La energía que el sol deposita sobre la superficie del planeta se estima en aproximadamente en 174 Pw (petawatts), de los cuales el 30% se refleja nuevamente al espacio. El 70% restante es absorbido por la atmósfera, los océanos y la superficie terrestre. Si comparamos este aporte con la demanda energética global, bastaría decir que un solo segundo de energía solar podría alcanzar para cubrir la demanda anual de todo el planeta. Teniendo en cuenta los ángulos de incidencia y la superficie terrestre expuesta al sol se calcula que, en promedio, cada metro cuadrado irradiado recibe alrededor de 1000 watts.
Radiacion solar incidente (Foto 1)
Esta considerable cantidad de energía es responsable de los más variados fenómenos meteorológicos. Desde de la formación de infinidad de procesos endotérmicos hasta la misma vida en el planeta. Casi la totalidad de las energías renovables son -directa o indirectamente- aportadas por el sol. Pueden considerarse excepciones, entre otros, el movimiento de las mareas y la energía geotérmica proveniente del núcleo caliente del planeta.
Es de vital importancia seguir desarrollando tecnologías para lograr un mejor y más eficiente aprovechamiento de la radiación solar. En términos de microgeneración, en los últimos años se sofisticaron y se volvieron relativamente accesibles desde sistemas fotovoltáicos (para obtener energía eléctrica) hasta artefactos termosolares de pequeña escala (para calentar agua de uso doméstico e industrial). A estos últimos dedicamos el resto del artículo.
El principio de funcionamiento de los artefactos termosolares se asemeja al ciclo del agua en la tierra. La radiación solar calienta y evapora el agua de los océanos formando nubes. Por efecto de los vientos, éstas descargan el agua sobre los continentes y se forman ríos que devuelven el agua a los océanos.
Existen varios métodos para obtener agua caliente a partir del sol. En todos los casos se debe contar con dos partes fundamentales. La primera es un sistema que atrape esta energía de radiación y la transfiera al agua. En este sentido, los avances más importantes en materia de colectores solares fueron dados por la tecnología de tubos de vacío (mediante la cual se puede garantizar una cosecha abundante de radiación y una mínima pérdida hacia el exterior una vez que los rayos solares ingresaron al sistema). La segunda es un reservorio que permita almacenar el agua caliente hasta que sea necesaria para su uso.
El sistema más difundido para uso doméstico se basa en la utilización de los dos elementos antes descritos en una estructura única adaptable a cualquier superficie: por ejemplo, desde techos planos o tejados inclinados hasta terrenos escarpados.
Termotanque Solar por tubos de vacío (Foto 2)
Estos sistemas son económicos y simples (no cuentan con piezas móviles y requieren un mantenimiento mínimo). El principio de funcionamiento aprovechan una cualidad de los fluidos que los hace más livianos a medida que van ganando temperatura. Este efecto es aprovechado por el sistema para hacer circular el agua sin necesidad de bombas. A medida que se calienta el agua dentro de los tubos de vidrio, ésta comienza a desplazarse hacia arriba y deja lugar al agua más fría para que ocupe el lugar en el colector. Esto genera una circulación constante mientras exista un salto térmico entre el agua que ingresa y la que egresa del tubo. De la misma manera, en el tanque de almacenamiento la salida para el agua caliente estará dispuesta en la parte superior mientras que la provisión de agua fría al sistema estará en la parte inferior.
El funcionamiento del tubo de vacío es digno de consideración. Se trata de una evolución tecnológica que otorga al sistema un rendimiento extremadamente alto. Este rendimiento está dado -principalmente- por la cantidad de calor del sol que puede ser transferido al agua (restando aquello que se pierde en reflejos y en disipaciones al aire circundante).
Los tubos de vacío funcionan como una trampa donde casi el 90% de la radiación incidente queda en el agua que circula por el interior. Están construidos a partir de dos tubos concéntricos de boro silicato separados entre sí por una cámara de alto vacío. Este aislante ideal confiere al sistema la propiedad de retener la energía calórica en su interior sin ser afectada por las condiciones climáticas del exterior. Por el interior del tubo interior circula el agua. Está recubierto por una película con propiedades absorbentes de la totalidad del espectro lumínico e infrarrojo de la radiación solar. El tanque de almacenamiento también cuenta con un sistema de aislación para garantizar que la temperatura del agua permanezca invariable aun cuando el sistema no recibe energía del exterior.
Esquema de Funcionamiento del Calefón Solar por Tubos de Vacío (Foto 3)
La caída de temperatura de este tipo de sistemas está calculada en ausencia total de radiación solar y a una temperatura exterior de 0ºC (cero grados centígrados) y se estima en alrededor de medio grado por hora. En días de buena presencia solar, el agua fácilmente puede superar los 80ºC. Una vez consumido todo el contenido del tanque, esta temperatura puede ser alcanzada nuevamente en aprox. 4 horas. Estas propiedades y comportamientos convierten al calefón solar en una opción viable para todo tipo de climas y usos: sobre todo, para uso doméstico donde el consumo de agua caliente se resuelve con gas o con sistemas termoeléctricos.
La instalación domiciliaria del sistema es sencilla y puede adaptarse fácilmente al sistema de agua caliente existente, aún interactuando con calentadores convencionales -a gas o eléctricos- para asegurar la provisión (incluso en momentos donde la demanda excede la capacidad solar o para periodos de ausencia de sol como tormentas prolongadas o nubosidad abundante).
En la actualidad, la disponibilidad en nuestro país es alta y los precios promedio de un sistema capaz de abastecer una familia típica son relativamente accesibles. Dependiendo de la capacidad del tanque y de la cantidad de tubos de vacío que conforman el colector solar, los precios se estiman en alrededor de $3500 (2012) para un sistema de 150 litros. El tamaño necesario para cada caso está dado generalmente por la cantidad de personas que habitan la casa. En todos los casos debe tenerse en cuenta que las temperaturas alcanzadas por el sistema fácilmente duplican la temperatura necesaria para, por ejemplo, tomar un baño. Esto debe ser compensado mezclando el agua caliente con abundante agua fría, razón por la cual 150 litros de agua a 80 grados se convierten en 300 litros de agua conveniente para uso humano.
Teniendo en cuenta las ventajas de contar con agua caliente abundante y totalmente gratis, además de no requerir mantenimiento ni gastos adicionales, el sistema de calefón solar es uno de los artefactos ideales para migrar hacia la microgeneración de energías renovables de uso doméstico. El avance de los procesos de fabricación y la concientización comunitaria permitirá -en el corto plazo- contar con distintas clases de artefactos que nos provean más y mejor electricidad, iluminación, agua potable y demás bienes necesarios para que la vida prospere prescindiendo de los combustibles fósiles.
Fabricación de los tubos de vacío para colectores solares
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