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Energía solar térmica
Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental

2. 2
Introducción
La energía solar térmica ha sido usada desde tiempos antiguos,
tenemos evidencias de calentadores de agua solares en 1902.
La energía solar térmica es usada para diferentes aplicaciones como
calentamiento de piscinas, secado de alimentos, cocinar, enfriamiento.
Estos son procesos que requieren de bajas temperaturas (menos de
100°C) o temperaturas medias (100°C hasta los 150°).
Un 70% del consumo total de energía, es requerido para la calefacción
en climas fríos o aire acondicionado en climas calientes, es cubierto por
energía solar térmica.
Se utiliza para la provisión de agua caliente y absorber otro 10-20% del
consumo energético.
Los procesos térmicos son muy comunes en aplicaciones industriales y
este proceso implica el uso de vapor para generar agua caliente a
temperaturas inferiores a 100 ° C. puede usarse para cocinar, hervir el
maíz a 95 ° C, o para galvanizar (calentar el agua hasta 80 °C).

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2.2 ¿Qué tipos de energía necesitamos?
• Entender la relevancia de la electricidad, calor y enfriamiento en
nuestra matriz energética.
Cuando hablamos de energía comúnmente pensamos en electricidad.
La electricidad es una forma muy diversa de energía que puede ser
fácilmente convertida en luz, calor y energía cinética.
Sin embargo, la electricidad se genera de forma convencional en las
centrales eléctricas con altas pérdidas térmicas.
El uso de la electricidad para aplicaciones de calefacción es por lo tanto
muy ineficiente desde el punto de consumo de energía primaria.
Hay alternativa al uso de la electricidad para satisfacer demandas de
energía de gran alcance. Consumo total de energía se compone de:
• energía térmica para el suministro de agua caliente sanitaria,
calefacción o refrigeración y calor de procesos;
• energía de arrastre mecánico para máquinas, transporte, etc.;
• aplicaciones exclusivamente eléctricas.

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 La demanda más alta en casi todo el mundo es la energía térmica
(tenga en cuenta que la refrigeración y el aire acondicionado son
también energía térmica).
 La segunda demanda más alta es para la energía mecánica, y la más
pequeña es exclusivamente para aplicaciones eléctricas.
 A la luz de esto hacemos la pregunta, ¿podría gran parte de la energía
térmica que consumimos actualmente ser generada directamente y de
forma más eficiente desde las aplicaciones de energía solar térmica en
lugar de electricidad?
 El siguiente gráfico muestra una distribución típica del uso final del
consumo de energía a nivel comercial para una región. En climas fríos,
la demanda más grande por mucho (sección naranja) es para la
calefacción, mientras que en climas cálidos para el aire acondicionado
(de nuevo la sección naranja). Por lo tanto, nuestros futuros sistemas
de suministro de energía deben ser diseñados para satisfacer estas
grandes demandas térmicas de una manera limpia, sostenible y fiable.

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Figura: Distribución típica del uso final del consumo de energía a nivel
comercial en una región - en climas fríos la mayor demanda es para la
calefacción, en climas cálidos es para el aire acondicionado

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2.3 La energía solar está en todas partes
• Entender que los niveles de radiación solar varían en todo el mundo.
• Familiarizarse con los niveles de irradiación solar típicos de todo el
mundo y cómo estos se relacionan con la cantidad de energía en el
petróleo.
Mientras que los combustibles fósiles y recursos nucleares como el
petróleo, el gas o el uranio sólo se encuentran en algunas regiones de
la Tierra, y sus cantidades son limitadas, el sol brilla en todas partes,
siempre y de forma gratuita.
Aparte de las poco regiones pobladas dentro de los círculos polares, los
niveles de irradiación solar se encuentran, dependiendo de la ubicación
geográfica, entre 900 y 2300 kWh/m² por año, e incluso más en algunas
partes de África, América del Sur y Australia

7. Maps
our office
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Figura: Irradiación solar anual global en kWh/(m²año).

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Esto es equivalente al contenido de energía de 90 a más de 230 litros
de aceite por m²! Por lo tanto, cada país tiene el potencial de ser
autosuficiente en el suministro de energía y de convertirse, en gran
medida, independiente de las costosas importaciones de energía.
Hasta la fecha, esta energía apenas ha sido explotada..
Muchos países importan combustibles
fósiles a un gran costo. El uso de la fuente
de energía local, el sol, por lo tanto puede
ser de gran beneficio económico. Las
regiones con niveles de radiación solar más
bajos pueden compensar el déficit hasta
cierto punto por medio del uso de
tecnologías más sofisticadas y un consumo
de energía más eficiente.
Figura: La irradiación solar que cae sobre 1m2 es
equivalente a 90 -230 litros de petróleo crudo por
año, dependiendo de la ubicación geográfica.

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2.4 Tipos de energías renovables derivadas del sol
Familiarizarse con la eficiencia de las tecnologías renovables derivadas
del sol.
Las fuentes de energía renovables derivadas del sol son la biomasa, la
fotovoltaica, la solar térmica, la eólica y la energía hidroeléctrica.
La energía geotérmica proviene del núcleo de la Tierra y la energía de
las mareas es influenciada por la luna.
Basado en un nivel de irradiación solar anual de 1.000 kWh/m² por año
(equivalente a los niveles de irradiación anuales en latitudes más altas)
las diferentes tecnologías que convierten la energía solar en formas
útiles tienen diferentes eficiencias:
• de 5 a 15 kWh de biocombustibles pueden ser generados por m² de la
superficie terrestre cada año. Esto corresponde a una eficiencia de
conversión de 5-15%. Las ventajas de los biocombustibles son que
pueden ser almacenados para proporcionar calor o electricidad según
sea necesario.

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• de 80 a 120 kWh de electricidad puede ser generada por m² de
módulo fotovoltaico cada año.
Por lo tanto, la eficiencia de conversión de un sistema FV, dependiendo
del tipo de módulo, es del 8 al 12%.
• de 350-550 kWh de calor puede ser generado por m² de colector solar
térmico cada año.
Así, la eficiencia de conversión, dependiendo del tipo y condiciones de
uso colector, ronda entre 35 a 55%.
La tecnología solar térmica tiene, por mucho, la más alta eficiencia.
Esta energía térmica se puede utilizar para el suministro de agua
caliente, para la calefacción, para suministro de calor en procesos
industriales, o incluso para la refrigeración

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Figura: Productividad de diferentes tipos de energía solar. Fuente: RENAC

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¿Cómo funciona la energía solar térmica?
3.1 ¿Cómo la radiación solar es absorbida por el colector solar térmico?
• Entender cómo ciertas superficies absorben mejor la radiación solar.
Una persona que haya estacionado un vehículo en el sol, o utiliza una
lupa para prender fuego a un papel, entiende que la energía solar se
puede convertir en calor alcanzando a menudo temperaturas muy altas.
- La energía del sol alcanza a la Tierra a través de la radiación
electromagnética, en el espectro visible, infrarroja y ultravioleta.
- Esta energía de radiación se convierte en calor cuando alcanza una
superficie. Nosotros sentimos este calor cuando nuestra piel está
expuesta a los rayos del sol. Las superficies negras se vuelven más
calientes que las superficies blancas debido a que más radiación es
absorbida y menos es reflejada.
- Podemos hacer uso de, y tratar de optimizar, este efecto cuando
queremos capturar el calor. Sin embargo, como regla general, las
superficies negras también emiten más energía.

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- Por lo tanto, en la tecnología térmica solar aplicamos recubrimientos
selectivos a las superficies que maximizan la absorción de la
radiación mientras que al mismo tiempo se reduce al mínimo la
reflexión y emisión de radiación.
Los recubrimientos selectivos consisten de una
capa de cristal de metal (por ejemplo, óxido de
titanio) que atrapa las diferentes longitudes de
onda de la luz solar y las absorben, convirtiendo
la energía de la luz en calor. El calor se conduce
a través de la hoja de metal de cobre hacia el
líquido en los tubos, que se calienta a través de
convección. Una fina capa de cuarzo en la parte
superior protege la superficie de la capa de
metal y reduce la reflexión
Figura : Luz absorbida dentro de un
recubrimiento selectivo. Fuente: RENAC

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3.2 ¿Cómo funciona la energía solar térmica?
• Comprender el principio básico de cómo un sistema solar térmico
convierte la radiación solar en calor.
• Entender que esta energía térmica puede ser almacenada hasta que
se necesite.
En un sistema de energía solar térmica, la radiación solar cae sobre un
colector que se calienta. El fluido (agua) que está en el interior del
colector a su vez calienta y se transporta a un almacenamiento. Si el
sistema de almacenamiento está bien aislado, el calor entonces puede
ser fácilmente almacenado durante horas y días, ya que el agua tiene
una muy alta capacidad de calor específico.
De esta manera, el calor está disponible para el consumidor, incluso
cuando el sol no brilla, por ejemplo durante la noche o en la madrugada.
En los días nublados cuando no se genera suficiente calor solar, una
fuente de respaldo de calor, tal como una caldera de gas o un calentador
de inmersión eléctrico, puede ser utilizado para calentar el agua.

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Dependiendo del tipo de sistema y aplicación, se pueden instalar
diferentes válvulas y componentes en el circuito solar. Los sistemas
solares térmicos están dimensionados en función del nivel de radiación
solar en el lado de entrada y la demanda de energía térmica en el lado
de salida. Tales sistemas son ampliamente utilizados en muchos países.
Figura: Sistema de energía solar térmica para
abastecer una casa con agua caliente. En
esta configuración particular, se utiliza un sistema
de bombeo para transferir el calor desde el
colector al almacenamiento. Fuente: RENAC

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3.3 Aplicaciones solares térmicas
• Aprender algunas aplicaciones comunes de la energía solar térmica.
La energía solar térmica se puede aplicar en cualquier lugar donde
exista una demanda de calor, temperaturas bajas (menos de 100 °C) o
de temperaturas medias (de 100-150 °C). La energía solar térmica
también puede proporcionar aire acondicionado o refrigeración.
Los sistemas solares térmicos se instalan con más frecuencia en
hogares privados para el suministro de agua caliente. Estos sistemas
son generalmente pequeños, con superficie de colector de 2 a 10 m2. ,
estos sistemas están diseñados para contribuir con calefacción de
espacios o para el calentamiento de piscinas, donde la superficie de
colector sería de hasta 20 m2.
Muchos edificios públicos tienen alta demanda de agua caliente, por
ejemplo, hospitales, escuelas, guarderías, universidades, residencias
de ancianos, alojamiento, etc. Estas instalaciones suelen tener varios e
metros cuadrados de superficie de colector solar.

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Cualquier comercio e industria con una alta demanda de agua caliente en el
rango de baja temperatura (40-80 °C) son adecuados para una instalación solar
térmica, por ejemplo, hoteles, albergues, centros de conferencias, campings,
comedores, panaderías, fábricas de cerveza, industria alimentaria, lavanderías,
peluquerías, lavado de coches, galvanoplastia, la industria química, la
agricultura, etc. La energía solar térmica puede ser particularmente atractiva en
la industria turística.
Figura: Sistema solar
térmico para un edificio
de apartamentos en
Berlín, Alemania
(izquierda), Universidad
de Magdeburgo,
Alemania (derecha). Foto:
M. Schnauss

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Colectores solares térmicos
4.1 Absorbedor
• Comprender la función del absorbedor en la generación de calor solar.
El corazón de cada sistema de energía solar térmica es el absorbedor.
Está hecho de una lámina de metal altamente conductivo, como cobre.
Por razones económicas se utiliza cada vez más el aluminio, ya que
cuesta menos que el cobre y también es un buen conductor.
La superficie se recubre con capa selectiva que absorbe la radiación, y
que convierte la radiación solar en calor.
Este calor se conduce entonces a través del metal hacia los canales,
donde se hace circular un fluido de transferencia de calor. El calor se
transfiere al fluido a través de la convección y el fluido caliente se
transporta a donde se va a utilizar o donde pueda ser almacenado.
El fluido de transferencia de calor es generalmente agua o una mezcla
de agua y anticongelante, sin embargo el aire también puede ser
utilizado (como en colectores de aire).

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Los absorbedores simples, que se constituyen de esteras de plástico o caucho
con tubos integrados, se utilizan para la calefacción de piscinas de natación.
Estos son muy eficientes a bajas temperaturas (es decir, cuando sólo se está
elevando la temperatura del agua en unos pocos grados por encima del
ambiente). Sin embargo, a temperaturas más altas la eficiencia cae
abruptamente y por lo tanto no son adecuados para aplicaciones que necesitan
temperatura más altas. Estos absorbedores de piscina son de bajo costo y
tienen el periodo de recuperación más corto.
Figura: Absorbedor de piscina de
natación hecho de plástico o caucho.
Fuente: RENAC

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4.2 Colector de placa plana
• Aprender cómo se construyen y cómo funcionan los colectores de
placa plana.
Si se requieren temperaturas más altas que que para la calefacción de
piscinas, como para el suministro de ACS (Agua Caliente Sanitaria),
calefacción de espacios o calor de procesos, entonces el absorbedor
debe ser cubierto y aislado para impedir la pérdida de calor.
En el colector de placa plana, se coloca una cubierta de vidrio sobre el
absorbedor que permite que la radiación solar pase a través de él, pero
reduce las pérdidas de calor por convección (efecto invernadero).
Se proporciona al absorbedor una protección contra la intemperie. Por
lo tanto, la luz penetra a través de la cubierta de vidrio y se convierte en
calor en el absorbedor, que está hecho de cobre o de aluminio.
El fluido de transferencia térmica (normalmente agua) circula a través
de tuberías que están fijadas a la parte trasera del absorbedor.

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Se utiliza además, fibra mineral o espuma aislante que es colocada en la parte
posterior y los lados del colector para reducir al mínimo las pérdidas por
conducción y convección, y así atrapar el calor.
El colector se sostiene con un marco robusto, hecho generalmente de aluminio,
que proporciona un medio para montar el colector.
Las pérdidas restantes del colector pueden ser minimizadas mediante el uso
de vidrio solar altamente transparente y con bajo contenido de hierro que en
algunos casos también se recubre con una capa anti-reflectante.
Los recubrimientos selectivos permiten optimizar el rendimiento de la superficie
del absorbedor
Figura: Vista recortada de un colector de placa
plana que muestra el aislamiento, los tubos
absorbedores, la placa de absorción y el cierre
de vidrio. Fuente: RENAC

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4.3 Colectores solares de tubo de vacío o evacuados
• Aprender acerca de los diferentes tipos de colectores de tubos de
vacío, la forma en que se construyen y cómo trabajan.
Los colectores de tubos de vacío están formados por un conjunto de
tubos de vacío montados en un colector común.
Los tubos de vacío se llaman así porque todo el aire ha sido extraído de
ellos para crear un vacío. El vacío evita la pérdida de calor por
conducción y convección.
El tipo más sencillo de tubo de vacío es un tubo de vidrio sellado, de
doble pared con un vacío entre las paredes.
Esta construcción se llama un “tubo de Sydney” y es similar a un termo.
El tubo interior tiene un revestimiento selectivo para promover la
absorción de la radiación solar.
Este tubo de doble pared se utiliza típicamente en sistemas de
termosifón de bajo costo.

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El primer tipo de colector de tubos de vacío se compone de un tubo de
vidrio evacuado de una sola pared en la que se inserta una tira
absorbente. Estos colectores tienen una alta eficiencia debido a las
buenas propiedades aislantes del calor de vacío (solamente se pierde a
través de la radiación).
Figura: Tubo de vacío
de doble pared (“Tubo
de Sydney”). El vacío se
presenta entre las
dobles paredes del tubo.
Fuente: RENAC

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En un colector de flujo directo, un tubo coaxial (un tubo dentro de otro tubo)
corre a lo largo de la longitud de la parte inferior de la tira del absorbedor. En el
interior del tubo absorbedor coaxial el fluido de transferencia de calor fluye
hacia abajo por el tubo interior y regresa por la tubería exterior donde recoge el
calor de la tira absorbente
figura: Tubo de vacío de flujo directo con tubo
absorbedor coaxial. Fuente: RENAC

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Otro tipo de tubos de vacío utilizan el principio de tubo de calor o
“Heat pipe”.
En la parte inferior de la tira absorbente hay un tubo absorbedor
sellado en ambos extremos, que se extiende fuera de la parte
superior del tubo de vacío a un tubo colector principal.
En el interior del tubo absorbedor hay un fluido de transferencia de
calor con un bajo punto de ebullición.
Cuando el sol calienta este líquido se evapora y sube a la parte
superior de la tubería donde cede su calor al fluido del tubo colector.
Al hacerlo, éste se condensa y corre hacia abajo a la parte inferior
del tubo absorbedor donde el ciclo comienza de nuevo.
Este tipo de tubería siempre debe instalarse con una pendiente (por
lo menos 15°) para asegurar que el ciclo puede comenzar.

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Figura: Colector de
tubos de calor de vacío.
Fuente: RENAC

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4.4 Eficiencia de los colectores solares
• Entender las características de los colectores solares.
La curva de rendimiento de los colectores describe el comportamiento
del colector bajo diversos niveles de irradiación y temperatura.
La eficiencia del colector, h, (eje y) se representa frente a la diferencia
de temperatura entre el colector y sus alrededores (esta diferencia de
temperatura también se divide por el nivel de irradiancia) (eje x).
El máximo rendimiento se produce cuando la diferencia de temperatura
entre el colector y el entorno es cero.
En ese momento no hay pérdidas térmicas, sólo pérdidas ópticas. Este
punto se conoce como eficiencia óptica (o eficiencia de pérdida de
cero). A medida que la temperatura del absorbedor se eleva, las
pérdidas se incrementan y la eficiencia disminuye de forma no lineal.
Cuando la entrada de irradiancia y las pérdidas alcanzan un equilibrio, el
colector llega a su temperatura máxima, también conocida como
temperatura de estancamiento. En este punto, la eficiencia es cero.

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Los colectores de placa plana de buena calidad con superficies
selectivas suelen tener temperaturas de estancamiento de alrededor
de 200 °C, los colectores de tubos de vacío alrededor de 300 °C.
La característica del colector se describe así por tres parámetros
- la eficiencia de pérdida de cero, h0,
- el coeficiente de pérdida de calor lineal, a1, y
- el coeficiente de pérdida de calor cuadrático, a2.
Estos se determinan como parte de las prueba realizadas al colector.
Estos parámetros también permiten realizar comparaciones entre
diferentes colectores, y se dan con respecto a la superficie del colector.
Puesto que la eficiencia del colector disminuye al aumentar la
temperatura de funcionamiento, el sistema debe funcionar a una
temperatura tan baja como sea posible sin dejar de cumplir los
requisitos de diseño

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Figura: Curvas
de rendimiento
para diferentes
colectores bajo
diferentes
condiciones
de irradiación.
Fuente: RENAC

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5. Tipos de sistemas
5.1 Sistemas de termosifón (o flujo por gravedad) y de circulación forzada
• Comprender la diferencia entre los sistemas de flujo por gravedad y los
sistemas de circulación forzada.
• Aprender algunas ventajas y desventajas básicas de cada sistema.
Los sistemas solares térmicos más simples son sistemas por gravedad o
termosifón. En estos sistemas el colector debe situarse por debajo del
tanque de almacenamiento.
Los tubos que conectan el colector con el tanque de almacenamiento
deben ser lo más cortos y rectos posibles para minimizar la resistencia al
flujo. A medida que el agua en el colector se calienta, se eleva de forma
natural al tanque. El agua fría fluye entonces desde la parte inferior del
tanque de almacenamiento a la parte inferior del colector.
La circulación es por convección natural debido a las pequeñas fuerzas
de empuje que se generan a partir de las diferencias de densidad entre
el agua caliente y el agua fría.

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El ciclo comienza a trabajar por sí mismo tan pronto como el sol
comienza a brillar y se detiene cuando la radiación solar disminuye.
Los sistemas de termosifón son simples, no requieren componentes
complejos y por lo tanto son de bajo costo.
Debido a que el tanque de almacenamiento debe estar por encima del
colector, los sistemas de termosifón suelen instalarse afuera.
Por lo tanto, no son adecuados para regiones donde puede ocurrir
congelamiento.
Estos sistemas son sólo factibles en pequeña escala (menos de 10
m²).

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Figura: Sistema de termosifón (izquierda) y circulación forzada (derecha).

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Los sistemas de circulación forzada utilizan una bomba para hacer
circular el líquido alrededor del sistema y por lo tanto para transferir el
calor desde el colector al tanque de almacenamiento.
Este sistema requiere de un controlador electrónico y sensores de
temperatura. Los requerimientos para la selección de una bomba
adecuada, son determinados por la velocidad de flujo, junto con la
pérdida de presión (debido a la fricción y turbulencia) en todo el circuito.
En estos sistemas, no existen restricciones en cuanto a la localización
del colector con respecto al tanque de almacenamiento, y a su vez se
permiten tramos de tubería más largos. Así, los colectores pueden estar
en el techo mientras que el tanque de almacenamiento está instalado
en el sótano.
Es posible también el desarrollo de instalaciones más grandes.
Los sistemas de circulación forzada son más complejos y requieren
más componentes que los sistemas de termosifón. son más caros.

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5.2 Sistemas cerrados y abiertos
• Comprender la diferencia entre sistemas abiertos y cerrados.
• Aprender algunas ventajas y desventajas básicas de cada tipo de
sistema.
Los sistemas abiertos tienen generalmente un tanque colector de
agua fría en lo alto del edificio o en el techo. El tanque está abierto a la
atmósfera y, como tal, está bajo la presión atmosférica.
Los cilindros de agua caliente sanitaria en los sistemas abiertos se
instalan por debajo o al mismo nivel que el tanque colector.
Estos se pueden calentar de forma convencional o con energía solar
térmica.
En la mayoría de configuraciones, en cuanto el agua caliente se extrae
de la parte superior del cilindro de agua caliente, el agua fría del tanque
colector entra automáticamente en la parte inferior del cilindro de agua
caliente.

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El cilindro de agua caliente tiene un tubo de ventilación abierto.
Estos sistemas son muy simples, no presurizados y de bajo costo,
pero el tanque abierto puede afectar la calidad del agua.
Figura: Sistema abierto (izquierda) y sistema cerrado (derecha). Fuente: RENAC

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Los puntos de vaciado deben estar por debajo del nivel del tanque. La
presión del agua será tan alta como la diferencia de altura entre el nivel
del tanque y el punto de vaciado.
Los sistemas cerrados, o sin ventilación, son sistemas que están
sellados a la atmósfera y generalmente están presurizados. Se suelen
utilizar en lugares con una red fiable de suministro continuo de agua fría
o una bomba que suministra de forma permanente a cierta presión.
Los cilindros de agua caliente sanitaria en sistemas cerrados están
conectados a la red de suministro de agua fría, y por lo tanto están bajo
presión. Estos se pueden calentar de forma convencional o con
energía solar térmica. Al extraerse el agua caliente de la parte superior
del cilindro, el agua fría de la cañería entra automáticamente en la parte
inferior del cilindro.
Los puntos de vaciado son independientes de la ubicación de los
tanques. Se necesitan tanques más fuertes y más caros, además de
válvulas y accesorios adicionales.

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5.3 Sistemas directos e indirectos
• Comprender la diferencia entre los sistemas directos e indirectos.
• Aprender algunas ventajas y desventajas básicos de cada sistema.
En los sistemas directos de calentamiento de agua, el agua que se
calienta (en el colector solar o caldera) es la misma agua que se
consume. Normalmente se utiliza un cilindro de agua caliente sanitaria
donde se extrae el agua fría de la parte inferior del cilindro, circula a
través del colector solar o de la caldera, y luego regresa a la parte
superior del cilindro lista para ser consumida.
Los sistemas directos son simples y de bajo costo, y normalmente
serán pequeñas instalaciones.
La cal y la corrosión pueden causar obstrucción y daños, por lo tanto se
incrementan los requerimientos de mantenimiento y se reduce el tiempo
de vida del sistema.

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Figura: Sistema directo (izquierda); sistema indirecto (derecha). Fuente: RENAC

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En los sistemas indirectos de calentamiento de agua, el agua para ser
consumida es separada del agua en la caldera o circuito solar del
colector mediante un intercambiador de calor.
El calor se transfiere desde la caldera o del circuito solar al circuito de
agua caliente doméstica a través del intercambiador de calor, que
podría ser, por ejemplo, una bobina en el cilindro o una camisa de agua
que rodea el cilindro.
Los sistemas indirectos son adecuados para instalaciones pequeñas y
grandes.
El colector está más protegido contra la corrosión y los depósitos de cal
ya que no se está introduciendo agua de la cañería en el circuito.
En climas fríos se puede utilizar anticongelante en el circuito solar.
Los sistemas indirectos generalmente tienen una vida más larga que los
sistemas directos.

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6. Componentes de los sistemas solares térmicos
6.1 Tanques de almacenamiento
• Conocer los tipos de tanques de almacenamiento y cómo funcionan.
Los tanques de almacenamiento se utilizan para almacenar la energía
solar cuando no es necesaria y para suministrar energía solar cuando no
hay radiación solar (por ejemplo, por la noche).
El agua es el medio ideal para almacenar el calor, ya que tiene una muy
alta capacidad de calor específico, no presenta un riesgo para la salud,
está disponible en todas partes, y es de bajo costo (comparando con
otros fluidos de transferencia de calor).
Hay muchos tipos diferentes de tanque de almacenamiento disponibles:
Tanques de Agua Caliente Sanitaria (ACS) se utilizan para el suministro
de agua caliente. Contienen agua potable que se extrae, por ejemplo, en
grifos o duchas. Almacenamiento se utiliza para calefacción de espacios
o en aplicaciones de calor de procesos se denominan tanques de
compensación o tanques “buffer”. Circulación cerrada y no se consume.

41. 41
Figura: tipos diferentes de tanques de almacenaje

42. 42
El tanque de almacenamiento puede ser de acero dulce o templado,
acero esmaltado, acero inoxidable o cobre según la aplicación y
disponibilidad. Los cilindros no presurizados (o de ventilación abierta)
son cada vez más fabricados a partir de plástico o plástico reforzado con
fibra de vidrio. Estos no deben ser utilizados en sistemas cerrados y a
presión, ya que no pueden soportar altas temperaturas o presiones.
El tanque de almacenamiento se puede equipar con una o dos bobinas
internas intercambiadoras de calor, un estratificador, un calentador
eléctrico de inmersión, o incluso una caldera integrada.
En tanque de doble bobina, la bobina inferior está conectada al sistema
de energía solar térmica mientras que la bobina superior está conectada
al sistema de respaldo.
El aislamiento térmico alrededor del almacenamiento es muy importante
para reducir las pérdidas térmicas y por lo tanto aumentar la eficiencia
global del sistema. Un tanque de almacenamiento bien aislado pierde
mucho menos calor que uno pobremente aislado.

43. 43
6.2 Bombas y controladores
• Aprender cómo funcionan las bombas y los controladores.
En los sistemas de circulación forzada, se utilizan bombas para hacer
circular el fluido (generalmente agua o anticongelante) a través del
colector, donde se calienta y es llevado al tanque de almacenamiento.
Dependiendo del área del colector se establece el caudal y se
selecciona la bomba.
Para sistemas pequeños, con sólo uno o dos colectores, la velocidad
de flujo será de aproximadamente 60 l/h (1 l/min) por cada m² de
superficie de colector instalado.
Para áreas de colector más grandes, es aconsejable disponer de un
caudal menor de 20 a 50 l/h por cada m² de superficie de colector
instalado.

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Un controlador diferencial de temperatura mide la diferencia de
temperatura entre el colector y el tanque de almacenamiento mediante
sensores de temperatura.
Un sensor de temperatura es instalado en la parte más caliente del
colector, y el otro en la parte inferior del almacenamiento. Estos
sensores están conectados al controlador. Cuando la temperatura del
colector es mayor que la temperatura en el tanque de almacenamiento,
la bomba se enciende y hace circular el fluido para transferir el calor
desde el colector al tanque.
Una vez que ha entregado todo su calor al agua en el tanque, el fluido,
estará frío, circulará de vuelta al colector donde se calentará de nuevo.
Los sensores deben ser colocados con precisión, y los parámetros de
regulación deben ser ajustados correctamente para garantizar un
rendimiento óptimo del sistema. A menudo, un rendimiento deficiente del
sistema es el resultado de una incorrecta o subóptima instalación del
sensor y/o configuración del controlador.

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Figura: bomba de circulación (i), controlador solar (m) y sensor de temperatura
colocado en la parte superior del colector (d)

46. 46
6.3 Otros componentes del sistema
• Aprender acerca de los diferentes componentes de una instalación
solar térmica y comprender su propósito
Dependiendo del tipo de sistema y de la aplicación, se necesitan o
recomiendan componentes adicionales.
La válvula de alivio de presión (de seguridad) está instalada en el
circuito solar de un sistema cerrado, presurizado, indirecto. Cuando se
alcanza una cierta presión (la presión nominal de la válvula), se
comprime un resorte, haciendo que la válvula se abra y libere el fluido
del sistema. Esto evita que la presión del sistema continúe aumentando.
La válvula de alivio de temperatura y presión (válvula TP) está
instalada en el tanque de almacenamiento de agua caliente de un
sistema presurizado. Esta se abre y libera agua del tanque si se
superan ya sea la presión de la válvula o la temperatura nominal. El
índice de temperatura se ajusta usualmente a 90-95 °C para asegurar
que el agua en el tanque nunca hierva.

47. 47
El tanque de expansión juega un papel vital en un sistema cerrado y
presurizado. Está formado por un lado de gas y un lado de agua, separados por
una membrana de goma. Se instala en el circuito cerrado de manera que el lado
del agua está conectado al fluido del sistema. Cuando el fluido del sistema se
calienta se expande hacia el lado del agua del vaso de expansión, comprimiendo
de este modo el lado del gas. Por lo tanto la presión del sistema comienza a subir
Las válvulas anti-retorno (checks) permiten el flujo solamente en una dirección.
Evitan la circulación en reversa.
válvulas de salida de aire manual o automáticas (válvulas des aireadoras)
permiten que el aire se purgue del sistema.
válvulas de aislamiento (válvulas de cierre) permiten el cierre de secciones de
un circuito o el aislamiento de componentes (por ejemplo, bombas) para su
mantenimiento y reparación.
Los termómetros, los medidores de flujo y presión son muy útiles para el
monitoreo del sistema y detección de fallos.
Una estación solar combina la mayoría de los componentes del sistema de
circulación forzada en una unidad prefabricada que simplifica la instalación.

48. 48
Figura:
Componentes
de la estación
solar

49. 49
Consideraciones prácticas y económicas
7.1 Diseño básico del sistema
• Entender los pasos básicos del diseño de sistemas.
Los parámetros que forman la base para el diseño de sistemas de
energía solar térmica son:
• Por el lado de la demanda - la energía o el consumo de agua caliente
y el perfil de consumo
• Por el lado de la oferta - el recurso solar en el sitio
Otros factores adicionales son:
• la fracción solar
• la eficiencia del sistema/factor de utilización
• la orientación y la inclinación, así como el sombreado del arreglo de
colectores en el sitio de instalación
El parámetro más importante para el dimensionamiento de un sistema
de energía solar térmica es el consumo (por lo general de agua
caliente sanitaria y/o para la calefacción/refrigeración)..

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Para nuevas construcciones este consumo debe ser estimado en
base a la experiencia o el uso de cifras de edificios similares.
Para edificios existentes, se recomienda fuertemente que el consumo
real se mida de tal manera que se puedan determinar los perfiles y
volúmenes diarios, semanales y anuales. Esto proporciona una buena
base para el dimensionamiento del sistema
Los datos de irradiación solar y clima están bien documentados
para casi todas las regiones de la tierra.
Esto permite una evaluación precisa de la energía solar disponible.
En la mayoría de los casos, el suministro de energía solar no cumple
con el 100% de la demanda.
La fracción solar se describe como la proporción de la demanda de
energía que es cubierta por el sol. La demanda restante deberá ser
entregada por un sistema respaldo

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La orientación óptima y la inclinación del arreglo de colectores de
energía solar térmica depende de la ubicación geográfica y la latitud.
Si el arreglo de colectores no se ubica en la orientación óptima se
requerirá entonces de una superficie de colector más grande para
producir la misma cantidad de energía.
Similarmente, si el arreglo de colectores está a la sombra, si se utilizan
componentes de mala calidad, o si la tubería y sistema de tanque de
almacenamiento están mal aislados se requerirá de una superficie de
colector más grande.
Los sistemas pueden ser dimensionados basados en reglas generales,
tablas, diagramas de dimensionamiento, cálculos detallados y con la
ayuda de programas de simulación

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Figura: reglas básicas para el área del colector y volumen de almacenaje para
2 a 6 personas.

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Junio del 2020 con Angulo de inclinación 26°, azimuth 180° sur
Ubicación (lat/lon) 51°59´54´´, 04°22´28´´, EWI Laaobouw.2628 CN delft. Países Bajos

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Gracias
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