Ventajas y desventajas de los calentadores solares


Por
Luis Bérriz Pérez*

Descripción y análisis de diferentes tipos de calentadores solares, basados en experiencias cubanas durante más de treinta años, por genSolar, CIES, CUBAENERGÍA
y CUBASOLAR

 

En un estudio reciente realizado por el Grupo Nacional de Energía Solar Térmica y el Ministerio de la Industria Básica (MINBAS), se constató que (si se tiene en cuenta solamente la disponibilidad de agua y las condiciones de los techos de casas y edificios) existe actualmente la posibilidad de instalar en el país un millón quinientos mil metros cuadrados de calentadores solares, de los cuales un millón serían en viviendas, y quinientos mil en industrias e instalaciones de servicios. Si para calentar toda el agua que se calienta actualmente en Cuba se utilizaran calentadores solares, las necesidades serían de alrededor de cuatro millones de metros cuadrados, aunque es bueno puntualizar que la energía solar que llega al archipiélago permitiría calentar un volumen de agua muchísimo mayor.

Concretémonos solamente al millón de metros cuadrados de calentadores solares que pudiera instalarse en las viviendas. Un calentador solar doméstico de un metro cuadrado de área de captación calienta, como promedio, 150 litros de agua a 45 °C, lo que es suficiente para una vivienda de cuatro a cinco habitantes, no solamente para el baño, sino también para la cocina y el lavado de la ropa.

Cada calentador solar de un metro cuadrado de área de captación puede producir, como promedio, 3 kWh cada día como energía térmica, o sea, 1 MWh al año. Un millón de calentadores producirían 3 GWh al día, es decir, 1 000 GWh al año.

Si se tiene en cuenta que 80% del agua caliente se consume entre las 5 de la tarde y las 11 de la noche, la instalación de un millón de calentadores solares domésticos equivale a dejar de utilizar plantas de generación de electricidad con una potencia de 400 MW.

Si se toma un costo de 0,15 a 0,20 pesos (CUC) para el kWh eléctrico utilizado, la energía producida por un calentador solar en un año tiene un valor de 150 a 200 pesos (CUC). Este valor es el potencial de ahorro de un calentador solar doméstico, y es, también, su costo aproximado. Por lo tanto, podemos llegar a la conclusión siguiente: «un calentador solar doméstico se puede pagar en aproximadamente un año, solamente con el ahorro de energía convencional».

Es importante conocer y reconocer que las inversiones realizadas en calentadores solares son de rápida recuperación, si se toma en consideración el ahorro de electricidad y combustibles. Este reconocimiento de inversiones que se pagan en un corto período con el ahorro de electricidad y combustibles fósiles, forma parte del éxito de nuestra Revolución Energética, alcanzado con el cambio de los bombillos incandescentes, los refrigeradores y otros equipos domésticos ineficientes y altos consumidores de electricidad.

Ha sido precisamente el ahorro lo que ha permitido el crecimiento del consumo eléctrico en otras actividades fundamentales de la economía nacional, sin aumentar la electricidad total producida. En el caso de que tengamos que invertir en nuevas centrales termoeléctricas para garantizar el desarrollo económico y social del país, se hace conveniente analizar la variante de invertir en calentadores solares, no solamente para disminuir la dependencia energética y proteger el medio ambiente, sino también por las ventajas económicas que puede significar esta inversión.

Desgraciadamente, la disponibilidad de calentadores solares en el mercado es tan poca, que es casi insignificante. Se hace imprescindible la elaboración de un programa nacional que tenga en cuenta todos los factores necesarios para su generalización. La instalación de un millón de calentadores solares no es tarea fácil, pero tampoco ha sido fácil ninguna de las tareas realizadas en el marco de la Revolución Energética. Sin embargo, el beneficio que esto representa para la economía nacional es significativo.

Ahora bien, si tomamos una durabilidad de veinte años para el calentador solar, y se elabora un programa de instalación de cincuenta mil calentadores solares cada año, al cabo de veinte años se completaría el millón. A partir del 2021, la instalación de los cincuenta mil calentadores anuales sería para las reposiciones, con lo que se garantizaría la sustentabilidad del programa. O sea, que cincuenta mil sería el mínimo de calentadores que se debería instalar cada año. Si se instalaran más, se reduciría el tiempo para alcanzar el millón, y los beneficios se alcanzarían con mayor rapidez.

La instalación de calentadores solares puede realizarse importando equipos, o fabricándolos en Cuba. La fabricación nacional de los equipos parece ser la mejor variante, por la disminución de los costos y la creación de puestos de trabajo.

Para la fabricación de cincuenta mil calentadores anuales pudiera valorarse la posibilidad de la construcción de pequeñas fábricas, como fomento de la industria local, en dependencia de las posibilidades y necesidades de las provincias o territorios. No debe descartarse la fabricación de calentadores en cooperativas de producción industrial, así como para la prestación de servicios de instalación y mantenimiento por las mismas.

Pero, en cualquiera de las variantes, surge una pregunta: ¿cuál tipo de calentador importar, o fabricar? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada tipo, en dependencia de las condiciones de nuestro país?

En el mercado mundial existen, principalmente, tres tipos de calentadores solares para uso doméstico (ver Tabla 1, en las páginas 22 y 23):

1. Calentador solar plano con tanque-termo.
2. Calentador solar de tubos al vacío con tanque-termo: termosifónicos, o de tubos calóricos.
3. Calentador solar compacto.


Calentador solar plano con tanque-termo

El calentador solar de plato plano se compone de dos partes principales: el colector y el tanque-termo.

 
Fig. 1. Calentador solar plano con tanque-termo.
 

El colector está compuesto por un plato absorbedor formado por una placa metálica, gran conductora de calor y de baja capacidad calórica, que tiene la función de absorber toda la energía solar posible. Esta placa tiene acoplada tubos por donde circula el agua que es calentada con la radiación solar que recibe el plato. Este colector tiene, además, una envoltura aislante y una cubierta transparente.

La superficie del plato de absorción debe tener las características necesarias para que la mayor parte de la radiación que reciba sea absorbida, y muy poco reflejada, lo que se logra aplicándole diferentes tratamientos químicos y físicos, y finalmente un acabado de color negro mate. Actualmente se fabrican colectores con platos de superficie selectiva, la que absorbe un máximo de energía solar, y emite un mínimo de radiación infrarroja.
La cubierta del colector está destinada a dejar pasar la radiación solar hacia el plato de absorción, y disminuir la pérdida de calor por convección y radiación. Para facilitar el efecto aislante, la cubierta está formada por una o dos planchas de material transparente, vidrio o plástico, separadas convenientemente.

La cubierta y la envoltura aíslan del medio ambiente al plato absorbedor. El material más frecuentemente usado para la cubierta es el vidrio, ya que posee la propiedad de dejar pasar casi toda la radiación solar y, por el contrario, es opaco a la radiación infrarroja emitida por el plato de absorción. También se usa el plástico (últimamente se emplea con mayor frecuencia el policarbonato).

El colector va acoplado a un tanque-termo comúnmente confeccionado con metal y aislante de poliuretano.

Ventajas y desventajas de los calentadores de plato plano:
• El comportamiento térmico es inferior a otros colectores solares que se comercializan. Su eficiencia oscila entre 30 y 50%.
• El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 40 °C en días nublados.
• En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas superiores a los 60 °C.
• Son sensibles a la rotura del vidrio. Deben fabricarse con vidrios térmicos resistentes a impactos. En caso de rotura del vidrio, siguen trabajando, aunque con una eficiencia inferior.
• Su montaje es sencillo, si se tiene experiencia.
• Son muy sensibles a las incrustaciones, debido a que las tuberías del plato absorbedor son finas. El mantenimiento es complejo si se requiere una limpieza por incrustaciones. La única solución es una limpieza química.
• Pueden trabajar con presiones en el tanque-termo superiores a 4 atmósferas.
• Por su forma apantallada, no resisten vientos fuertes, por lo que se recomienda su desmontaje en caso de ciclones.


Calentadores solares de tubos al vacío


Los calentadores de tubos al vacío tienen el mismo principio de trabajo que los colectores de plato plano, es decir, la radiación es recibida por el absorbedor y llevada en forma de calor hacia un tanque acumulador. La diferencia consiste en que el absorbedor está formado por tubos en los cuales se ha hecho vacío para disminuir las pérdidas de calor, y dentro del tubo van colocados las secciones del absorbedor (Fig. 2).

 

Fig. 2. Detalle de un extremo de los
tubos en los que se ha creado vacío.
 

Algunos modelos están formados por tubos sencillos de vidrio, los cuales tienen en su interior un sector de plato plano de absorción acoplado a un tubo metálico por donde fluye el líquido. En otros modelos, el absorbedor suele ser un tubo interior con tratamiento óptico selectivo, lo que mejora todavía más la eficiencia del colector. Entre el tubo interior y el exterior, ambos concéntricos, existe vacío.

Existen varios modelos de colectores de tubos al vacío, en dependencia del movimiento del fluido y el método de transferencia de calor utilizado. Los principales son (Fig. 3):

 
Fig. 3. Calentador solar de tubos al vacío.
 

• Tubos termosifónicos.
• Tubos calóricos.

En todos los casos, los tubos van directamente acoplados al tanque-termo, o a un cabezal por donde fluye el agua o líquido que se desea calentar.

En el caso de los tubos termosifónicos, el agua del tanque-termo fluye directamente por dentro del tubo interior, y su movimiento dentro del mismo se debe al cambio de densidad del agua más caliente (la cual sube) y la menos caliente (la cual baja). En este caso, la presión del tanque-termo se transmite al tubo de vidrio.

Otra variante es el calentador de tubos al vacío con tubos calóricos, que ha significado un gran avance en la tecnología de transferencia de calor, aplicada en este caso al calentador solar. En este modelo, por dentro del tubo de vidrio no fluye el agua, sino que tiene en su eje central un tubo calórico para transmitir el calor solar ganado al agua del tanque-termo o cabezal.

El tubo calórico forma un sistema cerrado de evaporación-condensación, y suele ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente cerrado, el cual contiene un líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión (vacío) y temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si disminuye, aumenta la fase líquida. La presión (vacío) dentro del tubo se selecciona de tal forma que empiece la evaporación a 25 °C, lo que garantiza el funcionamiento del colector solar aún con baja radiación.

La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque-termo o cabezal. De esta forma, cuando la parte que está expuesta a la radiación solar (dentro del tubo de vidrio al vacío) se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando el vapor se pone en contacto con el agua del tanque-termo, la cual está más fría, se condensa, bajando en forma líquida por gravedad a la parte baja del tubo calórico. De esta forma se completa el ciclo (Fig. 4).

 
Fig. 4. Calentador solar de tubos al vacío:
a) termosifónico y b) tubos calóricos.
 

Ventajas y desventajas de los calentadores de tubos al vacío:
• Son productos de alta calidad, y dada la baja emisividad del tubo (0,08), su alta absorbencia (0,93) y su aislamiento por vacío, se consiguen rendimientos superiores a otros tipos de calentadores solares.
• El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 40 °C en días totalmente nublados.
• En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas superiores a los 75°C.
• El comportamiento térmico es superior a otros colectores solares que se comercializan, pudiendo trabajar a temperaturas superiores a los 80 °C, con una eficiencia superior a 50%.
• La curvatura del tubo de vidrio (de 30 a 40 mm de diámetro) ofrece una mayor resistencia a los impactos que los colectores planos. Su montaje es muy sencillo si se tienen experiencias.
• El mantenimiento es muy sencillo y solamente requiere de limpieza una vez al año. No son sensibles a las incrustaciones.
• En los modelos de tubos calóricos se puede trabajar con presiones en el tanque-termo superiores a cuatro atmósferas, no así en el modelo de tubos termosifónicos, que no resiste sobrepresiones.
• En los modelos de tubos calóricos, si un tubo de vidrio se rompe, el calentador sigue funcionando; sin embargo, si un tubo de vidrio se rompe en el modelo de tubos termosifónicos, la instalación se vacía y deja de funcionar.
• Por la forma aerodinámica de los tubos, resisten vientos fuertes, por lo que si el montaje ha sido correcto, no es necesario desmontarlos durante ciclones (Fig. 5).

 
Fig. 5. Estructura del tubo al vacío.
D: Diámetro exterior del tubo. L: Longitud del tubo.
a: Tubo de vidrio interior. b: Capa selectiva. c: Zona de vacío.
d: Diámetro interior del tubo. e: Tubo de vidrio exterior.
f: Soporte de acero. g: Presilla.
 

Calentador compacto

Un calentador solar compacto está formado, en esencia, por un recipiente cerrado pintado de negro, con una entrada y una salida de agua. Este recipiente está convenientemente aislado por el fondo y los lados con cualquier material aislante, y por arriba (por donde le llega la radiación solar), con un vidrio u otro material transparente (Fig. 6).

 

Fig. 6. Calentador compacto.
 

El recipiente puede tener cualquier forma, pero preferentemente debe hacerse con un tubo de un diámetro adecuado, pues tolera más presión y es más fácil taparlo por los extremos (Fig. 7).

 

Fig. 7. Corte transversal
del calentador compacto.
 

La envoltura o caja aislante del calentador solar puede hacerse también con materiales de la construcción, tales como ladrillos, bloques, etc. En la figura siguiente puede observarse el corte transversal de una variante de calentador solar construido con un tubo de aluminio, ladrillos y vidrio. Como a veces el sellado de la cubierta no puede ser perfecto, debe dejarse la posibilidad de que salga el agua, en caso de que entre, mediante un pequeño agujero situado en la parte inferior de la base.
Un calentador compacto bien construido y aislado, puede conservar el agua caliente inclusive por la noche.

Tabla 1. Comparación de diferentes tipos de calentadores solares


Ventajas y desventajas de los calentadores compactos:

• Son los calentadores más sencillos que existen en el mercado. A diferencia de los otros tipos, no requieren de tanque-termo independiente, ya que el colector hace también la función de tanque-termo.
• El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 40 °C en días nublados.
• En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas de 60 °C.
• El comportamiento térmico es aceptable, pudiendo trabajar a temperaturas de 50 °C, con una eficiencia superior a 50%.
• Son sensibles a la rotura del vidrio. Deben fabricarse con vidrios térmicos resistentes a impactos, o con policarbonato estabilizado a la radiación ultravioleta. En caso de rotura del vidrio, siguen trabajando, aunque con una eficiencia inferior.
• Su montaje es muy sencillo.
• El mantenimiento es muy sencillo, y generalmente no lo requiere.
• Soportan presiones superiores a cuatro atmósferas.
• Por su forma, resisten vientos fuertes, por lo que no hace falta su desmontaje en caso de ciclones.
• Debido a su sencillez, es fácil su fabricación, así como su montaje y explotación.


Recomendaciones


• La generalización de los calentadores solares puede basarse tanto en la importación como en la fabricación en Cuba, ya que, en ambos casos, la inversión es de rápida recuperación.
• Es ventajoso para la economía nacional poner en marcha un programa de fabricación de calentadores solares en Cuba. En todo caso, los calentadores que se proyecten fabricar deben ser los del tipo compacto, o los de tubos al vacío, y no los de plato plano.
• Los calentadores compactos son los más baratos y fáciles de construir, por lo que deben tener prioridad en el programa.
• En caso de construirse los calentadores de tubos al vacío, deben ser de tubos termosifónicos. Los de tubos calóricos deben dejarse para uso industrial, así como en las instalaciones donde se requieran altas presiones (por ejemplo, para el turismo).
• Para la construcción de calentadores de tubos al vacío, deben importarse los tubos y analizar la variante de construcción del tanque-termo de material plástico, según las experiencias obtenidas en CUBAENERGÍA.
• Se debe considerar la fábrica de calentadores RENSOL, de Morón, dentro del programa para ahorro de electricidad y combustibles, y no sólo para sustituir calentadores importados.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR.
Autor del libro Secadores solares para productos agropecuarios e industriales
y coautor del Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares.
e-mail: berriz@cubasolar.cu