bastará con 40 º C, y para lavar unos 50º-60º C.

Si el termostato ha sido regulado correctamente, verifique si el fusible se ha quemado (reemplácelo), o si ha habido un corte de corriente (en ese caso, espere hasta que regrese la corriente).

Verifique que el sistema eléctrico de apoyo esté bien conectado. Si continúa sin funcionar, consulte a un electricista o a su instalador.

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8. CONSTRUCCIÓN DE UNA TERMA SOLAR SIMPLE Esta sección le enseñará cómo construir una terma solar simple. El sistema hecho en casa es utilizado con fines didácticos y para practicar la destreza para trabajos en metal y plomería. La construcción de una terma solar le permitirá apreciar cómo funciona y cuáles son sus partes más importantes.

Advertencia: En la práctica, los sistemas hechos en casa son de menor calidad y tienen un ciclo de vida más corto en comparación con las termas solares disponibles en el mercado. Por lo tanto, es aconsejable utilizar únicamente sistemas comerciales para fines prácticos. Durante este curso se utilizará un sistema hecho en casa sólo con fines didácticos, así como para practicar la habilidad para trabajos en metal. Las termas solares hechas en casa no deben ser comercializadas en el mercado.

8.1 Diseño de la terma solar El diseño consta de una red de tuberías de cobre, a las que se sueldan aletas de cobre. Es necesario que las tuberías y las aletas sean del mismo material, ya que ambas serán soldadas. Si se emplean materiales distintos (por ejemplo cobre y acero), la parte absorbente se doblará (debido a los diferentes factores de expansión) y sufrirá corrosión (debido a la corrosión del contacto). El calor del sol es absorbido por las aletas de cobre pintadas de negro y transportado a través del agua que corre dentro de las tuberías de cobre. Las tuberías y aletas de cobre son colocadas dentro de una caja de madera aislada y barnizada. Para tener una idea general de una terma solar, ver el dibujo técnico en la Figura 29.

Figura 29: Dibujo técnico del colector de una terma solar

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El Cuadro 10 incluye los materiales necesarios para construir el colector de una terma solar de 1 m².

Cuadro 10: Materiales necesarios para la construcción de un colector solar de 1 m2 (3)

EL COLECTOR Madera (las dimensiones son dadas en medidas terminadas en mm: por ejemplo 20 x 94 es la medida proyectada de 25 x 100 mm) Tamaño Longitud Número 20 x 94 1285 mm 2 (lados) 20 x 94 860 mm 1 (superior) 20 x 82 820 mm 1 (borde inferior) 20 x 50 820 mm 1 (estribo cruzado) 20 x 50 350 mm 4 (estribos angulares) Contraplacado 1 lámina de triplay de 9 mm cortada a 1350 x 860 mm Reborde 35 x 10 = 3.5 metros 10 x 15 = 1.5 metros Tornillos de bronce N° 6 de 1” - 30 unidades (para reborde), N° 8 de 1” - 20 unidades y N° 8 de 2”- 20 unidades para panel de 25 mm Tubería de cobre 15 mm: 5 metros, cortada en cuatro largos de 1180 mm y dos largos de 185 mm 22 mm: 1.25 metros, cortada en cuatro largos de 181 mm y dos largos de 260 mm Lámina de cobre 4 x 200 x 1150 mm; 1 o 2 mm de grosor Acoples Codos: 15mm - 2 unidades; Acople T: 22/15mm - 4 unidades y 22/15/15mm - 2 unidades Sujetadores 15 mm - 2 unidades 22 mm - 4 unidades Aletas de cobre 4 x 200 x 1150 mm; 1 o 2 mm de grosor Soldadura Cautín, pasta para soldar y soldadura de estaño Aislamiento Aislamiento de lana de vidrio de 2” x 1,2 m

2, con papel aluminio en el reverso

Vidrio Vidrio de 4 mm; 811 x 1297 mm Varios Pintura negro mate para interior del colector, sujetadores para el borde inferior del vidrio hechos de tubo de cobre de 15 mm con 50 mm de largo, 1 Kg. cola de carpintero, 2 tubos de silicona Herramientas Martillo, sierra, cinta de medir, escuadra, destornillador, perforadora + brocas (incl. broca plana de 25 mm), cuchilla Stanley, soplete, cortatubos o sierra para metales, limas, y punzón centrador. Cepillo/cincel para limpiar los cortes de la sierra.

3La parte práctica de este módulo prevé la construcción de dos colectores solares, para esto se deberá tener en cuenta que

la lista de más arriba es solamente para un colector, debiéndose adquirir el doble de estos componentes.

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Primero, comience con el trabajo de plomería para asegurarse de que la caja tenga las medidas adecuadas. También vale la pena esperar hasta que la caja esté terminada antes de cortar el vidrio, de modo que encaje en forma exacta (Figura 30).

Figura 30: Dibujo de la red de tuberías y de las aletas sujetadoras

8.2 Trabajos de plomería de la red del colector y conexión de las aletas A continuación describimos paso a paso el proceso de construcción: Paso 1: Marque las tuberías en el lugar del corte y proceda a cortarlas de la siguiente manera: 6 x 181, 2 x 260 y 4 x 1180. Paso 2: Corte las aletas de cobre del tamaño correcto, 4 x (200 x 1150). Limpie la parte del medio de las aletas y de las tuberías de cobre con una lija y luego, con amoniaco. Paso 3: Verifique que todas las aletas y tuberías encajen en el armazón, antes de comenzar a soldar. Paso 4: Prepare los lugares donde va a soldar usando pasta de soldar. Paso 5: Fije las tuberías en la aleta con una abrazadera con pegamento. Caliente la tubería y la aleta con una flama y lentamente agregue soldadura de estaño. Asegúrese de que haya una unión de soldadura apropiada y lisa entre la aleta y la tubería, a todo lo largo de toda la aleta. Paso 6: Con el fin de asegurarse de que el armazón es cuadrado, clave soportes de madera al banco o al piso. Suelde el armazón cuando esté en esta estructura. Construya el absorbente completo soldando todas las conexiones entre los codos, tuberías y tuberías con aletas (recuerde no moverlo hasta que todas las uniones hayan enfriado). Paso 7: Al terminar de soldar, pruebe si en las uniones del absorbente hay filtraciones, introduciendo presión de agua en la red. Suelde nuevamente las conexiones que presenten filtraciones. Paso 8: Pinte la parte delantera y posterior del absorbente con pintura metálica negra con acabado mate; déjelo secar mientras construye la caja.

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8.3 Construcción de la caja de madera La caja consta de una estructura con estribos cruzados y angulares, parte posterior contraplacada, aislamiento, reborde, agujeros de ventilación y vidriado. La Figura 31 presenta el diseño básico de la caja. Sin embargo, detalles como las dimensiones exactas, la posición de los agujeros para las tuberías, etc., dependen de la precisión de los trabajos de plomería.

Figura 31: Diseño básico de la caja

Antes de comenzar a construir la caja, analice el detalle de la caja en las Figuras 31 y 32.

Figura 32: Vista desarrollada de la construcción

A continuación describimos paso a paso el proceso de construcción de la caja: Paso 1: Asegure los lados de la caja con tornillos de 2” y pegamento para hacer la estructura. Paso 2: Coloque el armazón sobre el absorbente para verificar que entre en la caja.

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Paso 3: Atornille y pegue en un estribo cruzado usando tornillos de 2”. Paso 4: Atornille y pegue los cuatro estribos angulares usando tornillos de 1.5”. Paso 5: Pegue y clave el contraplacado en la parte posterior, con pernos para panel de 25 mm. Paso 6: Peque y atornille el reborde donde colocará el vidrio encima y a ambos lados de la caja, a 8 mm del borde superior. Utilice tornillos de 1”. Paso 7: Perfore dos agujeros de ventilación de 8 mm de diámetro en el borde inferior de la caja. Estos pueden ser cubiertos con una malla de metal para evitar la entrada de mosquitos. Paso 8: Coloque el absorbente sobre la caja con igual espacio arriba y abajo, y marque las ubicaciones de las tuberías de entrada y de salida. Paso 9: Perfore agujeros de 25 mm (justo sobre la esquina) en estos puntos y haga un corte en forma de V. Paso 10: Pinte la caja con pintura por dentro y por fuera. Paso 11: Introduzca el aislamiento a una profundidad de 50 mm, la altura de los estribos. Paso 12: Cubra todo el interior de la caja con láminas de metal y engrápelas a la madera. Paso 13: Coloque el absorbente sobre el material aislante. Asegúrese de que no haya ninguna abertura entre la capa de aislamiento y la superficie del colector. Paso 14: Fije las tuberías a los estribos angulares empleando sujetadores. Paso 15: Coloque nuevamente sobre las tuberías las cuñas que cortó en forma de V (en el paso 9) y atorníllelas sobre el lugar (no las pegue porque, si fuera necesario sacarlas, podrá hacerlo sin causar daño). Las grietas deben ser selladas con silicona. Paso 16: Coloque una franja de espuma en el reborde y a lo largo del borde inferior para que el vidrio descanse sobre ella. Paso 17: Los ganchos que sujetan el vidrio deben ser de metal, de 50 mm de largo, doblados de forma apropiada. Paso 18: Coloque los sujetadores del vidrio en el borde inferior de la estructura. Paso 19: Con cuidado, coloque el vidrio con un saliente de 12 mm en el fondo. Paso 20: Coloque una franja de espuma adicional en el vidrio, en los bordes de los lados y en la parte superior de la estructura. Paso 21: Coloque un reborde de madera de 35 x 10 mm alrededor de la parte superior y de los lados. Selle con silicona entre el reborde de madera y el vidrio. Nota: Primero deberá pintar los rebordes de madera.

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8.4 Construcción del tanque de almacenamiento y de los conductos 8.4.1 Construcción del tanque de almacenamiento El tanque de almacenamiento debe ser construido de acero inoxidable o de cobre; puede ser comprado completo, o utilizar un cilindro usado de aceite. Si cuenta con el equipo de taller adecuado, Ud. mismo podrá hacerlo. Debido a las restricciones de tiempo, en este ejercicio usaremos un cilindro de aceite. La Figura 33 es un dibujo del tanque de almacenamiento que se va a construir. Ponga atención en los lugares de los cuatro conductos y en el lugar del escape de agua.

Figura 33: Dibujo del tanque de almacenamiento

El Cuadro 11 presenta un resumen de los materiales necesarios para la construcción del tanque de almacenamiento y de los conductos.

Cuadro 11: Materiales necesarios para la construcción del tanque de almacenamiento y de los conductos

EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Depósito de aceite de 200 l Codo con rosca de 1/2” 1 válvula de salida de presión Niple doble rosca de 2” Reducción de 2” a 1/2” Codo de rosca interna de 1/2” y externa de 1/2” 4 tuberías de metal de 20 cm y un diámetro exterior de 16 mm Canillero con niple doble rosca Soquete ahusado Varios Agente anticorrosivo Pintura interior Herramientas Martillo, sierra, cinta de medir, escuadra, destornillador, perforadora de 6 mm + brocas, cuchilla Stanley, soplete, sierra para metales, limas y punzón centrador, lija, amoniaco, cautín, pasta de soldar y soldadura.

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8.4.2 Construcción del tanque paso a paso Paso 1: Limpie por dentro y por fuera el depósito de aceite utilizando soda. Nota: Si el depósito contenía productos químicos, tenga cuidado al momento de limpiarlo. Paso 2: Limpie la pintura con una lija. Paso 3: Limpie el polvo y la grasa utilizando amoniaco u otro elemento. Paso 4: Coloque el depósito en un área bien ventilada y déjelo secar. Paso 5: Pinte el interior del depósito con pintura anticorrosiva. Paso 6: Marque el lugar de los cuatro agujeros para los conductos:

A. Entrada para el suministro de agua fría: 10 cm desde el fondo del depósito. B. Entrada de agua fría al colector: 10 cm desde el fondo del colector. C. Salida de agua caliente del colector: 10 cm desde la parte superior, colocada directamente sobre

el punto B. D. Para la salida de agua caliente se puede utilizar el canillero en la parte superior del depósito. E. Debe construirse una tubería de ventilación o una válvula de salida de presión a 2 cm por debajo

de la parte superior del depósito. La tubería de ventilación debe colocarse más arriba que el tanque de almacenamiento que suministra el agua fría. Debe tener una válvula de presión, la que puede ser instalada también en la tubería de salida de agua caliente. Paso 7: Primero, atornille un niple doble rosca de 2” en la válvula de globo. Paso 8: Luego, atornille un soquete ahusado (de 2” a 1/2”) en el niple. El soquete debe tener una rosca interna de 2” y una de 1/2”. Paso 9: Ahora atornille al soquete ahusado un codo con rosca interna y externa de 1/2” en ambos lados. Paso 10: A este codo se conectará el conducto de salida de agua caliente durante la instalación. Paso 11: Para los tres conductos y la tubería de ventilación o válvula de salida de presión, corte cuatro piezas de tubos de acero o hierro de 20 cm, con un diámetro exterior de 16 mm. Paso 12: Haga cuatro agujeros en los lugares señalados en el depósito utilizando un punzón centrador. Paso 13: Agrande primero estos agujeros con una perforadora de 6 mm y luego con una de 16 mm. Paso 14: Lime los agujeros con una lima redonda. Deténgase tan pronto como las tuberías entren en los agujeros haciendo un poco de fuerza. Paso 15: Limpie minuciosamente con una lima los extremos de la tubería y las entradas de los agujeros.

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Paso 16: Limpie con amoniaco los agujeros de entrada y los extremos de las tuberías. Paso 17: Aplique pasta de soldar a las piezas que va a soldar. Paso 18: Luego, suelde las piezas de la tubería en los agujeros en forma segura (ver Figura 34). Observe que la tubería debe encajar verticalmente en el depósito. Cuando suelde, coloque el depósito en posición vertical (ver Figura 35). Advertencia: Al voltear el depósito, tenga cuidado de que las tuberías que ya estén soldadas no se desprendan.

Figura 34: Soldadura de las tuberías

Figura 35: Durante la soldadura, el depósito debe estar en posición horizontal

Paso 19: Para terminar, el depósito y limpie los puntos de soldadura. Paso 20: Pinte el depósito y dichos puntos con pintura anticorrosiva.

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8.5 Construcción de la estructura de soporte Antes instalar un sistema de terma solar es necesario tomar previsiones de construcción en el lugar seleccionado, de modo que el sistema funcione de acuerdo con el principio de circulación natural. 8.5.1 Estructura necesaria de soporte La Figura 36 presenta un esbozo de la estructura requerida de soporte antes de la instalación del sistema.

Figura 36: Estructura requerida de soporte antes de la instalación de la terma solar

Se deben tomar en cuenta las siguientes previsiones de construcción (las letras entre paréntesis hacen referencia a las letras de la Figura 36): Colector (C) - dos puntos de soporte (H1 y H2) Tanque de almacenamiento (B) - un punto de soporte ubicado 30 cm

más arriba del colector Tanque de recolección de agua (A)

(opcional) - sólo tiene que ser construida si no

existe ninguna conexión de red de agua confiable

8.5.2 Cálculo de la altura y el tamaño de la previsión de construcción Antes de efectuar las previsiones de construcción hay que calcular su altura y tamaño. Los colectores del hemisferio Sur (latitud sur) están dirigidos al Norte. Perú está ubicado entre 7º y 17º, y el ángulo del colector deberá estar entre 15° - 20° aproximadamente (se requiere un ángulo mínimo de 15º para evitar que el polvo se quede en el vidrio). Primero se calcula la altura del punto H2, basándose en el modelo de colector construido en el ejercicio previo con una longitud de 1.3 m y con una distancia entre los puntos de soporte H1 y H2 de D12 = 85 centímetros (ver Figura 37)

C

B

A

H1

H2

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Figura 37: Determinación de la altura del punto H1

Utilizando la fórmula, se puede calcular la altura entre H1 y H2.

Supongamos que: = 15º y D12 - 85 cm

Tan = H1 – H2

D12

Tan 15 = (H1 – H2)

H1 - H2 = tan 15 x 85 = 0.269 x 85 = 22.8 = 23 (cm) 85

Ahora, se puede determinar la altura de la estructura de soporte para el tanque de almacenamiento. Asegúrese de que el fondo del tanque esté por lo menos 30 cm más arriba que la parte superior del colector. Ejemplo: – Punto de soporte H2 tiene una altura de H2 (cm) – Punto de soporte H1 tiene una altura de 23 cm + 25 cm = 48 cm

Para la construcción de la estructura de soporte se pueden usar distintos materiales, tales como madera, tubos de metal o concreto. Materiales para la construcción del soporte: Ángulos de 2”, 1 platina de 2”, soldadura. 8.6 Instalación del colector y del tanque de almacenamiento Ahora instalaremos el colector y el tanque de almacenamiento en las estructuras de soporte. El Cuadro12 presenta una lista de materiales necesarios para la instalación.

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Cuadro 12: Materiales necesarios para la instalación del colector y el tanque de almacenamiento

TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Placas de madera o metal para el aislamiento del tanque de almacenamiento Láminas de plástico Silicona Mangueras de plástico flexibles de 16 mm de diámetro interior (4 metros de largo aproximadamente) 4 sujetadores de manguera 1 válvula de ventilación o válvula de salida de presión Material de aislamiento: poliestireno, lana de vidrio o aserrín Material de aislamiento de tuberías para aislar varias mangueras Herramientas Martillo, sierra, cinta de medir, escuadra, destornillador, cuchilla Stanley, soplete, sierra para metales, limas y punzón centrador, lija, tornillos y cinta adhesiva.

8.7 Instalación del colector La caja del colector deberá colocarse en la estructura de soporte. Los agujeros de ventilación deberán mirar hacia el lado más bajo. La caja puede ser montada en la estructura de distintas formas. A continuación describimos una de estas formas, el uso de hierro angular:

Perfore dos agujeros en el colector en el lugar donde será colocado el hierro angular.

atornille el hierro angular en el colector

coloque el colector en la construcción de soporte y marque los lugares donde se harán las perforaciones

retire el colector

perfore agujeros en los lugares marcados

coloque un anillo de silicona selladora alrededor de cada agujero

coloque el colector y el hierro angular en posición tanto en la parte superior como inferior

atornille el colector 8.8 Instalación del tanque de almacenamiento de agua Coloque el tanque de almacenamiento en su estructura, de modo que las entradas y salidas puedan ser conectadas con facilidad al colector y al suministro de agua (ver Figura 38). La instalación del tanque de agua debe llevarse a cabo de la siguiente manera:

Las dos tuberías de conexión del colector están dirigidas a la instalación del colector.

La pieza de conexión del agua fría debe de colocarse cerca de la tubería de abastecimiento.

Las salidas de agua caliente deben apuntar en dirección del caño.

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Luego, se coloca una estructura de madera alrededor del tanque, con la intención de construir el aislamiento para el tanque de almacenamiento. Observe que debe hacerlo de tal manera que:

Haya suficiente espacio alrededor del tanque.

Encaje exactamente en el punto de soporte construido para el tanque de agua. 8.9 Conexión del colector, del tanque de almacenamiento y del suministro de agua En este ejercicio utilizaremos mangueras flexibles para la conexión, con el fin de ahorrar tiempo en la instalación de las tuberías de metal. Las mangueras flexibles no deben ser utilizadas en la instalación de termas comerciales, ya que no son durables.

Figura 38: Conexión de manguera flexible Siga los siguientes pasos: Paso 1: Fije la tubería de abastecimiento a la tubería de conexión de agua fría del tanque de almacenamiento mediante una manguera flexible con sujetadores de manguera (ver Figura 38). Paso 2: Fije el conducto de salida de agua caliente al caño mediante una manguera flexible con sujetadores de manguera. Paso 3: Abra todo el caño. Paso 4: Fije el conducto inferior del tanque de almacenamiento a la entrada del colector mediante una manguera flexible con sujetadores de manguera. Paso 5: Haga que el conducto superior entre el colector y el tanque de agua encaje (recuerde que la manguera flexible no debe doblarse). Paso 6: Instale la tubería de ventilación (más alta que el tanque de almacenamiento de agua fría) o la válvula de escape de presión en la salida de agua fría. 8.10 Llenado del sistema Paso 1: Abra el caño del lado del suministro de agua y deje que ésta fluya dentro del tanque. El agua llena la parte más baja y fluye hacia el colector a través del conducto inferior. Gradualmente, el colector y el tanque de almacenamiento se llenarán de agua de abajo hacia arriba. El agua, calentada por la radiación solar, subirá a los colectores a través del conducto superior unido. Antes de que el agua caliente fluya desde el conducto superior conectado, escaparán algunas burbujas de aire. Paso 2: Si el conducto superior procesa el agua sin hacer ruido, entonces cierre el caño del agua. Paso 3: Ahora, fije el conducto superior al tanque de agua.

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Paso 4: Abra nuevamente el caño de la tubería de alimentación. Paso 5: Ahora, ponga atención en el caño. Cuando la parte superior del tanque esté llena, el agua fluirá al caño vía el conducto de salida. Aquí también se escaparán algunas burbujas de aire antes de que el agua (caliente) salga por el caño. Paso 6: Tan pronto como el agua sale sin dificultad, deberá cerrar el caño. Paso 7: Ahora, verifique todos los conductos entre el lado de abastecimiento y el caño. Marque los lugares donde existan posibles filtraciones (por lo general se trata de un conducto que no ha sido ajustado en forma segura). Paso 8: Cierre el caño y atornille o ajuste las tuberías o conductos de conexión que tienen filtraciones. Paso 9: Abra nuevamente el caño y verifique el sistema completo una vez más (cuando el sistema funcione sin filtraciones, entonces podrá dar inicio a la parte final). 8.11 Aislamiento y finalización de la terma solar Es de vital importancia contar con un aislamiento adecuado del tanque de almacenamiento con el fin de tener un sistema de alta eficiencia. Por lo tanto, todos los conductos a través de los cuales fluye el agua caliente deben ser aislados y, por supuesto, el tanque mismo. A continuación se describen los pasos del proceso para aislar el tanque de almacenamiento y los conductos. Tanque de almacenamiento Paso 1: Construya una estructura de madera alrededor del tanque de almacenamiento. Atornille y ajuste con fuerza las láminas de metal (como zinc y aluminio) o de madera (por ejemplo madera contraplacada) alrededor de toda la estructura de madera (ver Figura 39) Paso 2: Haga aberturas en los lugares donde hay conexiones. Paso 3: Una vez terminado el aislamiento de láminas en la parte exterior, se rellena el interior con material aislante tal como poliestireno, lana de vidrio o aserrín, tecnopor, etc.

Figura 39: Aislamiento exterior con láminas de metal

Paso 4: Luego de colocar el aislamiento, cubra toda la parte superior del tanque con plástico. Paso 5: El tanque de almacenamiento se termina con la construcción de un techo de madera o metal. Conductos

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Paso 1: Aplique aislamiento a los diferentes conductos hasta que quede hermético: a) enrollando tiras de plástico alrededor del aislamiento y amarrándolas, o b) utilizando aislamiento para tubería con cubierta de aluminio (ver Figura 40) El aislamiento deberá ser hermético y resistente a los rayos ultravioletas.

Figura 40: Ejemplo de aislamiento para tuberías utilizando una cubierta de aluminio

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ANEXOS

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ANEXO 1

LISTA DE VERIFICACIÓN PARA LA INSPECCIÓN DE TERMAS SOLARES

LISTA DE VERIFICACIÓN Fecha ___________________

PARA LA INSPECCION DE Firma ___________________

TERMAS SOLARES

Información General4

¿En buen estado?

No *1 *2 *3 *4 *5 6

No. de Registro Inspección Tipo de inspección Fecha Nombre del inspector Usuario de la terma Nombre Dirección Código postal, ciudad Teléfono Terma Solar Marca y modelo Tipo de sistema Año de fabricación Manual disponible Colector Área (m2) Número de colectores Tipo de colectores Orientación Inclinación (o) Sistema eléc. de apoyo Marca y tipo Potencia en kW

.................................................... instalación/mantenimiento5 .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... termosifón/de circulación forzada2 .................................................... sí/no2,6 .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................................... ....................................................

___ ___ ___

___ ___ ___

4 Para inspecciones en una etapa posterior (p.ej. inspecciones de la instalación después de un año), responder solamente las preguntas marcadas con *.

5 Borre según convenga.

6 Indique con una “X” en la columna derecha.

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Inspección Visual

Correcto

No

Desco-

No

aplic.

nocido

7 *8 9 10 11 12 *13 14 15 *16 17 18 *19 *20

Estructura de soporte (fuerte, fijada al techo/ fijada al suelo) Tanque de almacenamiento (ubicación, sin filtraciones, material) Aislamiento del tanque de almacenamiento (ajustado, sin aberturas) De conocerse: caída nocturna de temperatura........ oC Conexión de las tuberías desde el tanque de almacenamiento hasta el colector y los puntos del usuario (posición correcta, aislamiento, válvula de salida de aire) Válvula de retención (posición correcta) Colocación de las tuberías de circulación entre el colector y el tanque (inclinación correcta, sin codos angulosos, válvula de salida de aire) Aislamiento de las tuberías de circulación (extensión completa, material resistente a la intemperie, condición de aislamiento) Posición del tanque de expansión, tubería de ventilación o válvula de seguridad Sensores del colector (correctamente unidos a las tuberías de circulación de agua fría y caliente) Bomba de circulación (posición, tamaño......hp/kW2) Bomba stand by (posición, tamaño......hp/kW2) Unidad de control (posición, tipo DTC/FTC2) Cables del sensor (Conexiones apropiadas, tamaño correcto y cables de aislamiento) Sistema eléctrico de apoyo a un interruptor manual (ubicación) b regulación del termostato.........ºC, rango.........ºC c cableado eléctrico apropiado Cubierta de vidrio del colector (limpio, sin rajaduras,

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*21

hermético, sin condensación) Absorbente (sin corrosión, sin filtraciones, pintura/ revestimiento en buen estado)

___

___

Pruebas y mediciones

Correcto

No

aplic.

Desco-

nocido

No

*22 *23 *24

Temperatura de la salida de agua caliente......... ºC Circulación con sistemas de efecto termosifón (diferencia de temperatura entre los acoples fríos y calientes) Circulación forzada Importante: para esta prueba, debe haber mucho sol y la bomba debe estar funcionando: Verifique la circulación, estimando o midiendo la diferencia de temperatura entre las tuberías frías y calientes a) Control de Temperatura Fija (CTF) 1) Dé inicio a la prueba

Anote la regulación del termostato: TCTF = .........ºC Mida la temperatura de la salida T out = ..........ºC

Verifique: Tout debe ser más alta a la TCFT 2) Finalice la prueba:

Aumente la regulación del termostato: TCFT + 10 = .........ºC Verifique: la bomba puede ser apagada Verifique: luego de un momento, la bomba deberá encenderse Mida la temperatura de salida: Tout = ............ºC Verifique: Tout deberá ser ligeramente más alta que la TCFT

Regrese el termostato a su posición inicial b) Control de Temperatura Diferencial (CTD) 1) Dé inicio a la prueba:

Anote la regulación del CTD: TCTD = .............ºC Mida la temperatura de la entrada del colector Tin = .............ºC Mida la temperatura de la salida del colector Tout =...........ºC

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Verifique: (Tout - Tin) deberá ser más alta que TCTD

2) Finalice la prueba (opcional): Si es posible enfríe el sensor "caliente" o caliente el sensor "frío": Verifique: la bomba debe apagarse

___ ___

___ ___

___

Opinión del Usuario

1) Temperatura del agua caliente: satisfactoria/insatisfactoria 2) Cantidad de suministro de agua caliente: satisfactoria/insatisfactoria 3) Temperatura constante (p.ej. durante el baño): satisfactoria/insatisfactoria 4) Comentarios generales:

Lista de Acciones

Parte

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........

........

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Acción

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............................................................

............................................................

............................................................

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............................................................

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Responsable

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ANEXO 2

LEGISLACIÓN Y NORMATIVA Y RENOVABLE Los Sistemas de Calentamiento de Agua con Energía Solar (SCAES) son aquellos sistemas que más normatividad poseen, debido al interés del sector público y privado de normalizarlos. La energía solar térmica, vale decir los SCAES o termas solares, posee las siguiente normatividad:

Norma Técnica Peruana NTP 399.400-2001 - Colectores solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares.

Norma Técnica Peruana NTP 399.404-2006 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Fundamentos para su dimensionamiento eficiente.

Norma Técnica Peruana NTP 399.405-2007 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Definición y pronóstico anual de su rendimiento mediante ensayos en exterior.

Norma Técnica Peruana NTP 399.482-2007 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Procedimientos para su instalación eficiente.

Norma Técnica de Edificación EM.080 – Instalaciones con energía solar. Las Normas Técnicas Peruanas (NTP) pueden ser adquiridas en el Instituto Nacional de Defensa de la Competitividad y la Propiedad Intelectual (INDECOPI) y tienen un costo.