UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

EVAPORADORES

PLACAS SOLARES

Cristina Montero

EVAPORADORES

DEFINICIÓN

Un evaporador es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, disminuyendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado líquido original a estado vapor (cabiendo la posibilidad de un calentamiento ulterior, con lo que se dice que alcanza el estado de vapor sobrecalentado).

A fin de cuentas un evaporador, es un intercambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias, ect.

Los evaporadores se fabrican en muy diversos tamaños y con distintas disposiciones, siendo empleados en gran cantidad de procesos térmicos.

Los evaporadores, deben funcionar siempre a vacio parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación.

Otro punto a tener en cuenta es que cuando se procede a la instalación de cascadas de etapas en serie, estas deben de ir en vacio sucesivo, es decir en la cámara de cada evaporador debe haber siempre menos presión que en el anterior, y en el primero de ellos siempre menos de la atmosférica. De no ser así la evaporación no tendría efecto.

El evaporador se encuentra localizado en el conjunto de distribución de trampillas, después del impulsor y antes del radiador de calefacción. El evaporador del circuito frigorífico es un intercambiador térmico que tiene por función enfriar y deshumidificar el aire que lo atraviesa Para ello absorbe calor del aire, produciéndose dos fenómenos físicos:

El aire se enfría y el vapor de agua presente en este aire se condensa en las aletas del evaporador

El fluido se evapora y se recalienta.

FUNCIÓN

El evaporador desempeña la función de enfriar el aire puesto en movimiento por el impulsor (ventilador centrífugo situado en el conjunto de distribución de trampillas) y enviado hacia el habitáculo del vehículo.

En ciertas condiciones de utilización del circuito frigorífico, debe permitir deshumidificar ese flujo de aire, con el fin de evitar el empañado de las superficies acristaladas. Sin embargo, el nivel de deshumidificación no es controlable ya que depende directamente de la temperatura a la se va a enfriar dicho aire; la deshumidificación del aire no se produce a menos que su temperatura sea inferior a la temperatura de rocío correspondiente al aire.

OPERACIÓN

A) Intermitente. Las operaciones de llenado, evaporación y vaciado se ejecutan es pasos sucesivos.

B) Semi-intermitente. La alimentación se lleva a cabo en forma continua, pero la descarga se efectúa hasta que alcanza la concentración final.

C) Continua-intermitente. La alimentación es continua y, en ciertas partes del ciclo, las descargas también son continuas.

D) Continua. La alimentación y descarga son continuas, permaneciendo la concentración de la alimentación y del producto prácticamente constante.

Con objeto de ahorrar energía se tienen diferentes arreglos de los evaporadores:

1) Recompresión de Vapor.

Mecánica Por eyección de vapor

2) Bomba calorimétrica con fluido auxiliar.

3) Múltiple efecto

Alimentación hacia adelante Alimentación hacia atrás Alimentación en paralelo Alimentación mixta

FACTORES Y CRITERIOS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA ANTE UN PROCESO DE EVAPORACIÓN

La resolución práctica de un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. La gran variedad de características del líquido es lo que hace que esta operación constituya un arte separado de la simple transmisión de calor.

Concentración. Formación de espuma. Sensibilidad a la temperatura. Incrustaciones. Materiales de construcción. Solubilidad. Presión y temperatura.

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE EVAPORADORES

Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto.

Calidad del producto Rendimiento del evaporador Economía

Debido a que los equipos de evaporación se han desarrollado empíricamente existe una gran variedad de ellos que se utilizan de acuerdo a las características y las condiciones en que se encuentra la substancia a evaporar.

CLASIFICACIÓN DE LOS EVAPORADORES DE ACUERDO AL MEDIO CALEFACTOR

I. Medio calefactor separado del líquido a evaporar.

Mediante superficies tubulares Mediante superficies sólidas diversas

II. Medio calefactor en contacto directo con el líquido a evaporar.

Combustión sumergida Discos o cascada Energía Eléctrica

III. Sin medio calefactor.

IV. Calentamiento por radiación solar.

TIPOS DE EVAPORADORES

Evaporador de tubo horizontal Evaporador de tubo vertical Evaporador vertical de tubos largos Evaporador de película descendente Evaporador de película ascendente Evaporador de circulación forzada

EVAPORADORES DE FUNCIONAMIENTO EN CONTINUO (DE TUBOS CORTOS)

Evaporadores de circulación natural

En un evaporador de circulación natural se distribuyen una serie de tubos cortos verticales (calandria de tubos) dentro de una carcasa por donde circula el vapor. Cuando se calienta el producto, la propia evaporación de este hace que vaya subiendo por el interior de los tubos (evaporación súbita que arrastra el líquido), mientras que por el exterior de los mismos condensa el vapor calefactor.

El producto concentrado junto con el vapor generado pasa a una cámara de vacio, donde el vapor se destina al condensador (si tiene valor añadido) o se libera, y el producto concentrado puede volver a introducirse como alimentación si se requiere mayor concentración, o extraerlo del equipo como producto final.

- de tubos cortos horizontales- de tubos cortos verticales - de calandria exterior

Evaporadores de circulación forzada

Evaporadores de circulación natural de tubos cortos horizontales

Evaporadores de circulación natural de tubos cortos verticales

Evaporadores de circulación natural de tubos cortos verticales (de cesta):

Evaporadores de tubos cortos de calandria exterior

EVAPORADORES DE TUBOS CORTOS CIRCULACIÓN FORZADA

Los evaporadores de circulación forzada pueden no ser tan económicos, pero son necesarios cuando los productos involucrados en la evaporación tienen propiedades incrustantes, altas viscosidades, precipitaciones, cristalizaciones o ciertas características térmicas que imposibilitan una circulación natural.

Son equipos en donde el producto es calentado a través de un intercambiador de calor (los intercambiadores puede ser horizontales o verticales), luego se envía a un separador, donde la evaporación se lleva a cabo gracias a la presión reinante dentro del mismo, produciéndose de esta forma una evaporación flash y por ende un enfriamiento del producto. La velocidad de

circulación del producto dentro de los tubos es un factor esencial a tener en cuenta para cada tipo de producto.

A) CON SISTEMA EXTERNO DE CALENTAMIENTO

B) SISTEMA INTERNO DE CALENTAMIENTO

C) SISTEMA DE CALENTAMIENTO EXTERNO

EVAPORADORES DE FUNCIONAMIENTO EN CONTINUO DE TUBOS LARGOS, O DE KESTNER (LONGITUD DE 3 - 15 M).

•Evaporadores de película ascendente

•Evaporadores de película descendente

•Evaporadores de película ascendente-descendente

DE TUBOS LARGOS

Es en los evaporadores verticales de tubos largos en donde se alcanza una mayor evaporación que en los demás, están diseñados para trabajar en forma continua y se adaptan muy bien a la operación en múltiple efecto; aunque por lo general, se operan en un solo paso, llevando a cabo la concentración del líquido en el tiempo que tardan el líquido y el vapor desprendido en pasar a través del tubo.

La recirculación de parte del producto al evaporador es recomendable cuando la relación de alimentación a evaporación o de alimentación a superficie calefactora es baja, (así, por ejemplo, en la obtención de jugo de limón concentrado se utilizan evaporadores de 4 efectos y en el de jugo de naranja de 6 efectos).

Este tipo de evaporadores no es apropiado para soluciones incrustantes.

Debido a la simplicidad de su construcción, diseño compacto y altos coeficientes de transferencia son apropiados para servicios con líquidos corrosivos.

EVAPORADORES DE PELÍCULA ASCENDENTE

Este equipo permite concentrar una solución o remover el solvente de ésta mediante calentamiento con vapor. El solvente puede ser recuperado según sea su valor y el producto es una solución concentrada o licor grueso.

Existen muchos tipos de evaporadores de acuerdo al tipo de aplicación que se requiera; sin embargo, la mayoría de los evaporadores de uso industrial emplean superficies de calentamiento tubulares (tubos largos, tubos cortos o de película agitada).

Los evaporadores de tubos largos consisten en tubos de diámetro entre 1.0 y 2.0 pulgadas, de largos muy variados (desde 6.0 hasta 100 metros), insertos en una carcaza.

Los evaporadores de película ascendente o descendente formados por tubos largos presentan una serie de ventajas como: bajo costo, gran superficie de calentamiento, ebullición a baja temperatura si se aplica vacío, etc.

También presentan algunas desventajas como: ocupar un gran espacio físico debido a su elevada altura, no ser adecuados para líquidos que producen ensuciamiento y depósitos de sales, etc.

El equipo está formado por un único tubo vertical largo, concéntrico con otro de mayor diámetro, donde se evaporará agua mediante la utilización de vapor que circula por el espacio que queda entre ambos tubos.

El equipo es completamente de vidrio tipo pyrex, y se opera en forma discontinua y aplicando vacío para lograr una ebullición a baja temperatura.

La cámara de evaporación consiste en un tubo de 2.7 metros de longitud y 1" de diámetro, este tubo está rodeado por otro ubicado en forma concéntrica de 2" de diámetro y de la misma longitud.

Por el espacio anular entre ambos tubos circula vapor saturado, el cual produce la ebullición en película, expansión y ascenso del solvente a través de las paredes de la cámara de evaporación.

Está cámara en su base está conectada mediante un ducto horizontal de vidrio, él cual comunica en forma directa (mecanismo de vasos comunicantes) con un tubo graduado vertical que contiene la solución alimentada y el líquido condensado de recirculación. La solución fresca se alimenta al sistema desde un estanque mediante la acción de una bomba centrífuga que tiene un rodete de vidrio.

El vapor generado condensa en un tubo vertical ubicado en posición paralela a la cámara de evaporación.

La condensación del vapor se consigue enfriando a través de serpentín de vidrio, por el cual circula agua de enfriamiento proveniente de la red de agua potable. El condensado se recibe alternativamente en 2 recipientes esféricos de vidrio (balones), conectados en serie y ubicados en la parte inferior a la salida de este tubo.

LONG TUBE VERTICAL EVAPORATOR

EVAPORADORES DE PELÍCULA DESCENDENTE

Estos tipos de evaporadores son los más difundidos en la industria alimenticia, por las ventajas operacionales y económicas que los mismos poseen. Estas ventajas se pueden resumir de la siguiente forma:

Alta eficiencia, economía y rendimiento. Alta flexibilidad operativa. Altos coeficientes de transferencias térmicos. Capacidad de trabajar con productos termosensibles o que puedan sufrir deterioro

parcial o total de sus propiedades. Limpieza rápida y sencilla (CIP)

En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, la cual ha sido normalmente precalentada a la temperatura de ebullición del primer efecto, mediante intercambiadores de calor adecuados al producto.

Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador, generando una película descendente de iguales características en la totalidad de los tubos. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad de los tubos trae aparejado posibles sitios en donde el proceso no se desarrolla correctamente, lo cual lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos.

Dentro de los tubos se produce la evaporación parcial, y el producto que esta siendo concentrado, permanece en íntimo contacto con el vapor que se genera. Los dos fluidos, tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los tubos.

En la parte inferior del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El concentrado es tomado por bombas y el vapor se envía al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas múltiefecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el vapor generado en el último cuerpo es el que se envía al condensador.

A modo de ejemplo, si alimentamos con 1 kilogramo de vapor vivo un evaporador simple efecto, obtendremos aproximadamente 1 kilogramo de agua evaporada, mientras que si alimentamos un evaporador doble efecto con la misma cantidad de vapor, o sea 1 kilogramo, obtendremos 2 kilogramos de agua evaporada, uno por cada efecto. Se concluye entonces, que a mayor cantidad de efectos, mayor será el rendimiento de evaporación, lográndose estupendas relaciones de vapor vivo consumido por kilogramo de líquido evaporado

Otra posibilidad de aumentar el rendimiento del evaporador es instalando un sistema de termocompresión de vapores; este proceso constituye un recurso muy utilizado en la actualidad, en donde el vapor generado es comprimido por vapor de alta presión, lográndose un aumento significativo del poder calorífico del vapor resultante o mediante compresión mecánica (para altas capacidades de evaporación). El reuso de vapor permite obtener excelentes economías durante la operación.

PELÍCULA DESCENDENTE

Mecanismo de distribución en evaporadores de circulación descendente

A) Distribución estática

B) Distribución dinámica

Evaporadores de película ascendentedescendente

Evaporadores de funcionamiento en continuo

•Evaporadores de placas

•Evaporadores de flujo expandido

•Evaporadores de película delgada mecánica

•Evaporadores a baja temperatura (de ciclo de refrigeración o de bomba calorífica)

EVAPORADORES DE PLACAS

EVAPORADORES DE FLUJO EXPANDIDO

EVAPORADORES DE PELÍCULA DELGADA MECÁNICA

EVAPORADORES DE PELICULA DELGADA

EVAPORADORES DE EFECTOS MÚLTIPLES

Evaporadores de tubos (cortos o largos)

Evaporadores de placas

Otros evaporadores

EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

EVAPORADOR DE MULTIPLE EFECTO

DOBLE EFECTO

TRIPLE EFECTO

QUINTUPLE EFECTO

EVAPORADORES DE FUNCIONAMIENTO EN CONTINUO

Evaporadores a baja temperatura (de ciclo de refrigeración o de bomba calorífica)

EVAPORADORES ALETADOS

Los serpentines aletados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales colocan placas metálicas o aletas.

Las aletas, sirven como superficie secundarias absorvedoras de calor y tiene el efecto de aumentar el área superficial externa del evaporador, mejorando por lo tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases.

Con los evaporadores de tubo descubierto mucho del aire que circula sobre el serpentín pasa a través de los espacios abiertos entre los tubos y no hace contacto con la superficie del serpentín.

Cuando se agregan las aletas al serpentín, estas se extienden hacia afuera ocupando los espacios abiertos entre los tubos y actúan como colectores de calor.

Estos absorben calor del aire que ordinariamente no estaría en contacto con la superficie principal y conducen este calor a la tubería.

Es evidente que para que las aletas sean efectivas deberán estar unidas a la tubería de tal manera que se asegure un buen contacto térmico entre las aletas y la tubería.

En algunos casos las aletas están soldadas directamente a la tubería; en otros, las aletas se hacen deslizar sobre la tubería y se hacen expandir al tubo por presión o cualquier otro medio lo que permite a las aletas quedar bien sujetas en la superficie del tubo estableciéndose un buen contacto térmico.

Una variación de este último método es acampanar ligeramente el agujero de la aleta para permitir que esta se deslice sobre el tubo. Después que la aleta ha sido instalada, se endereza y se asegura con firmeza al tubo.

El tamaño y espacio en las aletas, en parte depende del tipo de aplicación para el cual esta diseñado el serpentín.

El tamaño del tubo determina el tamaño de la aleta.

Tubos pequeños requieren de aletas pequeñas. A medida que se aumenta el tamaño del tubo puede aumentarse el tamaño de la aleta.

El espacio entre aletas varía desde 1 a 14 aletas por pulgada, dependiendo principalmente de la temperatura de operación del serpentín.

La acumulación de escarcha es inevitable en serpentines usados en enfriamiento de aire, trabajando a temperaturas bajas debido a que la acumulación de escarcha sobre serpentines aletados tiende a restringir el paso del aire entre las aletas y a retardar la circulación del aire a través del serpentín.

Los evaporadores diseñados para aplicaciones de baja temperatura deben tener un mayor espacio (dos o tres por pulgada) a fin de minimizar el daño por la restricción en la circulación del aire. Por otra parte, el diseño de serpentines para aire acondicionado y otras instalaciones donde los serpentines trabajan a temperaturas suficientemente altas de tal modo que no haya acumulación de escarcha sobre la superficie del serpentín, podrán tenerse hasta 14 aletas por pulgada.

Cuando la circulación de aire sobre serpentines aletados es por gravedades importante que el serpentín ofrezca la mínima resistencia al flujo del aire; por lo tanto, en general, el espacio entre aletas deberá ser mayor para serpentines de convección natural que para serpentines que emplean ventiladores.

Ya sea determinado que existen una relación definida entre las superficie interior y exterior de un evaporador.

Debido a que el aletado externo afecta solo la superficie exterior, el agregar aletas más allá de cierto límite no necesariamente aumentara la capacidad del evaporador.

De hecho, en algunos casos un aletado excesivo podrá reducir la capacidad del evaporador por que restringirá innecesariamente la circulación de aire a través del serpentín.

Debido a que la capacidad se afecta mas por la acumulación de escarcha, los serpentines aletados darán mejores resultados en aplicaciones de enfriamiento con aire donde la temperatura este por arriba de 34 grados farhengith.

Al utilizar serpentines aletados para aplicaciones de baja temperatura, se deberá tener algunos medios de deshelar el serpentín a intervalos regulares. Esto se puede hacer de diferentes maneras.

Porque se tienen aletas, los serpentines aletados tienen mas área superficial por unidad de longitud y ancho que los evaporadores de superficie primordial y por lo mismo pueden construirse de forma mas compacta.

Por lo general un serpentín aletado ocupa menos espacio que cualquier otro evaporador, sea de tubo descubierto o de superficie de placa, esto para igualdad de capacidad.

Lo anterior proporciona un ahorro considerable de espacio lo que hace que los serpentines aletados sean idealmente apropiados para usarse con ventiladores en unidades de convección forzada.

APLICACIONES INDUSTRIALES

Industria Lechera evaporadores verticales de tubos largos

Instalación para la elaboración de la leche condensada:

1. Evaporador de varios efectos.

2. Enfriador.

3. Depósito cristalizador.

4. Llenadora.

Industria de jugos de frutas Hidrolizados Extractos evaporadores de película descendente y el de película agitada

Industria frigorífica

Industria avícola

PRINCIPALES VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas:

• Costo moderado en la gran mayoría de los evaporadores.

• Calefactores de gran superficie en un solo cuerpo.

• Bajo tiempo y volúmenes de residencia.

• Ocupan poco espacio.

• Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperaturas razonables.

Desventajas:

• La mayoría de los evaporadores utilizados poseen gran altura (hasta 18 m).

• Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes.

• Con diferencias de temperaturas pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres.

• Presentan demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones de operación.

Las mejores aplicaciones que tienen este tipo de equipos son:

a) Líquidos claros

b) Líquidos que forman espuma

c) Soluciones corrosivas

d) Grandes cargas de evaporación

e) Diferencia de temperaturas altas

La dificultad más frecuente es que tienen demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones operativas.

PLACAS SOLARES

Las placas solares conjugan las tres maneras de conducción de calor.

El serpentín ha de estar pintado de negro para poder absorber la radiación. La radiación atraviesa el cristal sin ningún efecto, incide sobre el serpentín y aumenta el calor produciendo el efecto invernadero. La radiación absorbida no puede salir por el cristal, por ello aumenta la temperatura, produciéndose una transmisión de calor al líquido que va atravesando el serpentín. Esta transmisión de calor se produce de una forma combinada de conducción y convección.

Hay 3 formas de perder calor en este sistema:

A través del cristal: cesión por conducción.

Por medio del contacto con el aire exterior: por convección.

Pérdida por conducción en el soporte

Puede darse que al poner en contacto 2 fases entre si se de un intercambio de materia y calor en sentidos contrarios.

Los paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía que nos llega a la tierra en forma de radiación solar, el componente principal de los paneles solares son las células de siclillo, las células de silicio es el componente base de los paneles solares.

Haciendo una gran división podemos decir que tenemos dos clases distintas de paneles solares dependiendo del uso que le queramos dar principalmente, los paneles solares para el calentamiento del agua generalmente para uso domestico o colectores solares, estos paneles solares son los que podemos ver principalmente en los tejados de nuestras casas y edificios, a través de un circuito cerrado calientan agua que es almacenada en un deposito para su posterior uso domestico.

La otra parte de la división lo tenemos en los paneles solares fotovoltaicos estos paneles están destinado a la producción de energía solar a partir de las células de silicio, su uso principal se da para instalaciones aisladas a la red, en las cuales las llegada de la red eléctrica general se hace complicada o imposible, un uso que se esta haciendo de forma muy masiva de los paneles solares son las plantas solares dedicados a la producción eléctrica de forma fotovoltaica.

Placas solares o módulos fotovoltaicos

Dentro de una instalación fotovoltaica, el componente más conocido es la placa, módulo o panel solar, que usa ciertos materiales semiconductores y capta los fotones transmitidos en la luz solar para transformarlos en una corriente continua de electrones, es decir, en electricidad.

Estos materiales están dispuestos en conjuntos de células, interconectadas en serie o en paralelo y protegidas por un vidrio en la parte superior y por varias capas plásticas en la parte posterior, todo ello reforzado mediante un marco metálico. En la parte posterior se encuentran las conexiones eléctricas pertinentes.

Existen tres tipos principales de módulos, en función del material que forma las células:

•Materiales amorfos: tienen un alto grado de desorden en la estructura de los átomos. Su construcción es simple y barata.

•Materiales policristalinos: disponen de más calidad que los anteriores, por lo que su efectividad es mayor. También son más caros.

•Materiales monocristalinos: son los de mayor calidad, aunque en los últimos años han sido casi alcanzados por nuevas patentes de policristalinos, y en la actualidad su rendimiento es solo ligeramente superior.

Colectores solares para energía térmica

Los colectores solares más comunes son los denominados planos. Están constituidos por una placa absorbente, que debe ser oscura para tener el máximo índice de absorción de calor y el mínimo de reflexión, esto es, aprovechar al máximo la energía de los rayos del sol y minimizar las pérdidas.

Soldado a la placa, un serpentín de tubos de cobre se calienta con el calor que le transmite la placa y que, seguidamente, calienta el líquido que fluye por su interior. Estos elementos están protegidos por un cristal muy resistente, para soportar una buena granizada, y con bajo contenido en hierro para tener el máximo índice de transparencia (menores pérdidas por reflexión y absorción).

Todo el conjunto es perfectamente aislado, con poliuretano o fibra de vidrio, para reducir al máximo las pérdidas.

Cabe mencionar que el fluido que circula por dentro del serpentín es anticongelante y no agua, como podría parecer, protegiendo así al captador de posibles heladas.

Colectores solares de tubos de vacío

Los colectores solares de vacío incluyen una innovación: se ha hecho el vacío en el espacio que queda entre el cristal protector y la superficie absorbente. Con este cambio se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, ya que internamente no hay aire que pueda transferirlas, y aumentar así la temperatura de trabajo y el rendimiento.

La forma de estos captadores ya no es plana, sino cilíndrica, ya que permite efectuar mejor el vacío en su interior. Además, los colectores de tubos de vacío permiten la integración de concentradores cilíndrico-parabólicos (CPC) con lo que se consigue mejorar el rendimiento durante las estaciones en que los rayos solares no inciden en el ángulo óptimo.

También permiten adaptarse mejor a aquellos casos en que no pueden colocarse a la inclinación o dirección óptimas, donde los paneles planos tendrían muy poco rendimiento. Esta propiedad hace que los captadores de tubo de vacío CPC puedan integrarse perfectamente a la arquitectura.

Colector solar termosifónico

Si se quiere ahorrar al máximo en la producción de agua caliente sanitaria, los equipos temosifónicos no consumen energía eléctrica, ya que funcionan sin bomba.

Esta capacidad ayuda a disminuir el consumo energético de una vivienda y convierte a los equipos en autónomos: siguen funcionando aunque el sistema eléctrico falle.

El hecho de ser autónomos hace muy atractiva su aplicación en aquellos lugares remotos donde no llega la red eléctrica. Así, se puede producir agua caliente aunque el grupo generador eléctrico esté desconectado.

Principio de funcionamiento

Los equipos termosifónicos funcionan por gravedad. El sol calienta el fluido que está en su interior, éste aumenta de temperatura disminuyendo su densidad y fluye hacia la parte superior, dejando que el fluido más frío ocupe su lugar para calentarse.

Panel Solar Híbrido

En el Panel Solar Híbrido, utilizado en edificaciones, el calor existente en las células fotovoltaicas, que era un problema, es transferido a un absorbedor de temperatura integrado en su parte posterior, el serpentín o similar del absorbedor es recorrido por un fluido calor-portante. Dicho fluido llega al intercambiador de calor del acumulador de agua caliente, donde cede su energía solar térmica.

El Panel Solar Híbrido usado en Huertas Solares funciona de una forma similar, pero se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Panel Solar Híbrido se usa como un Panel Solar Fotovoltaico Refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad.

La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los Paneles es más baja.

Introducción a los paneles solares hibridos

De todos es conocida la estrecha relación que existe entre la temperatura y cualquier sistema basado en la electricidad; pero, ¿realmente le damos la importancia que tiene? Los Transformadores de alta tensión indican en su placa de características que se ha de reducir la potencia en un tanto % a partir de cierta temperatura, los motores eléctricos disminuyen su eficiencia cuando se calientan, las baterías para almacenamiento de electricidad, las células fotovoltaicas, los alternadores de las grandes centrales productoras de electricidad; todo lo que tiene relación con la electricidad está sometido a los efectos negativos del incremento de la temperatura. En valores porcentuales la perdida de potencia de un sistema eléctrico es algo considerable, pero si adoptamos una visión más amplia y lo vemos a nivel global, podremos intuir la perdida de muchos gigavatios por efectos de la temperatura.

Lo mencionado anteriormente, es algo que la física conoce, pero en tiempos de abundancia energética, se desprecia. Entramos en nuevos tiempos en los cuales el problema energético se agudizará. Si somos responsables, si nos preocupa el futuro del planeta, de nuestros hijos y sus descendientes; deberíamos empezar a pensar en como exprimir cada vatio de potencia en cualquier sistema productor o consumidor de energía, mejorando la eficiencia de los mismos y tomando una actitud responsable de su consumo.

La mayor parte de estos problemas se solventaran cuando lleguen los superconductores a temperatura ambiente, pero mientras esto no acontezca pensemos

El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica.

Si bien es cierto que en las instalaciones fotovoltaicas es recomendable situar los paneles en lugares bien ventilados, para paliar los efectos negativos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas, también es cierto que se está desaprovechando la energía en forma de calor que existe en las mismas.

Por otra parte la idea de integrar energía solar fotovoltaica y térmica en un mismo panel es un concepto novedoso, y que merece la pena investigar, ya que conllevaría las siguientes ventajas:

Menos superficie necesaria para instalar energía fotovoltaica y térmica.

Menos residuos alcanzado el fin de la vida útil de la instalación.

Incremento de al menos un 15% en la producción de electricidad.

Obtención de agua caliente para usos sanitarios, calefacción, etc.

Prolongación de la vida útil de los paneles solares.

Reducción de la radiación solar reflejada.

(a) El aumento de la eficiencia se deberá a la reducción del factor de degradación por efectos de la temperatura sobre las células fotovoltaicas.

(b) El calor extraído de las células será transferido al absorbedor que será el generador.

(c) Al ser el mismo captador se reducirá a la mitad la superficie necesaria.

(d) Se producirá una cogeneración aprovechando la energía en forma de electricidad y calor.

(e) Los semiconductores que forman las células operarán a temperaturas más bajas y por lo tanto más idóneas, debido a las propiedades intrínsecas del silicio.

Un automatismo de bajo coste basado en microcontroladores programables (PIC), supervisaría constantemente la temperatura de las células, controlando la circulación de líquido calor-portante a través del intercambiador situado en el acumulador de calor o desviándolo al radiador refrigerado por aire, cuando la temperatura en el acumulador se igualase con la existente en las células.

Huertas solares

El Panel Solar Híbrido sería de gran utilidad en Huertas Solares, donde todos los absorbedores de los paneles fotovoltaicos estarían conectados térmicamente en paralelo mediante tuberías. Dichas tuberías transportan el fluido calor portante que recorre todo el circuito y cederá el calor absorbido en un radiador refrigerado por convección de aire o ventilación forzada. El radiador o radiadores pueden estar instalados horizontalmente con un tubo a modo de chimenea, con sección adecuada con el fin de reforzar la convección de aire. También puede ser interesante una combinación de posición horizontal y vertical.

Semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el

movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y los aislantes.

Tecnología Fotovoltaica

La célula fotovoltaica

El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el científico francés, Henri Becquerel. Las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880, sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas a 15%. Desde entonces hasta nuestros días la eficiencia en las células no ha mejorado notablemente.

La producción eléctrica está basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada de ellas una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente de energía la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula).

El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.

Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 100 mm2.

Los materiales para la fabricación de los paneles solares son:

-Silicio Monocristalino: de rendimiento energético hasta 15 - 17%

-Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12 - 14 %

Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %;

Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio.

Actualmente, el material más utilizado es el silicio monocristalino que tiene prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.

Descripción del funcionamiento:

La electricidad producida en el panel es conducida a través de conductores de sección apropiada a un regulador de tensión, cuya misión, entre otras, es controlar la carga de las baterías dentro de los límites adecuados. De las baterías se obtiene la potencia para los distintos elementos consumidores de la instalación, si esta está diseñada para trabajar a bajo voltaje en corriente continua. Si los aparatos consumidores y la instalación están diseñados para trabajar en corriente alterna, será necesario intercalar un inversor DC-AC.

Esquema general teórico.

Construcción del prototipo

Como se puede apreciar, en la cara posterior del panel fotovoltaico se ha instalado un absorbedor de calor, formado por una pletina de cobre a la cual se le ha soldado un serpentín formado por tubería de cobre.

Este conjunto se ha impregnado de silicona para semiconductores cuya función es la de conseguir una buena transferencia térmica entre la cara posterior del panel fotovoltaico y la pletina del absorbedor.

Todo el conjunto ha sido fijado en la cara posterior del panel en el propio soporte de las células. Además posee aislantes térmicos en los lados interiores y en la cara posterior del panel para minimizar las pérdidas de temperatura, debidas al aire circundante, (Si se quiere aprovechar el calor).

En la pletina de cobre que forma el absorbedor se ha instalado una sonda de temperatura tipo PT100, conectada a un controlador industrial de temperatura para verificar a lo largo de todo el proceso de ensayo la temperatura en el absorbedor.

En la entrada y salida del absorbedor se han instalado dos trozos de tubo de vinilo por donde circulará el líquido refrigerante, en los ensayos se ha utilizado agua.

En uno de los tubos se ha intercalado una pequeña bomba de circulación para el agua, tomada de un recipiente que contiene dos litros de agua. Dicho recipiente se ha aislado de la radiación solar y se encuentra a temperatura ambiente. En este recipiente se ha sumergido una sonda de temperatura tipo PT100, conectada a un controlador de temperatura para verificar el incremento de temperatura por unidad de tiempo que proporciona el absorbedor. El otro tubo que retorna del absorbedor, vierte el agua caliente directamente en el recipiente. Los tubos de entrada y salida del absorbedor también se han aislado de la radiación solar para evitar variaciones de temperatura generados fuera del absorbedor, y que podría falsear los resultados obtenidos en el experimento.

Disposición de los aparatos de medida:

Conclusiones.

Que refrigerando adecuadamente las células de un panel fotovoltaico se pueden conseguir incrementos notables en la potencia eléctrica generada por los mismos.

Que instalando un absorbedor de calor en el panel solar fotovoltaico, es posible obtener agua caliente, con la suficiente eficiencia para ser aprovechada en usos de calefacción, etc.

Que es posible reducir el espacio necesario para instalar energía solar fotovoltaica y térmica.

Que es posible reducir los materiales necesarios para construir los captadores solares y por lo tanto reducir los efectos medioambientales negativos.

VENTAJAS

El uso de estos sistemas ayuda a ahorrar dinero en electricidad. Resultan en una importante contribución para disminuir la contaminación que

producen los sistemas generadores de electricidad tradicionales. La energía solar además de renovable, es limpia; una razón más para estar considerada

como energía “verde” y ser aprovechada para diversos usos tanto en la casa como en las empresas.

APLICACIONES

Centrales conectadas a red con subvención a la producción. Estaciones repetidoras de microondas y de radio. Electrificación de pueblos en áreas remotas (Electrificación rural). Instalaciones médicas en áreas rurales. Corriente eléctrica para casas de campo. Sistemas de comunicaciones de emergencia. Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua. Faros, boyas y balizas de navegación marítima. Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el

ganado. Balizamiento para protección aeronáutica. Sistemas de protección catódica. Sistemas de desalinización. Vehículos de recreo. Señalización ferroviaria. Sistemas para cargar los acumuladores de barcos. Fuente de energía para naves espaciales. Postes SOS (Teléfonos de emergencia de carretera). Parquímetros. Huertos solares Central termosolar