Implementar utilización de energía solar para duchas calientes

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1. OBJETIVO GENERAL

1. Implementar utilización de energía solar para duchas calientes.

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INTRODUCCION:

1. Consideraciones Generales:

1. MARCO TEORICO

1.1) La energía solar

En el siguiente subcapítulo, se presentará la definición de la energía solar y la manera como esta puede generar energía eléctrica. Así mismo, se detallará los componentes necesarios para el adecuado funcionamiento de un sistema fotovoltaico y las condiciones necesarias para que se pueda producir de manera eficiente este fenómeno fotoeléctrico. Es importante conocer estos temas debido a que sin ellos no se lograría una adecuada implementación de un sistema solar fotovoltaico.

El sol es una fuente renovable por medio del cual se puede generar energía captando los rayos infrarrojos o los fotoeléctricos. El primero se refiere a la energía térmica, la cual capta el calor para el calentamiento de fluidos, entre los cuales se encuentra principalmente el agua y el aceite, mientras el otro tipo de energía, la cual convierte la radiación solar en energía eléctrica, es la energía fotovoltaica.

1.1.1) Energía Térmica

Para entender mejor el concepto de la energía térmica, se presentará la siguiente definición realizada por la Asociación para el Fomento y Uso Social de las Energías Renovables (AFUSER):

• La energía solar térmica, también llamada termosolar, es la energía que convierte la radiación solar en calor, y transfiere este calor a un líquido, generalmente agua. Podemos aprovechar el calor del líquido calentado para obtener agua caliente sanitaria, calefacción de viviendas, calentamiento de piscinas y otras aplicaciones. (AFUSER 2014)

Según la cita anterior se puede afirmar que la energía termosolar, se encarga de convertir la radiación solar en calor, con el fin de poder calentar fluidos, a diferencia de la energía fotovoltaica, la cual se encarga de producir energía eléctrica. Este proceso que consiste en producir calor, se logra con la ayuda de los colectores solares también conocidos con el nombre de paneles, placas o captadores. El agua fluye por estos colectores, permitiendo de esta forma que sea calentado por el sol. Actualmente existen diferentes tipos de colectores como los que presentaremos a continuación:

• Colector de plástico: Son colectores económicos, pero no son aptos para proporcionar agua caliente sanitaria y calefacción. Suelen utilizarse para calentar piscinas en verano.
• Colector plano: Con cubierta de cristal. Pueden calentar piscinas, proporcionar agua caliente sanitaria y calefacción. No son aptos para calefacción por radiadores.
• Colector de tubos de vacío: Son los más eficientes, compuestos por tubos de cristal al vacío, aprovechando al máximo la energía solar incluso en días nublados. Suelen tener un costo superior a los planos, pero son válidos para cualquier aplicación, incluso calefacción por radiadores.

A continuación, se presenta una imagen, que explica el funcionamiento del uso de energía solar para agua caliente y calefacción:

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1.1.1.1) Elementos

Sistema de captación: Encargado de captar y convertir la radiación solar en energía térmica aumentando la temperatura del fluido de trabajo.

A continuación, se presenta una imagen con los elementos que conforman el captador solar de placa plana

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• Carcasa: Tiene dos funciones. Proteger y soportar todos los elementos del captador, y otra estructural para poder adaptarse al edificio o al soporte.
• Cubierta transparente: El material de la cubierta debe de producir el efecto invernadero, tener un coeficiente de dilatación pequeño, así como una buena resistencia mecánica.
• Absorbedor: Recibe la radiación solar, la transforma en calor y la transmite al fluido portador.
• Aislamiento: Protege al absorbedor de las pérdidas térmicas en su parte posterior.
• Tuberías: Pueden ser de dos tipos, según lo mostrado en las siguientes imágenes

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En el siguiente cuadro se muestran los valores de eficiencia óptica (ho) y coeficiente general de pérdidas (UL), así como los rangos de temperatura de trabajo para distintos tipos de colector:

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• Intercambiador de calor: Permite transferir el calor del fluido de trabajo que circula por un circuito primario al agua que hay en el circuito secundario.
• Sistema de acumulación: Almacena la energía térmica producida en forma de agua para poder utilizarla en periodos en lo que la demanda exceda la capacidad de producción.
• Sistema de control: Encargado del correcto funcionamiento de la instalación dando las órdenes necesarias a las bombas y válvulas para que funcionen según valores aportados por las diferentes ondas.
• Sistema hidráulico: Permite la circulación de los fluidos por los diferentes circuitos de la instalación.
• Sistema de energía: En general, el sistema solar va a permitir sustituir una parte de la energía convencional consumida por la instalación, pero no toda esta, por eso normalmente siempre existe este sistema de soporte.

1.1.1.2) Tipos de sistemas

• Principio directo: Consiste en que el agua que será consumida recorra directamente los colectores solares, para que esta sea calentada. Ese tipo de sistema permite reducir costos y es más eficiente, energéticamente hablando, sin embargo presenta problemas en zonas con 20 temperaturas muy bajas o con un alta de concentración de sales, lo cual termina por obstruir los paneles. Asimismo tiene como desventajas que el agua puede evaporarse o congelarse, riesgo de corrosión y la dificultad para emplear material que no contamine el agua.
• Principio indirecto: Este sistema es el común. Se utiliza un líquido anticongelante para que recorra los tubos y se caliente con la radiación solar, este líquido al ser calentado, pasa por el circuito primario hacia el acumulador, en donde se produce el intercambio de calor del circuito primario (anticongelante calentado por placas solares), con el circuito secundario (agua para consumo). En el caso de que el agua que va a ser consumida no alcance la temperatura deseada, entra en funcionamiento automáticamente el sistema auxiliar. Todo el proceso es automático y regulado por el sistema de control.
• Principio Pasivo: Este tipo de sistema a diferencia de los demás, no utiliza ningún tipo de sistema auxiliar, ya que el calor se genera por convección, debido a la diferencia de temperatura, para lo cual es necesario colocar al acumulador de agua a un nivel superior, mayor de 30 centímetros, de los colectores. Para evitar el riesgo de temperaturas elevadas en el depósito este se diseña con volúmenes mayores de 70 l/m2 de colector. Este tipo de sistema es conveniente en lugares aislados de la red eléctrica, ya que es económico, de simple instalación y autónomo. Los factores negativos son de carácter estético y de resistencia de tejado, debido a que el depósito debe estar a una altura mayor que los paneles. Asimismo al no contar con un sistema de apoyo, el rendimiento de este sistema se reduce.
• Principio activo: Este tipo de sistemas requieren de un electro circulador. En este caso a diferencia del sistema natura, sí se requiere de energía eléctrica. Es así como la eficiencia del sistema natural aumenta, asimismo ya no es necesario colocar el acumulador a un nivel por encima de los colectores, sino por el contrario este se puede ubicar dentro de la vivienda. Asimismo, este sistema deberá incluir una válvula antirretorno. La ventaja de este sistema es 21 el aspecto estético y de rendimiento. Asimismo, el tejado ya no tiene que soportar el peso del acumulador. Sin embargo, el gasto de inversión es más alto y requiere energía eléctrica para el funcionamiento de la bomba

Combinando estos cuatro principios los siguientes sistemas existen en el mercado y funcionan con paneles planos o tubos al vacío.

1.1.1.3) Tipos de termas solares

• El sistema directo pasivo: Es el más simple y domina el mercado en Perú. Existen varias empresas nacionales que producen estos calentadores con paneles planos o los equipan con tubos al vacío, sobre todo en Arequipa, donde se presenta una radiación muy favorable. Solo en esta ciudad se estima que más de 35.000 sistemas son instalados. Cabe mencionar que sistemas que no aguantan una presión elevada (por ejemplo los sistemas con tubos al vacío simples) requieren un limitador de la presión adicional. Existen termas de diferentes tamaños desde 80 litros hasta varios miles de litros. Con un buen acabado y buenos materiales (por ejemplo acero inoxidable) pueden durar más de 15 años con muy poco mantenimiento. Sistemas pequeños para uno o dos personas y baratos cuestan aproximadamente desde 1.000 Soles, más la instalación

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• El sistema activo directo: Permite posicionar el acumulador en cualquier lugar. Para lograrlo, hay que añadir una pequeña bomba para la circulación entre los paneles o los tubos y el tanque. Un controlador evita que el agua circule cuando el panel no produce calor, normalmente durante la noche. Además, en este ejemplo se usa una pequeña placa solar fotovoltaica para alimentar la bomba con electricidad independiente de la red. Este sistema puede ser muy favorable en cuanto al diseño y la estética, sin embargo, la desventaja es la necesidad de una bomba, convirtiendo el sistema en un sistema más complejo y de mayor costo de inversión.

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• El sistema activo indirecto: Es el sistema que se usa en zonas donde la temperatura puede congelar el agua. Aunque es más sofisticado y necesita una atención mayor (por ejemplo una renovación de los líquidos anticongelantes) todavía es muy rentable. Este sistema domina los mercados en el norte de Europa, donde, aparte de calentar el agua y a pesar de una radiación muy reducida, apoya frecuentemente la calefacción de las casas enviando el calor a través de radiadores a las habitaciones. Este sistema requiere un intercambiador de calor normalmente colocado en el tanque. Recientemente se empezó con la producción de estos sistemas en el Perú.

1.1.1.4) Orientación e inclinación de los colectores:

Además de la orientación, el ángulo de inclinación que forman los colectores con el plano horizontal es un factor importante en la eficiencia del equipo solar. Los colectores deben tener

una inclinación que permita captar los rayos del sol de manera perpendicular en su superficie al mediodía. El ángulo de inclinación de los colectores dependerá del uso del equipo solar:

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