METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Energía solar térmica para uso domiciliario en Argentina

Autor: Matías Fernández Ochoa

BUENOS AIRES, 07/07/09

METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Energía solar térmica para uso domiciliario en Argentina

Autor: Matías Fernández Ochoa

BUENOS AIRES, 07/07/09

Resumen

A causa de los continuos aumentos y elevados costos de los suministros de gas natural en Argentina, que sumado a la creciente conciencia por el cuidado del medio ambiente lleva a buscar alternativas de apoyo. Una de las más usadas a nivel mundial es el uso de colectores solares, estos brindan no solo ahorro económico sino también beneficios a nivel ambiental. Para lograr una utilización a mayor escala se deben promover políticas de incentivo para este tipo de instalación por parte del gobierno y también crear conciencia ambiental.

Índice

Introducción...............................................................................................................1

Marco Teórico............................................................................................................2

Funcionamiento del sistema.......................................................................................4

Aplicaciones...............................................................................................................9

Situación en Argentina...............................................................................................10

Objetivos del trabajo..................................................................................................12

Criterios de éxito........................................................................................................12

Planificación tentativa................................................................................................12

Bibliografía................................................................................................................13

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Energía solar térmica para uso domiciliario en Argentina

1- Introducción

En la actualidad los continuos aumentos en los suministros de gas y electricidad, sumados a la creciente conciencia por el medio ambiente han llevado a buscar fuentes de energías renovables que complementen o sustituyan los suministros de hoy en día. Este tipo de energías se presentan en un gran abanico de posibilidades, como por ejemplo el aprovechamiento de la radiación solar, los vientos, las mareas y el calor de la tierra. En muchos países el desarrollo de las energías renovables se encuentra en crecimiento, sin embargo en Argentina no se cuenta con una política enfocada a la utilización de estos recursos.

Una de las energías más desarrolladas es el aprovechamiento de la radiación solar. Su aplicación es muy variada y se la utiliza, principalmente, para generar electricidad por medio de celdas fotovoltaicas, energía solar fotovoltaica, y energía calorífica por medio de colectores solares, energía solar térmica. Se utiliza esta última para el suministro de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción en hogares, y para diversos fines en la industria. En los últimos años creció de manera significativa en los pises desarrollados, como Estados Unidos, España y Gran Bretaña. A pesar de que en Argentina su uso es prácticamente nulo, su utilización generaría grandes ahorros para las familias. El consumo de gas natural en los hogares de Argentina representa un alto porcentaje de los costos que una familia tiene que afrontar, sobre todo en los meses de invierno. Esto sumando al incremento en las tarifas de las proveedoras de gas natral, provoca una búsqueda de fuentes alternativas, una posible solución para la reducción de estos elevados costos es la utilización de colectores solares para la obtención de energía solar térmica. En Argentina podemos encontrar dos productores de colectores solares, lo cual hace que no sea necesario impórtalos y los costos no sean muy elevados.

La instalación de los equipos domésticos de energía solar térmica es sencilla, cuenta con una alta tecnología y un desarrollo fiable y económico para que puedan funcionar a base de energía solar o de otras fuentes, como el gas natural. No debemos depender únicamente de los días soleados ya que los equipos actuales cuentan con depósito y un sistema energético auxiliar en donde se almacena toda la energía recogida durante días, lo que nos permite utilizarla luego durante la noche.

Introducción Matías Fernández Ochoa 1

2- Marco Teórico

Podemos decir que la energía térmica se relaciona íntimamente con los fenómenos caloríficos, para comprender un poco mejor esta idea, decimos que este tipo de energía se produce cuando dos cuerpos, que tienen diferentes temperaturas, se ponen en contacto. El cuerpo caliente es el que comunica la energía al cuerpo frío, la diferencia entre ambas temperaturas es lo que se denomina energía térmica. La energía solar térmica consiste en aprovechamiento del calor solar mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos, entre ellos podemos encontrar los colectores planos y tubulares.

Los colectores absorben el calor y lo concentran gracias al efecto invernadero creado en el interior de la placa. El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero, cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura. Posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro, pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero, la radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material. Si en el interior del sistema, se coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendrá agua calentada por el Sol. La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular.

Las características físicas de los colectores varían según su geometría externa. Entre los tipos de colectores podemos encontrar:

Los colectores doble parabólicos consisten en un espejo curvado de dos ejes que presenta curvatura parabólica. La forma de estos colectores de energía solar se asemeja a las antenas parabólicas para el seguimiento de naves espaciales, permiten obtener temperaturas sumamente elevadas, pero presentan el problema de que precisan un seguimiento del Sol muy preciso y además en dos direcciones: de Este a Oeste y de abajo a arriba.

Marco Teórico Matías Fernández Ochoa 3

Esto requiere un mecanismo complejo de seguimiento con dos motores, uno para efectuar el movimiento horizontal y otro para el movimiento vertical.

Los heliostatos son espejos planos que forman parte de un colector de concentración de gran tamaño. Cada heliostato consta de varios espejos planos sujetos a un soporte. Los heliostatos han de orientarse al Sol mediante un movimiento en dos direcciones, de forma que los rayos solares reflejados en el heliostato incidan en un receptor. Debido a que los diversos heliostatos estarán situados en posiciones diferentes del terreno, el ángulo con que deben orientarse es distinto para cada uno de ellos. Sin embargo al ser fijos, mediante un sistema informatizado se puede controlar fácilmente el correcto posicionamiento de todos los heliostatos, en base a consideraciones geométricas, y obtener un factor de concentración muy elevado.

El colector cilíndrico consiste en un arco de cilindro con el espejo en la parte interior. La ventaja, respecto parabólico, es su menor costo de fabricación. Un haz de rayos paralelos que se refleje en una superficie cilíndrica no da lugar a un foco único, sino al llamado foco paraxial, que está situado aproximadamente a 0.5 veces el radio. Entre este foco paraxial y la superficie del espejo está la zona de concentración de los rayos solares. En las proximidades de la superficie del espejo hay una zona donde inciden los rayos solares que han sufrido varias reflexiones. El receptor suele consistir en un tubo rectangular situado en esta zona de concentración de los rayos solares. Dadas las características de estos colectores, su orientación no precisa ser muy exacta, pues, para un amplio margen de ángulos de incidencia, la radiación solar reflejada en el espejo siempre incidirá en el receptor.

Marco Teórico Matías Fernández Ochoa 3

3- Funcionamiento del sistema

El colector o panel solar capta los rayos del sol, absorbiendo de esta manera su energía en forma de calor, a través del panel solar hacemos pasar un fluido, el cual puede ser agua, de manera que parte del calor absorbido por el panel es transferido a dicho fluido, el fluido eleva su temperatura y es almacenado o directamente llevado al punto de consumo, o bien el fluido usado para calefacción. Según su geometría interna y características podemos diferenciar tres tipos de colectores, colectores de tubos de vacío (para hogares en zonas de bajas temperaturas), colectores planos (para techos) y colectores planos termosifónicos (para instalaciones sencillas y más económicas).

La tecnología de tubos de vacío es actualmente la más eficaz de las empleadas en los colectores solares térmicos. Durante un tiempo fue un sistema muy caro y de difícil acceso, sin embargo este sistema comienza a hacerse cada vez más accesible para algunas aplicaciones. Podemos encontrar colectores de tubo de vacío cilíndricos y doble parabólicos. Los colectores cilíndricos están formados por dos tubos concéntricos entre los cuales se ha aspirado el aire produciéndose un vacío y los tubos se unen sellándose el vacío. Dentro de ambos tubos se sitúan los distintos tipos de absorbedores que determinan los distintos sistemas. Mientras que en los colectores doble parabólicos el vacío se genera entre en el espejo curvado. Ambos colectores utilizan dos circuitos para calentar el agua, el primario por el cual circula antioxidante de agua y etilenglicol y el secundario por el cual circula el agua

Figura 3.1 Instalación de colectores solares planos para agua caliente sanitaria

Tanto los colectores planos como los planos termosifónicos utilizan helióstatos como forma de recolectar la radiación solar, ambos utilizan un acumulador para almacenar el agua caliente. Los primeros utilizan dos circuitos (Figura 3.1), mientras que los otros solo uno (Figura 3.2). Este último es mas económico, reduce costos y es más eficiente, energéticamente hablando, pero presenta

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problemas en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, así como en zonas con alta concentración de sales que acaban obstruyendo los paneles.

Figura 3.2 Instalación de colectores solares termosifónicos para agua caliente sanitaria

En la actualidad se usan para la mayoría de las instalaciones los tubos de vacío ya que presentan mejores prestaciones que los planos, la mas importante es la gran diferencia en el rendimiento de los colectores (Figura 3.3). Estos últimos se usan solo en lugares con climas tropicales y un porcentaje muy bajo de días de frío. En las zonas de frío intenso es indispensable el uso de tubos de vacío, estos estan equipados para aguantar condiciones adversas y en casos de intensas nevadas, los colectores se pueden instalar en una posición más vertical, y con un pequeño espacio en la parte inferior, lo que permite que no se acumule nieve que disminuiría la captación solar.

Figura 3.3 Rendimiento Tubos de vacío vs. Paneles planos

Funcionamiento Matías Fernández Ochoa 5

En el interior de los colectores de circuito cerrado, existe un circuito por el cual circula un fluido mezclado con anticongelante, este líquido alcanza temperaturas superiores a los 100º en las placas con recubrimiento selectivo y se hace circular en un sistema cerrado hasta un acumulador, donde entra en contacto con el circuito secundario por el cual circula el agua que nosotros usaremos. En cambio en los colectores de circuito abierto el colector calienta directamente el agua a utilizar, que pasa luego por el acumulador. Este tipo de instalaciones no esta permitida cuando se utilizara el agua para consumo personal.

Los acumuladores permiten integrar la energía solar térmica a un sistema de calefacción a gas, en caso de necesidad, días nublados, se hace uso de un equipo generador auxiliar, calefón a gas, para elevar la temperatura los grados que sea necesario. El agua debe salir del acumulador a una temperatura entre 40º a 90º C, siendo 60º la máxima permitida según la normativa que rige este tipo de instalaciones. Teniendo en cuenta que la temperatura del agua al tomar un baño muy caliente estaría en los 38º C se advierte que cubre con creces las necesidades de uso

El acumulador es un elemento clave en las instalaciones, ya que permiten almacenar el agua calentada durante el día para su posterior utilización, por ello debe estar muy bien asilado. Podemos encontrar cuatro tipos de acumuladores, de serpentín, de doble serpentín, de doble envolvente o doble envolvente estratificado. El acumulador de serpentín esta formado, como su nombre lo indica, por un depósito con un serpentín en el interior por el cual circula el fluido caliente, que viene de los colectores solares, y cede el calor al agua que lo rodea. Este depósito se encuentra perfectamente asilado con espuma dura y poliestireno. Los acumuladores con doble serpentín son iguales al anterior pero con un serpentín adicional, uno inferior para el agua proveniente de los colectores (menor temperatura) y otro superior para el agua proveniente de la caldera (mayor temperatura). Los acumuladores de doble envolvente están formados por un depósito dentro de otro, en el interior se aloja el agua a calentar y por el exterior circula el agua caliente procedente de los colectores. De esta forma se obtiene una mayor superficie de contacto. También se puede usar un acumulador de doble envolvente estratificado, donde el deposito exterior esta dividido en zonas de distinta temperatura, la inferior para energía solar térmica y la superior para la proveniente de la caldera.

Todo el procesos esta controlado por un dispositivo electrónico central que es el que se encarga de automatizar y coordinar la circulación de agua en el circuito primario, controlar la temperatura de los colectores, garantizar la seguridad del sistema enviando señales de alarma en caso de alguna anomalía y en modelos mas avanzados recolectar información y enviarla a la central para

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su posterior análisis.

Los equipos domésticos compactos están compuestos típicamente por un acumulador de unos 150 litros de capacidad y un colector de unos 2 metros cuadrados. Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como cerrado, pueden suministrar el 90% de las necesidades de agua caliente anual para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso. Estos sistemas evitan la emisión de hasta 4,5 toneladas de gases nocivos para la atmósfera. El tiempo aproximado de retorno energético (tiempo necesario para ahorrar la energía empleada en fabricar el aparato) es de un año y medio aproximadamente. La vida útil de algunos equipos puede superar los 25 años con un mantenimiento mínimo, dependiendo de factores como la calidad del agua. Todo sistema necesita un equipo auxiliar que suministre la potencia necesaria cuando el sol no alcance a cubrir la demanda, las más comunes en las casas son calderas a gas. En estos casos un termostato automático pone en funcionamiento la caldera que conserva la temperatura por encima de los 42º C utilizando la energía convencional (electricidad o gas). La Figura 3.4 muestra un esquema simplificado de una instalación en una vivienda.

Figura 3.4 Instalación hogareña circuito cerrado

Es importante para la eficaz provisión de agua caliente la elección del modelo adecuado. Esta correcta elección dependerá de tres factores básicos: el número de usuarios, el hábito de consumo de dichos usuarios y la ubicación geográfica del establecimiento o casa donde funcionará el equipo. Pueden ser empleados tanto en viviendas familiares como en lugares de gran consumo,

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ejemplo: hoteles, escuelas, hospitales, instalaciones militares, clubes,

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aeropuertos, criaderos, casas quintas, piletas de natación, estancias y también para usos rurales e industriales.

Para el cálculo en viviendas familiares se deberá tener en cuenta como norma que el consumo diario por persona esta entre 60/80 Lts. de agua, como consumo normal, teniendo en cuenta que calentaremos el agua con la energía del sol durante unas 8 horas, deberemos tomar un promedio de 100 Lts. diarios para tener un margen de seguridad. Basándonos en el dato anterior el cálculo a seguir es el siguiente:

1 Persona = 1 m2 de panel solar = 100 Lts. de agua caliente

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4- Aplicaciones

Las aplicaciones más comunes de esta tecnología son el calentamiento de agua sanitaria (ACS), la calefacción por suelo radiante y el precalentamiento de agua para procesos industriales. Otras aplicaciones son el calentamiento de agua para piscinas cubiertas o a la intemperie. En función de la aplicación, usaremos distintos tipos de colectores ó paneles solares térmicos, variando también la complejidad de la instalación, según lo descripto anteriormente.

En cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios (ASC), también llamada "agua de manos", se pueden usar solo instalaciones de circuito cerrado, esto se debe a que prohibido por la normativa que rige este tipo de instalaciones. Esto hace que no se obtengan altos rendimientos, en el caso de los circuitos cerrados es entre 40 y 62%, dependiendo del tipo de colector y la temperatura del exterior.

También podemos encontrar gran concentración de instalaciones solares térmicas en el calentamiento de piscinas, a diferencia del uso para ASC, se utilizan circuitos abiertos, esto los hace más económicos y mejora ampliamente su rendimiento, llega hasta un 80%.

La energía solar térmica puede utilizarse para dar apoyo al sistema convencional de calefacción, apoyo que consiste entre el 20% y el 50% de la demanda energética de la calefacción. Para ello, la instalación debe contar con un intercambiador de placas y un regulador que dé prioridad en el uso del agua caliente para ser empleada en agua de manos. El sistema emisor de calor (radiadores, suelo radiante, zócalo radiante, muro radiante) que es más conveniente utilizar es el de baja temperatura (<=50º C), de esta manera el sistema de calefacción tiene mayor rendimiento.

Otra aplicación es el uso de frío solar, La tecnología utilizada en estos sistemas, la refrigeración por absorción, se basa en la capacidad de absorber calor de ciertos pares de sustancias, como el agua y el bromuro de litio o el agua y el amoníaco. Sin embargo este método no esta completamente desarrollado y para lograrlo se deben hacer modificaciones en los sistemas propuestos.

Aplicaciones Matías Fernández Ochoa 9

5- Situación en Argentina

En muchos países hay subvenciones para el uso doméstico de energía solar, en cuyos casos una instalación doméstica puede amortizarse en unos 2 o 3 años. En septiembre de 2006 entró en vigor en España el Código Técnico de la Edificación, que establece la obligatoriedad de implantar sistemas de agua caliente sanitaria (ACS) con energía solar en todas las nuevas edificaciones, con el objetivo de cumplir con el protocolo de Kioto.

Argentina ofrece excelentes características climáticas para la explotación de la energía solar. Alrededor del 80% de nuestro territorio se encuentra ubicado en zonas aptas para el uso de colectores solares. Un estudio de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambientales (A.S.A.D.E.S) para Vandramaco S.A., muestra condiciones muy favorables para la instalación de colectores solares a lo largo de todo el país. Los datos obtenidos se muestran en la Figura 5.2 representan la absorción de radiación solar, medidas en Kcal., por m2 de colector en distintas ciudades de Argentina

Figura 5.2 Estudio ASADES

El consumo de gas por habitante en Argentina es muy elevado, sobre todo en los meses de invierno. Debido a esto se están tomando medidas para cobrar tasas y multas a los consumidores que superen un determinado nivel. Al mismo tiempo la empresa proveedora de gas natural está realizando chequeos de las instalaciones hogareñas y exigen refacciones que significan un alto desembolso económico. Por los motivos citados podemos ver que, económicamente hablando, el uso de los colectores representará grande ahorros en los egresos de las familias.

Situación en Argentina Matías Fernández Ochoa 11

Gracias a las continuas campañas sobre cuidado ambiental, por parte de organizaciones como Greenpeace, los argentinos están comenzando a tener mayor consideración por el medio ambiente y se tiene más en cuenta las alternativas ecológicas.

Sin embargo Argentina no posee una política que promueva el uso de colectores solares como reemplazo o soporte a la red de gas actual, por ello la instalación demora unos años más en amortizarse, entre 4 o 5 años. La inversión inicial es ampliamente compensada por el considerable ahorro de gastos de energía (corriente eléctrica y gas) que se logrará indefinidamente (Figura 5.1). Igualmente esta varía de acuerdo al tipo de sistema a instalar.

Figura 5.1 Ahorro uso colectores solares

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Objetivos del trabajo

El objetivo general es presentar las ventajas e incentivar el uso de la energía solar térmica frente al uso del sistema de gas natural convencional en los hogares del territorio Argentino.

Criterios de éxito

Para lograr una correcta presentación de las características distintivas de los sistemas de energía solar térmica para el calentamiento de agua para uso hogareño, se presentaran los datos cualitativos y cuantitativos que sirva de soporte para incentivar el cambio. Al mismo tiempo se deberá crear una conciencia de preservación ambiental que ayude a tomar la decisión de instalar este tipo de fuente de energía renovable.

Planificación tentativa

1. Búsqueda y análisis de información de modelos de sistemas de energía solar térmica. Duración 2 semanas.

2. Situación actual de sistemas de energía en Argentina, evaluando costos y capacidad. Duración 1 mes

3. Seleccionar la tecnología a utilizar y ubicar la zona más propicia para realizar una prueba piloto. Duración 1 mes

4. Realización de una prueba piloto. Duración 1 mes

5. Análisis de efectividad y rendimiento del sistema propuesto, comparación con la provisión de gas. Duración 2 semanas

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Bibliografía

García Pérez, José. 2006. Esquemas hidráulicos de calefacción, A.C.S. y colectores solares térmicos. Editorial: El Instalador. ISBN: 978-84-88393-73-9

Terry Galloway. 2006. LA CASA SOLAR Guía de diseño, construcción y mantenimiento. Editorial: CEPREVEN. ISBN: 978-84-87440-04-5.

Rosenfeld, E. Energías Renovables y medio ambiente. Volumen 9. Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente. ISSN 0328-932X.

Sibaja Arias, Eduardo & Peterson, Donald. 2002. Colectores solares. Editorial: Tecnológica de Costa Rica. ISBN: 9977-66-011-5.

http://www.asades.org.ar/ Vigencia 30/06/2009

http://www.natureduca.com/energ_indice.php Vigencia 30/06/2009

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