Colectores Solares descubiertos

 

 

Colectores Solares descubiertos

Colectores Solares descubiertos para temperar piscinas
y hacer pre heating en procesos industriales

El reciente lanzamiento de la ley solar 20.365 ha provocado una mayor difusión de la Energía Solar  en Chile y los procesos solares térmicos, sin embargo aún el conocimiento de las tecnologías existentes es muy general, en especial en sus aplicaciones y ventajas comparativas.

1. TECNOLOGÍAS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS

En el mercado Chileno se ofrece hoy en día una amplia  variedad de paneles y colectores solares térmicos  que se diferencian principalmente, por su procedencia y  aspectos físicos, datos que son importantes pero no relevantes a la hora de tomar una decisión. Lamentablemente en general, la elección se centra exclusivamente en la variable precio, sin considerar aspectos importantes como: la vida útil del equipo, la seguridad, la mantención, las facilidades de instalación etc. y  lo más importante de todo ¿en qué se va a UTILIZAR?.

En Chile y a nivel mundial es posible encontrar tres tecnologías principales, que se pueden diferenciar precisamente por su uso:

a. Los paneles solares planos, en términos generales están formados por cañerías o tubos de cobre o plástico, unidos a una placa plana (sólo los de cobre) que recibe y transmite la energía del sol captada al fluido que pasa por los tubos. Los tubos están dentro de una caja aislada para evitar las pérdidas de  calor y lograr mayor temperatura, en el frente poseen una cubierta transparente de vidrio o policarbonato que amplifica la temperatura y produciendo un efecto invernadero. La mayoría se importan desde Alemania, Israel, China y España, también se fabrican en Chile.

Estos equipos permiten calentar a temperaturas medias (60 a 80 °C). Su uso principal es Agua Caliente Sanitaria ACS.

b. Los de tubos al vacío, son paneles hechos en tubos de vidrio  con una superficie envolvente  herméticamente cerrada y donde  su “aislante térmico” es el vacío. Estos equipos se importan principalmente desde China.

Con los tubos al vacío al igual que los paneles planos, se puede lograr mayores temperaturas (70 a 95 °C). Su uso principal es para procesos industriales.

c. La tercera tecnología y la razón de este artículo son los colectores solares descubiertos,  hechos en polipropileno resistente a los rayos UV y donde el proceso de temperado se produce por exposición directa a la radiación solar,  del  agua que se hace circular por  el interior de los colectores.

A diferencia de las dos anteriores, estos equipos son óptimos para procesos de baja temperatura y a temperaturas medias (35 a 50 °C), por esta misma razón se utilizan principalmente en temperar grandes volúmenes como son las piscinas y también para uso industrial en Empresas y Organizaciones con altos consumo diario (alimentos, tintorerías, lavanderías, hospitales, cecinas, viñas etc.)

Creemos que esta última tecnología, pese a ser  una de la más utilizada en Chile (hace varios años que se temperan piscinas), es una de las menos conocidas, por lo que trataremos de sintetizar sus características y aplicaciones.

2. El  Colector Solar Descubierto

Hace unos 20 años una empresa pionera en la energía solar en Chile, importó por primera vez desde Israel, los colectores solares descubiertos, con el objeto de comercializarlos en casas particulares para temperar piscinas.   
En el cuadro 1  se detallan  las principales características físicas de estos equipos. Es importante destacar algunos aspectos de este colector:

a. Al ser fabricados en polipropileno (plástico) su peso incluso con agua en su interior es bajo por lo que se puede instalar sobre cualquier tipo de techo.

b. Por su interior puede circular todo tipo de agua: clorada, salada, con grado de acidez variable, duras etc. y no se producen incrustaciones.

c. Su material de polipropileno inyectado estabilizado contra la radiación ultravioleta (UV), lo hace resistente al envejecimiento térmico y le da una alta  vida útil (25 años).

d. Algunos colectores tienen además la tecnología “overmolding”, lo que implica una fusión entre el manifold de distribución y los tubos captadores, lo que hace que sean como un solo cuerpo, lo que le da mayor seguridad, ya que se previene posibles fallas por soldadura o roturas en sus uniones y disminuye significativamente la perdida de carga.

e. Posee alta resistencia mecánica (hasta 270 psi de presión).

f. Se instalan directamente sobre los techos, no requieren estructuras, ángulos de inclinación, aislación  ni una caja especial.

3. Aplicaciones en Piscinas

En el mundo la principal aplicación de estos colectores, es para temperar piscinas, que pueden ser de dos tipos, las piscinas domiciliarias no techadas en las cuales los usuarios logran disfrutar más sus baños a una agradable temperatura (en torno a los 28 °C) y además alargan el tiempo que la usan (más horas al día y más meses en el año). Para este tipo de piscina, se obtiene un beneficio que antes no la tenían.

Para las piscinas temperadas techadas, de Clubes, Colegios, Hoteles, Municipalidades, etc., lo que se busca con estos colectores solares es el ahorro de energía, disminuyendo el uso de calderas, bombas de calor, etc. que utilicen para temperarlas durante todo el año.  En este caso la energía solar se complementa con la energía tradicional. Para Santiago este ahorro se produce entre Septiembre y Marzo, siendo más significativo en los meses de verano.

En el cuadro 3 se presenta un esquema  de funcionamiento para una piscina.

a. Los colectores solares descubiertos  temperan el agua  al  pasar ésta directamente por su  interior, la energía captada incrementa la temperatura (1 a 2 °C  por pasada). El aumento de temperatura es gradual y  es la piscina la que sirve como acumulador de energía.

b. Este mismo ciclo se repite durante las horas de mayor radiación solar (11 a 17 hrs) si se regula por Timer, o cada vez que el control automático haga partir la bomba de impulsión.

c. El uso de un controlador automático es recomendable para optimizar el sistema e indispensable para la costa y piscinas techadas. Mediante sensores compara temperaturas  entre los colectores y la piscina, solo si hay aporte positivo activa la bomba. En esta forma  ya que  evita que se enfríe el agua en días nublados o con baja radiación.

d. Para piscinas techadas temperadas todo el año (27 a 28 °C), el equipo solar cubre el 100% de las necesidades en los meses de verano. Los meses restantes, aporta temperatura y ayuda a mantener la piscina y lo que falta se cubre con el sistema auxiliar de temperado.

4. Aplicaciones Industriales  (PRE HEATING)

Desde hace unos 12 años, en países como EEUU, México, Brasil e Israel, se está utilizando este tipo de colectores para el precalentar agua  en  procesos industriales, cuando los consumos son superiores a los 10.000 [l/día].  Esta aplicación está especialmente  orientada a hospitales, tintorerías, industrias de alimentos, hoteles, clubes deportivos etc., que son industrias que consumen grandes volúmenes de agua temperada.

El proceso de PREHATING es simple y se puede resumir:

a. Se alimenta un estanque con el agua de la red (10 a 15 °C) y  se hace circular por el interior de los colectores durante las horas de mayor aporte solar. Para ello se requiere una bomba que funcione entre 7 y 10 horas diarias, la bomba está comandada por un control automático.

b. Durante el día de funcionamiento, se pueden obtener en toda la masa de agua temperaturas cercanas a los 40 [°C] y un máximo de 50 [°C].

c. Si la temperatura exigida por el usuario es media (30 a 35 [°C]), el agua precalentada puede ser utilizada directamente en procesos productivos. En el caso que se requiera más temperatura se alimenta con esta agua el estanque de la caldera, elemento que le dará el delta de temperatura que le falte.

La aplicación PREHEATING  ha tenido un gran auge en el mundo, habiéndose realizado instalaciones de gran envergadura sobre los 2.000 [m2] instalados.

5. ELECCIÓN DE TECNOLOGÍA

Creemos que para poder elegir adecuadamente que tipo de equipo solar se debe utilizar, una vez considerados los volúmenes de agua, las temperaturas requeridas, se deben tomar en cuenta, además otros factores como: la eficiencia del sistema,  una evaluación económica y factores de seguridad.

Elección según su eficiencia

En la figura A, se puede apreciar, eficiencias logradas por las distintas tecnologías y su aplicación a distintos usos. Donde la variable ambiental delta T corresponde a la diferencia de temperatura media del colector y el ambiente; y el valor “G” corresponde a la irradiancia en W/m2 existente. Por su parte, las pendientes de la curva indican las pérdidas de calor típicas de las distintas tecnologías en operación una vez se aumenta la temperatura objetivo.

Es así como se puede suponer que para lograr una temperatura de 40 [°C], con una temperatura ambiente de 30 [°C] y una irradiación de 1.000 [W/m2] el factor inferior de la gráfica (que nos resulta 0,01 [°C m2/W]) nos indica que la tecnología a usar corresponde a colectores solares  descubiertos, por su parte  para una temperatura superior a 85 [°C] se debe utilizar colectores de tubos al vacio  y en el rango intermedio, es decir entre el valor 0,01 y 0,06 [°C m2/W] por eficiencia  conviene usar colectores planos.

Elección Económica

Para evaluar el aspecto económico es necesario establecer para un período determinado, cuanta energía (Kcal o kW) me entregará el equipo solar, cuál será  la inversión que se hará, sus costos de operación y el ahorro en energía que se puede obtener al implementar la aplicación solar, llegando finalmente a definir el retorno de la inversión.
En colectores descubiertos la inversión por metro cuadrado fluctúa entre los 80 y 100 US$/m2, para colectores planos la inversión es alrededor de los 180 US$/m2 y para tubos al vacío de 240 US$/m2 y estos valores se deben evaluar según la energía que entregan las distintas alternativas.

Para aplicaciones de Pre-Heating (rango hasta 50 [°C])  ó para aplicaciones de piscinas, el colector solar descubierto ofrece una relación de energía entregada versus el costo de ésta energía, muy conveniente, ya que es el que mejor se acomoda para éste rango de temperatura. Además es el  equipo que tiene un menor costo en el mercado (por metro cuadrado) al ser de polipropileno, su precio es sustancialmente inferior a las otras tecnologías.

Elección según la seguridad ofrecida

Éste aspecto, aunque relevante, es el menos considerado normalmente por las empresas ejecutoras de proyectos, se debe considerar la ubicación de los colectores, para así evaluar las variables de seguridad de la instalación. Como aspectos de seguridad se deben ver: temperatura de estancamiento, peso de la instalación, calidad de equipos, y certificaciones:

1. Temperatura de estancamiento:

La temperatura de estancamiento corresponde a la máxima temperatura que puede llegar un colector solar en estado de operación, ya sea por no utilización del sistema u otras. Los colectores descubiertos no superan los 100 °C us (incluso en cajas de alojamiento), los colectores planos andan en rangos superiores cercanos a los 180 °C y los de tubos al vacio fluctúan entre los 240 y 300 [°C]. Esto es importante al saber que para aplicaciones domiciliarias ésta tecnología puede ser una fuente de inseguridad para las personas, ya que al realizar una instalación en los techos de las edificaciones se debe considerar una excelente ingeniería que permita no exponer a incidentes a las personas o las instalaciones existentes. Además que bajo altas temperaturas de estancamiento, es más importante aún la utilización de elementos de alta calidad, que soporten altas temperaturas y que además la ingeniería de detalle del proyecto esté bien ejecutada.

2. Calidad del producto:

Aunque es complejo hablar de calidad del producto debido a la gama de productos existentes, quizás ésta se puede garantizar en cierta forma con las garantías de ellos. Para el caso de colectores solares descubiertos, las garantías entregadas por algunos proveedores son de alrededor de 10 años, esto para asegurar una vida útil mínima, con lo que también se asegura una calidad de producto; en el caso de los colectores planos incide el espesor del material interno (generalmente cobre), el proceso de fabricación (igual para todas las tecnologías), y la calidad de los insumos, aunque las garantías de esos son menores, se cuenta con colectores con vida útil amplia y con calidades que responden principalmente al origen del país. En tubos al vacío, la calidad la entrega el vidrio que lo compone, para este caso es muy difícil asegurar una calidad de producto, ya que a simple vista no es posible notar diferencias entre los tubos, por tanto se debe confiar en laboratorios de ensayos que emitan certificados comprobables y es importante además, saber que las certificaciones ISO 9.000 frecuentemente utilizadas por proveedores no se enfocan a calidad del producto, sino más bien al proceso de éste, pudiendo ser en sentido figurado un Lada o un Mercedes Benz con igual certificación.

 

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