Aplicaciones de la energía solar térmica Por Luis Bérriz Pérez* «Producir en nuestras fábricas calentadores solares, eso es producir petróleo». Fidel Castro, 4 de septiembre de 1987. |  |
Primera parte Secadores solares En Cuba y en el mundo se utilizan grandes cantidades de recursos energéticos en las operaciones de secado, que constituye un proceso utilizado para disminuir la humedad a una determinada sustancia o cuerpo, por medio de la evaporación y eliminación del agua que contenga. Durante el secado de determinados productos orgánicos, como el tabaco, ocurren casi siempre reacciones bioquímicas, principalmente fermentaciones, por lo que se suele utilizar la palabra «curado». Se conoce por secado natural la disminución de humedad de los productos o materiales, en condiciones naturales, que estén expuestos a la radiación solar directa o no. En este proceso están presentes factores como la humedad del aire y la velocidad del viento, y la única fuente de energía que utiliza la naturaleza en el secado es la energía solar directa o indirecta. El secado natural de productos agrícolas e industriales es un proceso ampliamente utilizado, incluso en la actualidad. En Cuba ha sido tradicional el secado natural del café y el cacao, del coco, semillas, minerales y de otros productos. Sin embargo, por diferentes causas, el secado artificial o deshidratación ha sustituido en muchos casos al secado natural. Se llama secado artificial a la disminución controlada de humedad de los productos o materiales mediante el uso de equipos o dispositivos especiales, los cuales usan generalmente fuentes convencionales de energía. Las principales ventajas del secado artificial sobre el natural son las siguientes: la calidad del producto deshidratado es generalmente superior si se selecciona una buena tecnología del proceso; la velocidad de secado suele ser mucho mayor, disminuyendo considerablemente el tiempo de secado, lo que influye en la calidad y en el costo del producto; las condiciones sanitarias y nutritivas (en caso de alimentos) son mejores al no estar el producto expuesto a la acción directa del sol, la lluvia, el polvo y los insectos; el área utilizada en la deshidrata ción es menor, varias veces, que la utilizada en el secado natural; las operaciones de deshidratación son sencillas, pudiendo tener un alto grado de automatización. El secado artificial o deshidratación tiene, sin embargo, grandes desventajas: alto costo de la instalación, tanto por la cámara de secado como por la caldera, hornos o calentadores de aire, y alto costo de producción en caso de que consuma petróleo o electricidad para el calentamiento del aire o del producto. Con el avance de la ciencia y la técnica se han desarrollado en Cuba diferentes tipos de secadores solares, los cuales reúnen la mayoría de las ventajas de los deshidratadores tradicionales y, además, no consumen energía convencional para el calentamiento del aire o del producto. Un secador solar es un equipo o instalación que utiliza la radiación solar como fuente de energía para disminuir la humedad del producto o material a secar. Los secadores, al igual que los calentadores solares, utilizan el efecto invernadero como trampa de calor. En dependencia de cómo es trasmitida esta energía al producto, pueden clasificarse en secadores de radiación solar directa, de radiación infrarroja, de conducción de calor y de convección de calor. Esta clasificación es convencional y en la mayoría de los secadores la transferencia de calor es por conducción, convección y radiación combinadas. No obstante, según el diseño, una forma de transferencia de calor al producto es preponderante y de ahí la validez de dicha clasificación. Se entiende por secador de radiación solar directa el tipo de instalación en donde el producto recibe la radiación solar directamente en su superficie, la capta y se transforma en calor; es decir, que la superficie captadora de la radiación solar es el propio producto. En este tipo de secador (Fig. 1), el producto va colocado por lo general en bandejas de malla situadas dentro de una cámara cubierta con una o dos láminas de vidrio, las cuales dejan pasar la radiación solar directamente hasta el producto. Al captar la radiación, el secador se calienta, por lo que aumenta la presión de vapor de agua en su superficie y se acelera el proceso de secado. Este secador es sencillo, barato, de fácil construcción y operación. Fig. 1. Secador solar de radiación directa. Sus principales inconvenientes son la baja eficiencia cuando el producto o material es mal absorbedor de la radiación solar (superficies blancas o muy claras); baja capacidad de la cámara de secado al no poderse colocar bandejas en columnas, ya que unas taparían a las otras; algunos productos pierden calidad (pérdidas de vitaminas y proteínas, decoloración, etc.) al contacto con la radiación solar directa. En el secador solar de radiación infrarroja (Fig. 2), la energía solar es captada por una superficie metálica ennegrecida que se calienta. El producto va colocado generalmente en bandejas hechas con mallas para dejar pasar el aire. Fig. 2. Secador solar de radiación infrarroja. El material se calienta principalmente por la radiación infrarroja que recibe de la superficie captadora y, por lo tanto, no recibe directamente la luz solar; al calentarse acelera la evaporación de la humedad de su superficie. La corriente de aire que extrae la humedad se regula por ventanillas de entrada y salida y por el cambio del ángulo de inclinación . El cambio de este ángulo sirve también para regular la temperatura, en caso de que se requiera. En el secador solar de conducción de calor, el producto o material que se desea secar va colocado en la superficie metálica captadora de la radiación solar, y el calor es transmitido principalmente por conducción directamente del metal al producto. Este secador es utilizado para deshidratar sustancias pastosas que no se perjudiquen al recibir la radiación solar directa, ya que parte del calor lo reciben también directamente del Sol. En este secador el producto va colocado en tiras finas sobre la superficie captadora, dejando gran parte sin cubrir. De esta manera la superficie funciona como si fueran aletas que trasmiten el calor al producto (Fig. 3). Fig. 3. Secador solar por conducción de calor. El área de captación va cubierta, como en otros captadores solares, por una o dos láminas de vidrio transparente y aisladas por el fondo para disminuir las pérdidas de calor. Este secador es también muy sencillo, pero sólo tiene uso en determinados tipos de productos. El secador solar por convección de calor transmite el calor, como su nombre lo indica, principalmente por el movimiento del aire caliente; por ello en este tipo de instalación la radiación solar es captada por calentadores de aire y después éste pasa a través del producto, donde eleva la temperatura y evapora el agua de la superficie. Este mismo aire arrastra la humedad del producto y produce su secado (Fig. 4). Fig. 4. Secador solar de convección. Estos secadores pueden ser de convección natural o forzada. En el secador por convección natural, al calentarse el aire se hace más ligero y asciende, con lo que crea corrientes de aire seco que extraen la humedad del objeto que se va a secar. En el secador por convección forzada, el aire se mueve con el auxilio de ventiladores. En algunos diseños la radiación solar es captada por calentadores de agua y después el aire se calienta en intercambiadores de calor. Esto posibilita la acumulación de energía para contrarrestar el efecto negativo de la nubosidad. El secador solar de convección es el más usado, ya que tiene las siguientes ventajas: el secado del producto es más uniforme; la calidad del producto es, en muchos casos, mejor, al no incidir sobre él la radiación solar directa; la cámara de secado puede ser de mayor capacidad con relación al volumen que ocupa; la manipulación del producto es generalmente más fácil por estar más concentrado; el control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire; es menos sensible a la nubosidad al tener mayor capacidad térmica que los modelos anteriores; pueden ser diseñados con recirculación de aire y, por lo tanto, la eficiencia de la instalación aumenta. El secador por convección forzada es el de más posibilidades para uso industrial, así como para el tratamiento de productos agropecuarios en grandes cantidades. Un modelo de secador por convección forzada, llamado cámara de secado solar, ha sido desarrollado en Cuba, y se han obtenido muy buenos resultados en plantas medicinales, frutas, pescado, embutido, tabaco, microalgas, pienso y madera, entre otros productos. La utilización de instalaciones para el secado solar de productos agropecuarios, marinos e industriales en general, es una de las formas más eficientes de aprovechamiento de la energía solar, pues con las nuevas tecnologías desarrolladas en Cuba se llegan a obtener eficiencias superiores a 60%. La eficiencia se define como la relación entre la energía utilizada en extraer la humedad al producto y la energía total recibida, incluyendo la solar. El uso de los secadores solares garantiza una calidad óptima en el producto secado y es una de las medidas importantes para el ahorro de portadores energéticos convencionales. Segunda parte Calentadores solares En los días fríos, y principalmente a la hora del baño, nos acordamos de la importancia del agua caliente. Sin embargo, a pesar de las características de nuestro clima cálido, muchas familias suelen 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 suponiendo que solamente 10% de los cubanos se bañen con diez litros (10 L) de agua tibia a cuarenta grados (40 °C), necesitarían un gasto energético de doscientos ochenta megawatt-hora cada día (280 MWh/día). Si para calentar esa cantidad de agua utilizáramos equipos de muy alta eficiencia térmica (90%), el consumo energético necesario sería de trescientos mil kilowatt-hora cada día (300 000 kWh/día). En la actualidad, dicha energía es suministrada en parte por la electricidad y el gas, y la otra parte por el keroseno, la leña, el carbón y el petróleo. Si suponemos que al Estado le cueste solamente diez centavos de pesos convertibles (0,1 CUC) la producción de cada kilowatt-hora, el gasto estatal para que 10% de los cubanos se bañen con 10 L de agua tibia a 40 °C sería de 30 000 CUC diarios. Si, además, suponemos que este 10% de cubanos calientan agua solamente trescientos veinte días al año, el gasto anual sería de diez millones de pesos convertibles. Si también consideramos que se calienta agua para fregar (y ahorrar detergente) y lavar, y que esto suele hacerlo más de 10% de la población, entonces el gasto pudiera multiplicarse varias veces. Y entonces nos preguntamos: ¿Podríamos utilizar la energía solar para calentar agua? Y si es así, ¿cómo? La radiación solar tiene un valor energético promedio en Cuba de cinco kilowatt-hora por metro cuadrado al día (5 kWh/m2/día). Multiplíquese eso por la cantidad de metros cuadrados que tiene la azotea de cada casa o edificio. Un calentador solar de solamente un metro cuadrado de área expuesta al Sol, puede calentar aproximadamente 100 L/día a 40 °C. Un poco de historia En el siglo XIX, científicos europeos y estadounidenses desarrollaron los calentadores solares de caja, actualmente llamados compactos. Demostraron que en estos equipos se alcanzaban temperaturas del agua superiores a 90 °C, pero cuando pretendieron comercializarlos, no pudieron, pues en los meses de invierno estos equipos se congelaban. Desarrollaron entonces equipos complejos, con intercambiadores de calor y sustancias anticongelantes que, aunque más costosos y menos eficientes, podían resistir las condiciones del clima prevalecientes en esos países. La mayoría de los calentadores solares que se comercializan 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. Son equipos caros y poco eficientes. Calentadores solares en Cuba Científicos cubanos estudiaron en la década de los años setenta los distintos tipos de calentadores solares disponibles en el mercado mundial y comprobaron que aunque en Cuba el agua no se congelaba, su dureza provocaba rápidas incrustaciones en la placa captadora expuesta directamente al sol y en poco tiempo los equipos dejaban de funcionar, por muy buenos y costosos que fueran. Desde aquel momento empezaron a desarrollar nuevos modelos de calentadores solares compactos con una eficiencia superior a 60%, y demostraron que estos equipos resultaban muy superiores a los existentes en el mercado para los países tropicales. Estos logros fueron presentados en eventos internacionales y publicados en revistas científicas. Fue entonces cuando algunos países industrializados empezaron a producir calentadores solares compactos, para poder proseguir su comercio en los países del trópico. Los calentadores solares compactos son muy sencillos, eficientes y de bajo costo, y han demostrado ser una solución energética eficaz para el calentamiento de agua. Es bueno destacar que el calentador solar sirve, además, para ahorrar energía durante la cocción de alimentos, debido al uso de agua precalentada. No lleva el mismo tiempo calentar agua de 20 a 100 °C, que de 60 a 100 °C. Toda energía que se entregue al agua por medio de la radiación solar en el proceso de cocción de alimentos, es energía que no resulta necesario generar con electricidad ni con combustible. El calentador solar compacto Un calentador solar compacto está formado, en esencia, por un recipiente cerrado pintado de negro, con una entrada y una salida de agua, convenientemente aislado por el fondo y los lados con cualquier material aislante, y por arriba (por donde le llega la radiación solar) con vidrio u otro material translúcido. El recipiente puede tener cualquier forma, pero preferentemente debe hacerse con un tubo de un diámetro adecuado, pues soporta mayor presión y es más fácil taparlo por los extremos. El calentador solar mostrado en la figura 5, y su corte transversal en la figura 6, se ha construido con un recipiente cilíndrico de doce pulgadas de diámetro de acero inoxidable, una envoltura de chapa de aluminio, un material aislante de poliespuma o poliuretano y una cubierta transparente de vidrio o de policarbonato. Esta cubierta debe sellarse para evitar que penetre agua de lluvia en el calentador. También pudieran utilizarse otros materiales. Fig. 5. Calentadores solares compactos fabricados en Cuba. Fig. 6. Corte transversal del calentador. Actualmente se está fabricando en Cuba un calentador solar compacto que calienta 250 L/día a 40 °C, con un costo aproximado de 500 CUC. Este calentador ahorraría en un año, considerando el costo del kilowatt-hora a diez centavos, 225 CUC aproximadamente, o sea, que su inversión se pagaría en dos años y dos meses. Publicado en Energía y tú, Nos. 6 y 33, abr.-jun., 1999 y ene.-mar., 2006. * Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR. Autor del libro Secadores solares para productos agropecuarios e industriales. tel.: (537) 6405260. e-mail: berriz@cubaenergia.cu
Condensador solar Los kazajos tienen un axioma: «donde hay arena, hay agua». Como la arena nunca está absolutamente seca, su humedad puede ser extraída con ayuda del Sol, una fina película de plástico transparente y un poco de ingenio, mediante el denominado condensador solar, cuyo principio de funcionamiento es sencillo: con el plástico se cubre un orificio a una altura entre 50 y 60 cm. Sus extremos se sujetan con arena o tierra para obtener mayor hermeticidad. |  |
Los rayos solares, al pasar por la membrana transparente, absorben la humedad del suelo, la cual se evapora y se condensa en la superficie interior de la película. La forma cónica se obtiene colocando un pequeño peso en el centro para que las gotas caigan en el recipiente. Sin deshacer la instalación, el agua se puede obtener con ayuda de alguna manguerita. Cada día este condensador solar puede aportar hasta un litro y medio de agua. Para aumentar su productividad el orificio debe rellenarse hasta la mitad con ramas frescas y retoños.