Sistema de calefacción solar

Antecedentes

En solo un segundo, el Sol emite 13 millones de veces la energía que genera toda la electricidad consumida en un año en Estados Unidos. Solo una millonésima parte de la energía solar llega a la Tierra, pero esta escasa cantidad sería más que suficiente para cubrir las necesidades energéticas de todo nuestro planeta. La relativa dificultad para extraer energía del Sol, en comparación con los sistemas que obtienen energía de combustibles fósiles o de la energía nuclear, ha obstaculizado su desarrollo como fuente de energía generalizada. Sin embargo, a menor escala y en muchos proyectos experimentales, la energía solar ha demostrado ser muy eficaz para producir tanto electricidad como calor.

La energía solar se exploró por primera vez con fines eléctricos en la década de 1950, cuando la necesidad de generación continua de energía eléctrica en satélites espaciales generó el desarrollo de una celda solar en los Bell Telephone Laboratories de los Estados Unidos. Incluso hoy, sin embargo, la mejor celda solar de silicio convierte la luz solar en energía eléctrica con solo un 18% de eficiencia. Aún así, los experimentos han utilizado la electricidad generada por el sol con gran éxito. Un proyecto muy visible que se centra en la energía solar es la carrera anual internacional de automóviles que funcionan con energía solar.

La energía solar ha demostrado ser más eficaz y se ha utilizado más ampliamente para los sistemas de calefacción y refrigeración de agua y espacios. Como calentador de agua, la energía solar se usa más comúnmente para calentar piscinas. Para la calefacción de espacios, se utilizan dos tipos principales de sistemas. Un sistema de calefacción solar pasiva admite energía solar directamente en un edificio a través de grandes ventanales orientados al sur (en el hemisferio norte) y calienta directamente el espacio interior (esto se conoce como ganancia directa y también se conoce como efecto invernadero) oa través de una pared. o techo que absorbe la radiación solar, almacena el calor resultante y transfiere el calor al edificio (esto se conoce como ganancia indirecta). Un sistema pasivo también puede utilizar un absorbedor y componentes de almacenamiento (como un lecho de roca) que no son parte del edificio, pero que están contenidos en su propia cámara separada. Esto se conoce como sistema de ganancia aislada.

Los sistemas de calefacción solar activos utilizan agua o aire para transportar el calor de los colectores montados en el lado sur (nuevamente, en el hemisferio norte) del techo de un edificio a los lechos de rocas o tanques de agua. El calor almacenado se puede permitir en una habitación directamente cuando se utilizan lechos de roca y aire como fluido de transferencia, o a través de unidades fan-coil cuando la energía solar calienta el agua por primera vez. Luego, el calor se transfiere a través de las bobinas para calentar el aire. Los sistemas de refrigeración también se dividen en sistemas pasivos y activos que utilizan aire nocturno y condensación para enfriar el aire de un edificio.

Se pueden usar diferentes tipos de paneles colectores solares que se adaptan al tipo de instalación que se está calentando o enfriando. Un colector de placa plana, una caja grande y plana con una tapa de vidrio y un fondo negro absorbente de calor que contiene tuberías que corren paralelas a la parte superior e inferior, es más adecuado para uso doméstico. Un colector de concentración, hecho de materiales reflectantes y con forma de comedero o cuenco, es el más adecuado para uso industrial.

Historial

El sol ha servido como fuente de calor desde el principio de los tiempos, pero los primeros documentados El uso de un sistema de recolección solar construido por humanos se remonta a 1776 cuando el científico suizo Horace de Saussure desarrolló un colector rudimentario comúnmente conocido como "caja caliente". El astrónomo Sir John Herschel usó cajas calientes para cocinar alimentos durante una expedición a África en la década de 1830, y el uso de energía solar térmica para cocinar y destilar agua posteriormente se volvió común en ciertas partes de África.

Los primeros pioneros estadounidenses de finales del siglo XIX utilizaron ollas y sartenes negras para calentar el agua mientras viajaban durante el día, popularizando así el uso de la energía solar para calentar el agua. La idea se puso en uso generalizado en áreas del país que de otra manera tenían que importar combustible para calentar agua. Por ejemplo, en 1897 casi el 30% de las casas en Pasadena, California, utilizaban calentadores de agua solares.

La energía solar continuó usándose moderadamente durante el siglo siguiente, pero saltó en popularidad durante la crisis energética y del petróleo de la década de 1970. El uso de la energía solar disminuyó a medida que disminuía la crisis energética, pero su popularidad ha vuelto a aumentar en la década de 1990 a medida que las poblaciones son cada vez más conscientes de los peligros para el medio ambiente y la salud pública causados ​​por la quema de combustibles fósiles y el uso de energía nuclear.

Materias primas

Debido a que existen muchos tipos de sistemas de calefacción solar, existe una amplia variedad de materias primas que pueden utilizarse en su fabricación. Esta entrada se centrará en un sistema pasivo residencial básico y un sistema activo residencial básico.

Un sistema de calefacción solar pasiva requiere un panel colector de placa plana negro hecho de una placa absorbente de acero cubierta con dos láminas de vidrio y una almohadilla aislante hecha de aislamiento de fibra de vidrio o espuma de poliuretano con un revestimiento de papel de aluminio, que actúa como barrera contra la humedad. . El sistema está contenido en una caja poco profunda de madera, acero galvanizado o aluminio. Por lo general, el sistema también requiere un depósito de almacenamiento de calor que contenga guijarros o rocas secas. Esta unidad almacena calor cuando un edificio se calienta lo suficiente. Además, el sistema requiere un termostato diferencial, un sistema electrónico que permite el control manual de los niveles de calor y, por tanto, la temperatura ambiente, y un módulo de tratamiento de aire compuesto por conductos de conexión, filtros de aire, soplador y compuertas automáticas.

Un sistema de calefacción solar residencial activo que utiliza agua como agente de almacenamiento requiere un colector de placa plana construido con una o dos láminas de vidrio o plástico transparente con tubería de metal negro y una almohadilla de aislamiento hecha de tablero de fibra de vidrio o un material aislante similar. El sistema también requiere bombas de agua, un tanque de almacenamiento, serpentines de intercambio de calor, un calentador auxiliar, un ventilador, filtros y una válvula de control. Si se utilizan rocas como material de almacenamiento, un contenedor aislado para contenerlos y, obviamente, las bombas de agua y las bobinas no son necesarias.

Todos los sistemas de calefacción solar utilizan masilla, revestimiento de aluminio y tiras de cierre, probablemente hechas de caucho, pintura y madera.

El
proceso de fabricación

Coleccionistas

• 1 Los colectores de placa plana se instalan en un techo inclinado o en paredes verticales mediante la instalación de bandejas colectoras de chapa metálica poco profundas, que se asemejan a grandes bandejas para hornear, en cada extremo de los colectores y sujetando las bandejas a las vigas del techo o la pared . Luego se aplica masilla generosamente alrededor del borde superior de las bandejas colectoras. A continuación, se coloca el revestimiento en el techo o en la pared y todas las juntas se sellan. Se cortan ranuras de colector en el revestimiento y se sujetan bloqueos alrededor del perímetro del revestimiento.
• 2 La placa absorbente se instala sobre el revestimiento, extendiéndose hasta el bloqueo del colector exterior. Los extremos están sellados con tiras de cierre de extremos, generalmente hechas de caucho y calafateo. Los bordes superior e inferior también están sellados.
• Se fijan 3 listones a la placa absorbente O y se coloca un sistema de acristalamiento que consiste en una sola capa de vidrio en un techo o una doble capa de vidrio en una pared.
• Se instalan 4 barras de acristalamiento de aluminio alrededor del perímetro del colector.

Sistema de control y manejo de aire

• 5 En un sistema pasivo, el sistema de tratamiento de aire consta únicamente de conductos instalados entre el colector y el espacio habitable, así como un ventilador y un control manual para activar el ventilador. Un sistema de ganancia aislada también incluiría una cámara de almacenamiento separada y conductos que conducen hacia y desde la cámara.
• 6 En un sistema activo, se requiere un recipiente de almacenamiento con piedras o agua para almacenar el exceso de calor. Los conductos con compuertas de encendido y apagado se instalan desde el colector a la casa, el colector al contenedor de almacenamiento y el contenedor de almacenamiento a la casa. Se instalan dos ventiladores.

Almacenamiento

• 7 Un sistema de almacenamiento de rocas se construye con un contenedor aislado lleno de pequeñas rocas de 1 a 5 pulgadas (2,5 a 12,7 cm) de ancho. Se deja suficiente espacio entre las rocas para facilitar el soplo de aire a través de las conexiones de los conductos en cada extremo del contenedor.
• 8 Un sistema de almacenamiento de agua es similar al sistema de almacenamiento de rocas, que usa agua en lugar de rocas.

Control de calidad

Para un sistema de calefacción solar residencial, el ajuste de los cierres de los extremos y la idoneidad del sellador en los colectores pueden probarse usando una bomba de humo para detectar cualquier fuga. La prueba de humo se realiza antes del acristalamiento.

El futuro

A medida que se desarrollan más prototipos de unidades residenciales y comerciales calentadas con energía solar y con energía solar, esta fuente de energía muestra serios signos de convertirse en una fuente de calor y electricidad que es más que experimental. Los grupos ambientales y de recursos naturales, así como y a menudo en cooperación con el Departamento de Energía de los Estados Unidos y varias organizaciones internacionales, continúan presionando por una dependencia más generalizada del calor y la energía solar, así como desarrollando continuamente usos nuevos e innovadores para esta fuente. de energía. Si bien el trabajo dentro de la Instalación de Investigación de Energía Solar del Departamento de Energía se centra en la energía fotovoltaica, el edificio en sí es un testimonio del éxito de la energía solar. El innovador diseño del edificio, con ventanas y escalones, permite la iluminación solar directa y la calefacción, y es un ejemplo de cuán exitosa puede ser la dependencia de la energía solar y cuán prevalente podría llegar a ser dicha dependencia en el futuro.

La Sociedad Estadounidense de Energía Solar demuestra la practicidad de la energía solar en sus recorridos anuales por energía solar. La organización también mantiene informados a sus miembros sobre los desarrollos legislativos en materia de energía solar. En julio de 1996, por ejemplo, la organización participó activamente en el cabildeo para la aprobación de una legislación sobre financiación de la energía renovable. Si bien hasta la fecha no se ha promulgado tal legislación, la introducción de dichos proyectos de ley indica un interés en los temas de energía solar entre al menos algunos miembros del Congreso. La Sociedad Internacional de Energía Solar se preocupa por problemas similares a nivel mundial y trabaja para una mayor dependencia de la energía solar en todo el mundo.