El calentamiento solar de agua ( SWH ) consiste en calentar agua mediante la luz solar , utilizando un colector solar térmico . Hay una variedad de configuraciones disponibles a diferentes costos para brindar soluciones en diferentes climas y latitudes. Los CSA se utilizan ampliamente en aplicaciones residenciales y algunas industriales. [1] [2]
Un colector orientado al sol calienta un fluido de trabajo que pasa a un sistema de almacenamiento para su uso posterior. Los CSA son activos (bombeados) y pasivos ( impulsados por convección ). Usan solo agua, o agua y un fluido de trabajo. Se calientan directamente o mediante espejos concentradores de luz. Funcionan de forma independiente o como híbridos con calentadores eléctricos o de gas. [3] En instalaciones a gran escala, los espejos pueden concentrar la luz solar en un colector más pequeño. [ ¿ investigacion original? ]
En 2017, la capacidad térmica mundial de agua caliente solar (SHW) es de 472 GW y el mercado está dominado por China , Estados Unidos y Turquía . [4] Barbados , Austria , Chipre , Israel y Grecia son los países líderes en capacidad por persona. [4]
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Los registros de colectores solares en los Estados Unidos datan de antes de 1900, [5] e involucran un tanque pintado de negro montado en un techo. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore encerró un tanque en una caja de madera, creando así el primer "calentador de agua por lotes" como se los conoce hoy. Frank Shuman construyó la primera central solar térmica del mundo en Maadi, Egipto , utilizando cilindros parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 caballos de fuerza) que bombeaba 23.000 litros (6.000 gal EE.UU.) de agua por minuto desde el río Nilo hasta campos de algodón adyacentes.
En la década de 1920 se utilizaban colectores de placa plana para calentar agua con energía solar en Florida y el sur de California. El interés creció en América del Norte después de 1960, pero especialmente después de la crisis del petróleo de 1973 .
La energía solar se utiliza en Australia , Canadá , China , Alemania , España , Estados Unidos, India , Israel , Japón , Portugal , Rumania , Reino Unido y .
Israel, Chipre y Grecia son los líderes per cápita en el uso de sistemas solares de calentamiento de agua que sustentan entre el 30% y el 40% de los hogares. [6]
Los sistemas solares de placa plana se perfeccionaron y utilizaron a gran escala en Israel. En la década de 1950, la escasez de combustible llevó al gobierno a prohibir calentar agua entre las 22.00 y las 6.00 horas. Levi Yissar construyó el primer prototipo de calentador de agua solar israelí y en 1953 lanzó NerYah Company, el primer fabricante comercial de calentamiento de agua solar de Israel. [7] En 1967, el 20% de la población utilizaba calentadores de agua solares. Tras la crisis energética de la década de 1970, en 1980 Israel exigió la instalación de calentadores de agua solares en todas las casas nuevas (excepto en las torres altas con una superficie de techo insuficiente). [8] Como resultado, Israel se convirtió en el líder mundial en el uso de energía solar per cápita , con el 85% de los hogares utilizando sistemas solares térmicos (3% del consumo de energía nacional primario), [9] se estima que ahorrará al país 2 millones barriles (320.000 m 3 ) de petróleo al año. [10] [11]
En 2005, España se convirtió en el primer país del mundo en exigir la instalación de generación de electricidad fotovoltaica en edificios nuevos, y el segundo (después de Israel) en exigir la instalación de sistemas solares de calentamiento de agua, en 2006. [12]
Después de 1960, los sistemas se comercializaron en Japón. [5]
Australia tiene una variedad de regulaciones nacionales y estatales para la energía solar térmica, comenzando con MRET en 1997. [13] [14] [15]
Los sistemas solares de calentamiento de agua son populares en China, donde los modelos básicos cuestan alrededor de 1.500 yuanes (235 dólares estadounidenses), alrededor de un 80% menos que en los países occidentales para un tamaño de colector determinado. Al menos 30 millones de hogares chinos tienen uno. La popularidad se debe a los eficientes tubos de vacío que permiten que los calentadores funcionen incluso bajo cielos grises y a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. [dieciséis]
El tipo, complejidad y tamaño de un sistema solar de calentamiento de agua está determinado principalmente por:
Los requisitos mínimos del sistema generalmente están determinados por la cantidad o temperatura de agua caliente requerida durante el invierno, cuando la salida del sistema y la temperatura del agua entrante suelen estar en su punto más bajo. El rendimiento máximo del sistema está determinado por la necesidad de evitar que el agua del sistema se caliente demasiado.
Las medidas de protección contra congelamiento evitan daños al sistema debido a la expansión del fluido de transferencia congelado. Los sistemas de drenaje drenan el fluido de transferencia del sistema cuando la bomba se detiene. Muchos sistemas indirectos utilizan anticongelante (p. ej., propilenglicol ) en el fluido de transferencia de calor.
En algunos sistemas directos, los colectores se pueden drenar manualmente cuando se espera congelación. Este enfoque es común en climas donde las temperaturas bajo cero no ocurren con frecuencia, pero puede ser menos confiable que un sistema automático, ya que depende de un operador.
El tercer tipo de protección contra la congelación es la tolerancia a la congelación, donde las tuberías de agua de baja presión hechas de caucho de silicona simplemente se expanden al congelarse. Uno de estos captadores cuenta ahora con la acreditación europea Solar Keymark.
Cuando no se ha utilizado agua caliente durante uno o dos días, el fluido en los colectores y el almacenamiento puede alcanzar altas temperaturas en todos los sistemas que no son de "drenaje". Cuando el tanque de almacenamiento en un sistema de "drenaje" alcanza la temperatura deseada, las bombas se detienen, finalizando el proceso de calentamiento y evitando así que el tanque de almacenamiento se sobrecaliente.
Algunos sistemas activos enfrían deliberadamente el agua del tanque de almacenamiento haciendo circular agua caliente a través del colector en momentos en que hay poca luz solar o por la noche, perdiendo calor. Esto es más eficaz en tuberías de almacenamiento directo o térmico y es prácticamente ineficaz en sistemas que utilizan colectores de tubo de vacío, debido a su aislamiento superior. Cualquier tipo de colector aún puede sobrecalentarse. Los sistemas solares térmicos sellados de alta presión dependen en última instancia del funcionamiento de válvulas de alivio de temperatura y presión . Los calentadores de baja presión con ventilación abierta tienen controles de seguridad más simples y confiables, generalmente una ventilación abierta.
Los diseños simples incluyen una simple caja aislada con tapa de vidrio con un absorbente solar plano hecho de lámina de metal de color oscuro, unido a tubos intercambiadores de calor de cobre , o un conjunto de tubos metálicos rodeados por un cilindro de vidrio al vacío (casi al vacío). En los casos industriales, un espejo parabólico puede concentrar la luz solar en el tubo. El calor se almacena en un tanque de almacenamiento de agua caliente . El volumen de este tanque debe ser mayor con los sistemas de calefacción solar para compensar el mal tiempo [ aclaración necesaria ] y porque la temperatura final óptima para el colector solar [ aclaración necesaria ] es menor que la de un calentador típico de inmersión o combustión. El fluido de transferencia de calor (HTF) para el absorbente puede ser agua, pero más comúnmente (al menos en sistemas activos) es un circuito separado de fluido que contiene anticongelante y un inhibidor de corrosión entrega calor al tanque a través de un intercambiador de calor (comúnmente un bobina de tubo intercambiador de calor de cobre dentro del tanque). El cobre es un componente importante en los sistemas solares térmicos de calefacción y refrigeración debido a su alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión mediante soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua). [17]
El 'drenaje' es otro concepto que requiere menor mantenimiento. [18] No se requiere anticongelante; en cambio, todas las tuberías están inclinadas para hacer que el agua drene de regreso al tanque. El tanque no está presurizado y opera a presión atmosférica. Tan pronto como la bomba se apaga, el flujo se invierte y las tuberías se vacían antes de que se produzca congelación.
Las instalaciones solares térmicas residenciales se dividen en dos grupos: sistemas pasivos (a veces llamados "compactos") y activos (a veces llamados "bombeados"). Ambos suelen incluir una fuente de energía auxiliar (elemento calefactor eléctrico o conexión a un sistema de calefacción central de gas o fueloil) que se activa cuando el agua del tanque cae por debajo de un ajuste de temperatura mínimo, lo que garantiza que siempre haya agua caliente disponible. La combinación de calentamiento solar de agua y calor de respaldo de la chimenea de una estufa de leña [19] puede permitir que un sistema de agua caliente funcione durante todo el año en climas más fríos, sin que el requisito de calor suplementario de un sistema solar de calentamiento de agua se cumpla con combustibles fósiles. o electricidad.
Cuando se utilizan juntos un sistema de calentamiento de agua solar y calefacción central de agua caliente, el calor solar se concentrará en un tanque de precalentamiento que alimenta el tanque calentado por la calefacción central , o el intercambiador de calor solar reemplazará el elemento calefactor inferior. y el elemento superior permanecerá para proporcionar calor suplementario. Sin embargo, la principal necesidad de calefacción central es durante la noche y en invierno, cuando la ganancia solar es menor. Por lo tanto, el calentamiento solar de agua para lavar y bañarse suele ser una mejor aplicación que la calefacción central porque la oferta y la demanda se adaptan mejor. En muchos climas, un sistema solar de agua caliente puede proporcionar hasta el 85% de la energía del agua caliente sanitaria. Esto puede incluir sistemas solares térmicos de concentración no eléctricos domésticos . En muchos países del norte de Europa, los sistemas combinados de agua caliente y calefacción ( combisystems solares ) se utilizan para proporcionar entre el 15 y el 25% de la energía de calefacción del hogar. Cuando se combina con el almacenamiento , la calefacción solar a gran escala puede proporcionar entre el 50% y el 97% del consumo anual de calor para la calefacción urbana . [20] [21]
Los sistemas directos o de circuito abierto hacen circular agua potable a través de los colectores. Son relativamente baratos. Los inconvenientes incluyen:
La llegada de diseños tolerantes a las heladas amplió el mercado de CSA a climas más fríos. En condiciones de congelación, los modelos anteriores se dañaban cuando el agua se convertía en hielo, rompiendo uno o más componentes.
Los sistemas indirectos o de circuito cerrado utilizan un intercambiador de calor para transferir calor del "fluido de transferencia de calor" (HTF) al agua potable. El HTF más común es una mezcla de anticongelante y agua que normalmente utiliza propilenglicol no tóxico . Después de calentarse en los paneles, el HTF viaja al intercambiador de calor, donde su calor se transfiere al agua potable. Los sistemas indirectos ofrecen protección contra el congelamiento y, por lo general, protección contra el sobrecalentamiento.
Los sistemas pasivos dependen de la convección impulsada por el calor o de tuberías de calor para hacer circular el fluido de trabajo. Los sistemas pasivos cuestan menos y requieren poco o ningún mantenimiento, pero son menos eficientes. El sobrecalentamiento y la congelación son preocupaciones importantes.
Los sistemas activos utilizan una o más bombas para hacer circular agua y/o fluido de calefacción . Esto permite una gama mucho más amplia de configuraciones del sistema.
Los sistemas de bombeo son más caros de comprar y operar. Sin embargo, funcionan con mayor eficiencia y pueden controlarse más fácilmente.
Los sistemas activos tienen controladores con características como interacción con un calentador de agua eléctrico o de gas de respaldo, cálculo y registro de la energía ahorrada, funciones de seguridad, acceso remoto y pantallas informativas.
Un sistema de almacenamiento con colector integrado (ICS o calentador por lotes) utiliza un tanque que actúa como almacenamiento y colector. Los calentadores discontinuos son tanques delgados y rectilíneos con un lado de vidrio orientado hacia el sol al mediodía . Son simples y menos costosos que los colectores de placas y tubos, pero pueden requerir refuerzos si se instalan en un techo (para soportar 400 a 700 lb (180 a 320 kg) de agua), sufren una pérdida significativa de calor por la noche desde el costado. Las ventanas orientadas al sol carecen en gran medida de aislamiento y sólo son adecuadas en climas moderados.
Un sistema de unidad de almacenamiento de calor por convección (CHS) es similar a un sistema ICS, excepto que el tanque de almacenamiento y el colector están físicamente separados y la transferencia entre los dos se realiza por convección. Los sistemas CHS suelen utilizar colectores estándar de placa plana o de tubo de vacío. El tanque de almacenamiento debe estar ubicado encima de los colectores para que la convección funcione correctamente. El principal beneficio de los sistemas CHS sobre los sistemas ICS es que se evita en gran medida la pérdida de calor ya que el tanque de almacenamiento puede aislarse completamente. Dado que los paneles están ubicados debajo del tanque de almacenamiento, la pérdida de calor no causa convección, ya que el agua fría permanece en la parte más baja del sistema.
Los sistemas anticongelantes presurizados utilizan una mezcla de anticongelante (casi siempre propilenglicol poco tóxico) y una mezcla de agua para HTF para evitar daños por congelación.
Aunque son eficaces para prevenir daños por congelación, los sistemas anticongelantes tienen desventajas:
Un sistema de drenaje es un sistema indirecto activo donde el HTF (generalmente agua pura) circula a través del colector, impulsado por una bomba. La tubería colectora no está presurizada e incluye un depósito de drenaje abierto que está contenido en un espacio acondicionado o semiacondicionado. El HTF permanece en el depósito de drenaje a menos que la bomba esté funcionando y regresa allí (vaciando el colector) cuando la bomba se apaga. El sistema colector, incluidas las tuberías, debe drenar por gravedad al tanque de drenaje. Los sistemas Drainback no están sujetos a congelación ni sobrecalentamiento. La bomba funciona sólo cuando es apropiado para la recolección de calor, pero no para proteger el HTF, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos de bombeo. [22]
Los planes para sistemas solares de calentamiento de agua están disponibles en Internet. [23] Los sistemas CSA de bricolaje suelen ser más baratos que los comerciales y se utilizan tanto en el mundo desarrollado como en el mundo en desarrollo. [24] [25]
Los colectores solares térmicos capturan y retienen el calor del sol y lo utilizan para calentar un líquido. [27] Dos principios físicos importantes rigen la tecnología de los colectores solares térmicos:
Los colectores de placa plana son una extensión de la idea de colocar un colector en una caja similar a un "horno" con el vidrio directamente mirando al sol. [29] La mayoría de los colectores de placa plana tienen dos tubos horizontales en la parte superior e inferior, llamados cabezales, y muchos tubos verticales más pequeños que los conectan, llamados elevadores. Los elevadores están soldados (o conectados de manera similar) a delgadas aletas absorbentes. El fluido de transferencia de calor (agua o mezcla de agua/anticongelante) se bombea desde el tanque de almacenamiento de agua caliente o el intercambiador de calor al cabezal inferior de los colectores, sube por los elevadores, recoge el calor de las aletas del absorbente y luego sale del colector. del encabezado superior. Los colectores de placa plana serpentina difieren ligeramente de este diseño de "arpa" y, en su lugar, utilizan un solo tubo que sube y baja por el colector. Sin embargo, dado que no se puede drenar adecuadamente el agua, los colectores de placa plana tipo serpentina no se pueden utilizar en sistemas de drenaje.
El tipo de vidrio utilizado en los colectores de placa plana es casi siempre vidrio templado con bajo contenido de hierro . Este tipo de vidrio puede soportar granizo importante sin romperse, lo cual es una de las razones por las que los colectores de placa plana se consideran el tipo de colector más duradero.
Los colectores formados o sin vidriar son similares a los colectores de placa plana, excepto que no están aislados térmicamente ni protegidos físicamente por un panel de vidrio. En consecuencia, este tipo de colectores son mucho menos eficientes cuando la temperatura del agua excede la temperatura del aire ambiente. Para aplicaciones de calefacción de piscinas, el agua que se va a calentar suele estar más fría que la temperatura ambiente del techo, momento en el que la falta de aislamiento térmico permite extraer calor adicional del entorno circundante. [30]
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Los colectores de tubos de vacío (ETC) son una forma de reducir la pérdida de calor [29] inherente a las placas planas. Dado que la pérdida de calor por convección no puede atravesar el vacío, forma un mecanismo de aislamiento eficaz para mantener el calor dentro de las tuberías colectoras. [31] Dado que dos láminas de vidrio planas generalmente no son lo suficientemente fuertes para resistir el vacío, el vacío se crea entre dos tubos concéntricos. Por lo tanto, normalmente, la tubería de agua en un ETC está rodeada por dos tubos concéntricos de vidrio separados por un vacío que admite calor del sol (para calentar la tubería) pero que limita la pérdida de calor. El tubo interior está recubierto con un absorbente térmico. [32] La vida útil del vacío varía de un colector a otro, de 5 a 15 años.
Los colectores de placa plana son generalmente más eficientes que los ETC en condiciones de pleno sol. Sin embargo, la producción de energía de los colectores de placa plana se reduce ligeramente más que la de los ETC en condiciones nubladas o extremadamente frías. [29] La mayoría de los ETC están hechos de vidrio recocido, que es susceptible al granizo , ya que presenta partículas del tamaño aproximado de una pelota de golf. Los ETC hechos de "vidrio de coque", que tiene un tinte verde, son más fuertes y es menos probable que pierdan su vacío, pero la eficiencia se reduce ligeramente debido a la menor transparencia. Los ETC pueden recolectar energía del sol durante todo el día en ángulos bajos debido a su forma tubular. [33]
Una forma de alimentar un sistema activo es mediante un panel fotovoltaico (PV) . Para garantizar el rendimiento y la longevidad adecuados de la bomba, la bomba (CC) y el panel fotovoltaico deben coincidir adecuadamente. Aunque una bomba fotovoltaica no funciona por la noche, el controlador debe garantizar que la bomba no funcione cuando sale el sol pero el agua del colector no está lo suficientemente caliente.
Las bombas fotovoltaicas ofrecen las siguientes ventajas:
Una bomba de burbujas (también conocida como bomba de géiser) es adecuada tanto para sistemas de paneles planos como para sistemas de tubos de vacío. En un sistema de bomba de burbujas, el circuito cerrado de HTF está bajo presión reducida, lo que hace que el líquido hierva a baja temperatura a medida que el sol lo calienta. Las burbujas de vapor forman un géiser que provoca un flujo ascendente. Las burbujas se separan del fluido caliente y se condensan en el punto más alto del circuito, después de lo cual el fluido fluye hacia el intercambiador de calor debido a la diferencia en los niveles del fluido. [35] [36] [37] El HTF normalmente llega al intercambiador de calor a 70 °C y regresa a la bomba de circulación a 50 °C. El bombeo suele comenzar a unos 50 °C y aumenta a medida que sale el sol hasta alcanzar el equilibrio.
Un controlador diferencial detecta las diferencias de temperatura entre el agua que sale del colector solar y el agua en el tanque de almacenamiento cerca del intercambiador de calor. El controlador arranca la bomba cuando el agua en el colector está lo suficientemente caliente entre 8 y 10 °C más que el agua en el tanque, y la detiene cuando la diferencia de temperatura alcanza entre 3 y 5 °C. Esto garantiza que el agua almacenada siempre gane calor cuando la bomba funciona y evita que la bomba se encienda y apague excesivamente. (En sistemas directos la bomba se puede activar con una diferencia de alrededor de 4 °C porque no tienen intercambiador de calor).
El colector más sencillo es un depósito metálico lleno de agua situado en un lugar soleado. El sol calienta el tanque. Así funcionaban los primeros sistemas. [5] Esta configuración sería ineficiente debido al efecto de equilibrio: tan pronto como comienza el calentamiento del tanque y el agua, el calor ganado se pierde al medio ambiente y esto continúa hasta que el agua en el tanque alcanza la temperatura ambiente. El desafío es limitar la pérdida de calor.
Los ICS o colectores discontinuos reducen la pérdida de calor al aislar térmicamente el tanque. [29] [38] Esto se logra encerrando el tanque en una caja con tapa de vidrio que permite que el calor del sol llegue al tanque de agua. [39] Las otras paredes de la caja están aisladas térmicamente, lo que reduce la convección y la radiación. [40] La caja también puede tener una superficie reflectante en el interior. Esto refleja el calor perdido desde el tanque hacia el tanque. De una manera sencilla, se podría considerar un calentador de agua solar ICS como un tanque de agua encerrado en una especie de "horno" que retiene el calor del sol así como el calor del agua en el tanque. El uso de una caja no elimina la pérdida de calor del tanque al medio ambiente, pero la reduce en gran medida.
Los colectores ICS estándar tienen una característica que limita fuertemente la eficiencia del colector: una pequeña relación superficie-volumen. [41] Dado que la cantidad de calor que un tanque puede absorber del sol depende en gran medida de la superficie del tanque directamente expuesta al sol, se deduce que el tamaño de la superficie define el grado en que el sol puede calentar el agua. . Los objetos cilíndricos, como el tanque de un colector ICS, tienen una relación superficie-volumen inherentemente pequeña. Los colectores intentan aumentar esta proporción para un calentamiento eficiente del agua. Las variaciones de este diseño básico incluyen recolectores que combinan contenedores de agua más pequeños y tecnología de tubos de vidrio al vacío, un tipo de sistema ICS conocido como recolector por lotes de tubos evacuados (ETB). [29]
Los ETSC pueden resultar más útiles que otros colectores solares durante la temporada de invierno. Los ETC se pueden utilizar para fines de calefacción y refrigeración en industrias como la farmacéutica y farmacéutica, la papelera, la del cuero y la textil, y también en viviendas residenciales, hospitales, residencias de ancianos, hoteles, piscinas, etc.
Un ETC puede funcionar en un rango de temperaturas de media a alta para agua caliente solar, piscina, aire acondicionado y cocina solar.
El mayor rango de temperatura operativa de los ETC (hasta 200 °C (392 °F)) los hace adecuados para aplicaciones industriales como generación de vapor, motores térmicos y secado solar.
Para calentar la piscina se utilizan sistemas de cobertura de piscinas flotantes y STC separados.
Los sistemas de cobertura de piscinas, ya sean láminas macizas o discos flotantes, actúan como aislante y reducen las pérdidas de calor. Gran parte de la pérdida de calor se produce por evaporación y el uso de una cubierta ralentiza la evaporación.
Los STC para uso en agua de piscinas no potable suelen estar hechos de plástico. El agua de la piscina es ligeramente corrosiva debido al cloro. El agua circula a través de los paneles utilizando el filtro de piscina existente o la bomba suplementaria. En ambientes templados, los colectores de plástico sin vidriar son más eficientes como sistema directo. En ambientes fríos o ventosos, se utilizan tubos de vacío o placas planas en una configuración indirecta junto con un intercambiador de calor. Esto reduce la corrosión. Se utiliza un controlador de temperatura diferencial bastante simple para dirigir el agua a los paneles o al intercambiador de calor, ya sea girando una válvula o accionando la bomba. Una vez que el agua de la piscina ha alcanzado la temperatura requerida, se utiliza una válvula desviadora para devolver el agua directamente a la piscina sin calentarla. [42] Muchos sistemas están configurados como sistemas de drenaje donde el agua drena hacia la piscina cuando la bomba de agua está apagada.
Los paneles colectores suelen montarse en un tejado cercano o en el suelo sobre un bastidor inclinado. Debido a la pequeña diferencia de temperatura entre el aire y el agua, los paneles suelen estar formados por colectores o colectores de placa plana sin vidriar. Una regla general simple para el área de panel requerida es el 50% de la superficie de la piscina. [42] Esto es para áreas donde las piscinas se utilizan únicamente en la temporada de verano. Agregar colectores solares a una piscina exterior convencional, en un clima frío, normalmente puede prolongar el uso cómodo de la piscina durante meses y más si se utiliza una cubierta aislante para piscina. [30] Cuando se dimensionan con una cobertura del 100%, la mayoría de los sistemas solares de agua caliente son capaces de calentar una piscina desde tan solo 4 °C para una piscina expuesta al viento, hasta hasta 10 °C para una piscina protegida del viento y cubierta constantemente. con manta solar para piscina. [43]
Se puede utilizar un programa de análisis del sistema de energía solar activo para optimizar el sistema de calefacción solar de la piscina antes de su construcción.
La cantidad de calor entregado por un sistema solar de calentamiento de agua depende principalmente de la cantidad de calor entregado por el sol en un lugar particular ( insolación ). En los trópicos, la insolación puede ser relativamente alta, por ejemplo, 7 kWh/m 2 por día, frente a, por ejemplo, 3,2 kWh/m 2 por día en las zonas templadas . Incluso en la misma latitud, la insolación promedio puede variar mucho de un lugar a otro debido a las diferencias en los patrones climáticos locales y la cantidad de nubosidad. Hay calculadoras disponibles para estimar la insolación en un sitio. [44] [45] [46]
A continuación se muestra una tabla que ofrece una indicación aproximada de las especificaciones y la energía que se podrían esperar de un sistema solar de calentamiento de agua que involucre unos 2 m 2 de área de absorción del colector, lo que demuestra dos sistemas solares de calentamiento de agua con tubos de vacío y tres de placa plana. Se utiliza información de certificación o cifras calculadas a partir de esos datos. Las dos filas inferiores dan estimaciones de la producción diaria de energía (kWh/día) para un escenario tropical y templado . Estas estimaciones corresponden a calentar agua a 50 °C por encima de la temperatura ambiente.
Con la mayoría de los sistemas solares de calentamiento de agua, la producción de energía aumenta linealmente con el área de superficie del colector. [47]
Las cifras son bastante similares entre los colectores anteriores, produciendo unos 4 kWh/día en un clima templado y unos 8 kWh/día en un clima tropical cuando se utiliza un colector con un absorbente de 2 m 2 . En un escenario templado esto es suficiente para calentar 200 litros de agua a unos 17 °C. En el escenario tropical, el calentamiento equivalente sería de unos 33 °C. Muchos sistemas de termosifón tienen una producción de energía comparable a la de sistemas activos equivalentes. La eficiencia de los colectores de tubos de vacío es algo menor que la de los colectores de placa plana porque los absorbentes son más estrechos que los tubos y los tubos tienen espacio entre ellos, lo que resulta en un porcentaje significativamente mayor de área total del colector inactiva. Algunos métodos de comparación [48] calculan la eficiencia de los colectores de tubos de vacío en función del área real del absorbente y no del espacio ocupado como se ha hecho en la tabla anterior. La eficiencia se reduce a temperaturas más altas.
En lugares soleados y cálidos, donde no es necesaria la protección contra el congelamiento, un calentador de agua solar ICS (tipo discontinuo) puede resultar rentable. [40] En latitudes más altas, los requisitos de diseño para climas fríos aumentan la complejidad y el costo del sistema. Esto aumenta los costos iniciales , pero no los costos del ciclo de vida. Por lo tanto, la consideración más importante es el gran desembolso financiero inicial de los sistemas solares de calentamiento de agua. [49] Compensar este gasto puede llevar años. [50] El período de recuperación es más largo en ambientes templados. [51] Dado que la energía solar es gratuita, los costos de operación son pequeños. En latitudes más altas, los calentadores solares pueden ser menos efectivos debido a la menor insolación, lo que posiblemente requiera sistemas de calefacción más grandes o duales. [51] En algunos países, los incentivos gubernamentales pueden ser significativos.
Los factores de costo (positivos y negativos) incluyen:
Los tiempos de recuperación pueden variar mucho debido al sol regional, costos adicionales debido a las necesidades de protección contra heladas de los recolectores, uso de agua caliente doméstica, etc. Por ejemplo, en el centro y sur de Florida, el período de recuperación podría fácilmente ser de 7 años o menos en lugar de los 12,6 años indicados en el gráfico de Estados Unidos. [52]
El período de recuperación es más corto dada la mayor insolación. Sin embargo, incluso en zonas templadas, el calentamiento solar del agua es rentable. Históricamente, el período de recuperación de la inversión de los sistemas fotovoltaicos ha sido mucho más largo. [51] Los costos y el período de recuperación son más cortos si no se requiere un sistema complementario o de respaldo. [50] extendiendo así el período de recuperación de dicho sistema.
Australia opera un sistema de Créditos de Energía Renovable, basado en objetivos nacionales de energía renovable. [56]
La Iniciativa de Vecindarios Solares de Toronto ofrece subsidios para la compra de unidades solares de calentamiento de agua. [66]
La fuente de electricidad en un sistema CSA activo determina en qué medida un sistema contribuye al carbono atmosférico durante su funcionamiento. Los sistemas solares térmicos activos que utilizan la electricidad de la red eléctrica para bombear el fluido a través de los paneles se denominan "solares bajos en carbono". En la mayoría de los sistemas, el bombeo reduce el ahorro de energía en aproximadamente un 8% y el ahorro de carbono de la energía solar en aproximadamente un 20%. [67] Sin embargo, las bombas de baja potencia funcionan con 1-20W. [68] [69] Suponiendo un panel colector solar que suministra 4 kWh/día y una bomba funcionando intermitentemente desde la red eléctrica durante un total de 6 horas durante un día soleado de 12 horas, el efecto potencialmente negativo de dicha bomba se puede reducir a alrededor del 3% del calor producido.
Sin embargo, los sistemas solares térmicos activos alimentados por energía fotovoltaica suelen utilizar un panel fotovoltaico de 5 a 30 W y una pequeña bomba de diafragma o bomba centrífuga de baja potencia para hacer circular el agua. Esto reduce la huella operativa de carbono y energía.
Los sistemas de bombeo alternativos no eléctricos pueden emplear expansión térmica y cambios de fase de líquidos y gases.
Se pueden utilizar estándares reconocidos para realizar evaluaciones del ciclo de vida (LCA) sólidas y cuantitativas. ACV considera los costos financieros y ambientales de adquisición de materias primas, fabricación, transporte, uso, servicio y eliminación del equipo. Los elementos incluyen:
En términos de consumo de energía, alrededor del 60% va al tanque y el 30% al colector [70] (placa plana termosifón en este caso). En Italia, [71] se utilizan unos 11 gigajulios de electricidad para producir equipos de CSA, de los cuales alrededor del 35% se destina al tanque y otro 35% al colector. El principal impacto relacionado con la energía son las emisiones. La energía utilizada en la fabricación se recupera en los primeros 2 o 3 años de uso (en el sur de Europa).
Por el contrario, en el Reino Unido el tiempo de recuperación de la energía es de sólo dos años. Esta cifra correspondía a un sistema directo, adaptado a un depósito de agua existente, con bombeo fotovoltaico, tolerante a las heladas y con una apertura de 2,8 m2. En comparación, según el mismo estudio comparativo, una instalación fotovoltaica tardó unos cinco años en recuperar su energía. [72]
En términos de emisiones de CO 2 , una gran fracción de las emisiones ahorradas depende del grado en que se utilice gas o electricidad para complementar el sol. Utilizando el sistema de 99 puntos del Eco-indicador como criterio (es decir, la carga medioambiental anual de un habitante europeo medio) en Grecia, [70] un sistema impulsado exclusivamente por gas puede tener menos emisiones que un sistema solar. Este cálculo supone que el sistema solar produce aproximadamente la mitad de las necesidades de agua caliente de un hogar. Pero debido a que las emisiones de metano (CH 4 ) del ciclo del combustible del gas natural [73] eclipsan el impacto de invernadero del CO 2 , las emisiones netas de efecto invernadero (CO 2 e) de los sistemas impulsados por gas son mucho mayores que las de los calentadores solares, especialmente si se usan suplementos. La electricidad también proviene de generación libre de carbono. [ cita necesaria ]
Un sistema de prueba en Italia produjo alrededor de 700 kg de CO 2 , considerando todos los componentes de fabricación, uso y eliminación. El mantenimiento se identificó como una actividad costosa en términos de emisiones cuando se reemplazó el fluido de transferencia de calor (a base de glicol). Sin embargo, el costo de las emisiones se recuperó aproximadamente dos años después del uso del equipo. [71]
En Australia también se recuperaron las emisiones del ciclo de vida. El sistema CSA probado tuvo aproximadamente el 20 % del impacto de un calentador de agua eléctrico y la mitad del de un calentador de agua a gas. [50]
Al analizar su sistema de calentamiento de agua solar tolerante a la congelación y modernizado de menor impacto, Allen et al. (qv) informaron un impacto de producción de CO 2 de 337 kg, que es aproximadamente la mitad del impacto ambiental informado en Ardente et al. (qv) estudio.
Todos los participantes relevantes del Plan de Energía Renovable a Gran Escala y del Plan de Energía Renovable a Pequeña Escala deben cumplir con las Leyes mencionadas anteriormente. [75]
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