El calentador solar

Por Luis Bérriz

Ilustraciones: Pope y Aleman

 

Principios de funcionamiento.

Ideas básicas

para su diseño,

construcción e instalación.

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En los días fríos y principalmente a la hora del baño, nos acordamos de la importancia que tiene disponer de agua caliente.

Sin embargo, a pesar de las características de nuestro clima, muchas familias están acostumbradas a calentar agua durante todo el año, para bañarse, fregar y lavar la ropa.

¿Cuánta energía se consume en nuestro país por este concepto? No lo sabemos, pero si suponemos que solamente 5 % de las familias cubanas calienten 2 litros diarios por persona, durante 300 días en el año, con electricidad, petróleo, queroseno o gas, equivaldría a un consumo de 15 000 toneladas de petróleo, lo que no es poco.

Y entonces nos preguntamos:

¿Podemos utilizar la energía solar para calentar agua? Y si es así: ¿Cómo?

Tradicionalmente se han utilizado calentadores solares para calentar agua.

Actualmente, se venden en el mercado internacional a un precio de 200 a 500 dólares (y más) para una familia promedio (de cuatro a cinco personas). Fabricados en Cuba pueden costar alrededor de 150 dólares en componentes y materiales importados. Estos serían calentadores de alta calidad, competitivos con los de importación.

Pero existe la posibilidad de tener un calentador solar "casero", esto es, de que tengamos en nuestras casas algunos materiales con los que podamos hacer nosotros mismos, un calentador solar.

Quizás sólo sea necesario tener, además, algunos conocimientos de cómo hacerlo. Por esta razón, queremos dar aquí los conceptos generales de funcionamiento y algunas ideas prácticas para su construcción e instalación.

Conceptos generales

La radiación solar (llamada también luz solar) está compuesta de rayos electromagnéticos de diferentes longitudes de onda y de diferentes frecuencias (la longitud de onda de un rayo es inversamente proporcional a su frecuencia).

Todos estos diferentes rayos forman lo que se llama el espectro solar. Parte de este espectro puede ser visto por el ser humano y por eso es llamado región visible del espectro solar cuyas longitudes de onda van aproximadamente desde 400 a 800 nm (un nanómetro, es una dimensión muy pequeña, igual a una millonésima de milímetro).

Las radiaciones con longitudes de onda superiores a éstas, o lo que es lo mismo, con frecuencias inferiores, forman la región infrarroja del espectro solar y las inferiores en longitud de onda y superiores en frecuencia, la región ultravioleta.

La radiación solar tiene un valor energético promedio en Cuba de 4 500 kilocalorías por metro cuadrado al día (una kilocaloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un litro de agua un grado centígrado o Celsius).

Desde el punto de vista de su valor energético, la región ultravioleta del espectro solar puede despreciarse en la superficie terrestre, ya que casi toda es filtrada por la capa de ozono de la atmósfera. Y aproximadamente 50% pertenece a la región visible y otro 50% a la infrarroja.

Cuando la radiación solar llega a un cuerpo, parte es captada o absorbida, parte es reflejada y, en los casos de los cuerpos llamados transparentes o translúcidos, parte es transferida (o sea, pasa parte de la luz a través del cuerpo). Un cuerpo opaco es aquel que no deja pasar ninguna luz y mientras es más oscuro, absorbe más y refleja menos.

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                                            Fig. 2  Corte transversal de un calentador solar

Un cuerpo blanco refleja casi toda la radiación solar, mientras un cuerpo negro, la absorbe casi toda. O sea, la absorción y la reflexión de la luz dependen, principalmente, del color de la superficie del cuerpo.

Cuando la radiación solar es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor, o sea, éste se calienta. Un cuerpo caliente se enfría cuando le pasa calor a otro cuerpo por contacto (por conducción) o a un fluido, aire o agua en movimiento que lo rodea (por convección) y por la emisión al exterior (por irradiación).

El calor que irradia un cuerpo caliente (a temperaturas moderadas) lo realiza también en forma de ondas electromagnéticas, pero de longitudes de ondas muy grandes llamadas infrarrojas lejanas. Para que un cuerpo se mantenga caliente, debe aislarse térmicamente, o sea, disminuir con un aislante las pérdidas de calor.

Existen muchos materiales aislantes: el concreto (los bloques), la arcilla (los ladrillos), el asbesto, el corcho, la madera, el serrín de madera (llamado popularmente aserrín), la poliespuma (poliestireno), el poliuretano, etc. También hay materiales muy buenos conductores del calor como el cobre, el aluminio, el acero y la mayoría de los metales.

El vacío es también muy buen aislante, pero es bueno saber que tanto el aire como el agua pueden ser buenos aislantes si están en reposo, o sea, si no existen corrientes de convección, porque su transferencia de calor por conducción es muy poca.

Así, el aislante que se use en la parte superior de un calentador solar debe, además de servir como aislamiento térmico, dejar pasar la radiación solar, es decir, ser transparente (o, mejor dicho, casi transparente, ya que en la práctica un cuerpo totalmente transparente no existe).

El vidrio es un material con propiedades especiales. Es casi transparente a la radiación solar, tanto visible como infrarroja y sin embargo es opaco a la radiación infrarroja lejana que emite el cuerpo calentado, o sea, actúa como una trampa de calor: el llamado efecto invernadero que se explicó en un artículo pasado de Energía y tú.

Con estos conocimientos básicos, podemos diseñar un calentador solar con mayor o menor eficiencia, en dependencia de los materiales de que podamos disponer.

Ideas básicas para el diseño, la construcción e instalación de un calentador solar

La mayoría de los calentadores solares, que se venden en el mercado internacional, están diseñados para países fríos, donde el agua se congela si no se toman medidas especiales, por eso están formados por una placa captadora de la radiación solar y un tanque termoacumulador independiente.

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                                               Fig. 3 Recipiente captador acumulador

Son equipos caros y poco eficientes. Sin embargo, en los países tropicales podemos usar calentadores solares cuyo tanque acumulador reciba directamente la radiación solar. Estos tipos de calentadores, llamados compactos, son muy sencillos, eficientes y de bajo costo.

Un calentador solar compacto está formado, en esencia, por un recipiente cerrado pintado de negro, con una entrada y una salida de agua, y 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.

El recipiente puede tener cualquier forma, pero preferentemente debe hacerse con un tubo de un diámetro adecuado, pues aguanta más presión y es más fácil taparlo por los extremos. La tubería de salida debe ponerse en el lugar más alto del recipiente captador para evitar acumulación de aire dentro del mismo.

El calentador solar mostrado en la figura 1 y su corte transversal en la figura 2, se ha construido con un recipiente cilíndrico de 10 pulgadas de diámetro de acero inoxidable, una envoltura de chapa de aluminio, un material aislante de poliuretano y una cubierta transparente de vidrio.

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                                               Fig. 4 Corte transversal del calentador solar

Esta cubierta debe sellarse para evitar que entre al calentador agua de lluvia. El recipiente puede ser hecho también con una tubería de aluminio o acero, de 4, 6 u 8 pulgadas de diámetro. Por ejemplo, por cada metro de un tubo de 8 pulgadas de diámetro, se pueden calentar aproximadamente 30 litros a 50 grados centígrados o Celsius, lo que equivale, en condiciones normales de Cuba, a 60 litros de agua tibia a 38 grados centígrados.

La envoltura o caja aislante de un calentador solar puede hacerse también con materiales de la construcción, tales como ladrillos, bloques, etc. En la figura 4 puede observarse el corte transversal de una variante de calentador solar hecho 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, por un pequeño agujero situado en la parte inferior de la base.

En el ejemplo de la figura 4 se han utilizado dos vidrios separados unos 20 milímetros entre sí . De esta manera, se consigue mejor aislamiento de la cubierta y se conserva el agua caliente por más tiempo.

Un calentador bien construido y aislado, puede conservar el agua caliente incluso por la noche (si no se consume antes, como es natural). Puede observarse también en los ejemplos anteriores que la cubierta de vidrio está inclinada.

Esto, aunque no es imprescindible, es aconsejable para aprovechar más la radiación solar en los meses de invierno, y tiene que ver con la posición del equipo a la hora del montaje.

En Cuba se recomienda una inclinación de 20 a 30 grados orientado hacia el sur, ya que la inclinación máxima del Sol el día de solsticio de invierno es, al mediodía, aproximadamente de 45 grados al sur.

Pero esta recomendación no puede ser esquemática. Para la instalación del calentador debe tenerse en cuenta, principalmente, las condiciones de sombra del lugar donde se coloque, así como el uso que se le quiere dar.

Si en la azotea de una casa, le da el sol desde las once de la mañana hasta toda la tarde porque hay un árbol o un edificio al este que da sombra, se debe orientar el calentador hacia la tarde, esto es, hacia el sudoeste, donde reciba más radiación solar durante el día.

Si se quiere instalar un calentador solar en un círculo infantil donde el agua caliente se utiliza desde las diez de la mañana hasta las dos de la tarde, se debe entonces orientar el calentador hacia la mañana, o sea, hacia el sudeste.

Esto es, cada caso debe analizarse teniendo en cuenta tanto las condiciones del lugar como las necesidades de consumo.

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                              Fig. 5 Esquema de una instalación de un calentador solar

Un calentador solar debe trabajar siempre lleno de agua, por eso, debe situarse por debajo del tanque de agua fría, de tal forma que si se vacía este tanque, no sale tampoco agua del calentador. Así se protege el equipo y se aumenta la durabilidad. Un ejemplo de instalación de calentador solar puede observarse en la figura 5.

El agua contiene una pequeña cantidad de aire y cuando se calienta, lo suelta; por eso es tan importante dejar que este aire salga del calentador. Esto se puede lograr situando la salida del calentador en el lugar más alto (dándole una pequeña inclinación al recipiente captador) para que toda burbuja de aire se dirija a la salida.

En ésta debe ponerse un respiradero o una válvula de purga de aire como se puede observar en la figura 1. La tubería de salida que lleva el agua caliente al consumo, debe estar aislada para evitar las pérdidas de calor.

Aquí hemos dado ideas muy generales que esperamos sirvan para extender un poco el uso de calentadores solares y con ello ayudar al aumento de la calidad de vida de muchas familias y contribuir al ahorro de energía convencional.

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