Uno de los usos más extendidos y eficaces de la energía solar es el calentamiento de agua, tanto para fines domésticos como comerciales. En un hogar promedio, el calentamiento de agua representa típicamente el tercer mayor gasto energético, después de la calefacción y la refrigeración. Adoptar un sistema solar para esta función puede significar un ahorro considerable a largo plazo.

Dependiendo del clima, la orientación solar del inmueble y las necesidades específicas del usuario, un sistema de calentamiento solar de agua puede amortizarse en tan solo cinco años. Con un mantenimiento adecuado, estos sistemas pueden funcionar eficientemente durante 15 a 20 años, una vida útil superior a la de muchos calentadores de agua convencionales.

¿Cómo funciona un calentador solar de agua?

El principio de funcionamiento es similar al de los sistemas solares térmicos utilizados para calefacción de espacios: su componente clave es el colector solar térmico. Este dispositivo capta la energía del sol y la transforma en calor, que luego se transfiere al agua o a un fluido térmico.

Un colector solar consiste en una superficie diseñada para absorber la radiación solar incidente y convertirla en energía térmica útil. Aunque la cantidad de energía solar disponible varía según la ubicación geográfica, la hora del día, la estación del año y las condiciones climáticas, se estima que en condiciones óptimas puede recibirse un promedio de hasta 1.000 vatios por metro cuadrado. Para aprovechar esta energía, los colectores se instalan generalmente en techos o áreas expuestas a luz solar directa.

Componentes y tipos de sistemas

Un sistema típico de calentamiento solar de agua incluye:

• Colectores solares térmicos
• Un circuito de transferencia de calor, que puede incluir agua o un fluido especial con propiedades anticongelantes
• Un intercambiador de calor, que transfiere la energía térmica al agua de uso
• Un tanque de almacenamiento, que retiene el agua caliente para su uso posterior
• Opcionalmente, un sistema auxiliar de respaldo, como un calentador eléctrico o de gas, para días nublados o de alta demanda

Algunos sistemas incluyen además una unidad de distribución secundaria, que permite utilizar el calor acumulado en distintas aplicaciones simultáneamente, como agua caliente sanitaria, calefacción de espacios o incluso calefacción de piscinas.

Aplicaciones y almacenamiento

El calentamiento solar de agua tiene una amplia gama de aplicaciones:

• Agua caliente para uso doméstico (duchas, lavabos, lavadoras)
• Calentamiento de piscinas residenciales o públicas
• Calefacción de espacios mediante radiadores o losas radiantes
• Procesos industriales que requieren calor moderado
• Sistemas de refrigeración por absorción

En cuanto al almacenamiento térmico, la mayoría de los sistemas están diseñados para cubrir de uno a dos días de demanda promedio. Sin embargo, en climas con estaciones marcadas o aplicaciones más avanzadas, existen sistemas de almacenamiento estacional, capaces de acumular el calor generado durante el verano y liberarlo en invierno, optimizando así el aprovechamiento energético a lo largo del año.

Rendimiento en climas fríos

Para funcionar eficazmente en climas templados o fríos, muchos sistemas utilizan un fluido térmico anticongelante (como el propilenglicol) en lugar de agua. Esto evita el riesgo de congelación en los colectores durante las noches gélidas o los días de bajas temperaturas, asegurando una operación continua durante todo el año.

Una tecnología en expansión

Actualmente, más de 1.5 millones de hogares en los Estados Unidos utilizan calentadores solares de agua, tanto para uso doméstico como para piscinas. En países con mayor irradiación solar anual, esta cifra es aún más alta, lo que refleja el creciente interés global por soluciones energéticas limpias, económicas y sostenibles.

Calentadores de termosifón por gravedad

Los tipos más comunes de sistemas de calentamiento de agua domésticos son el de termosifón y el de bombeo. En los sistemas de termosifón, se coloca un tanque de almacenamiento sobre el colector. A medida que se calienta el agua en el colector, ésta se eleva y comienza a circular en forma natural alrededor del tanque. Esto hace que suba el agua fría desde el fondo del tanque. Este sistema tiene como ventajas que es auto-regulado y no tiene partes móviles. La principal desventaja es que requiere que el tanque esté colocado a un nivel más elevado que el colector, lo que puede ser físicamente difícil en muchas circunstancias. Este tipo de calentador funciona por gravedad, por lo que no nos sirve si requerimos agua a alta presión.

El sistema de termosifón más común actualmente es el de tubos al vacío. Como se muestra en la siguiente imagen, un tubo al vacío consta de dos tubos de vidrio concéntricos entre los cuales se hace un vacío, al extraerse todo el aire. Esto hace que los tubos tengan la capacidad de mantener el calor, con el mismo principio de funcionamiento de un recipiente térmico (termo). El tubo interno tiene un recubrimiento especial de nitrato de aluminio para facilitar la absorción del calor.

El anillo de bario en el extremo inferior del tubo tiene como objetivo absorber cualquier residuo de moléculas de gases que pudiera haber quedado en el tubo para mantener el vacío. El efecto del anillo de bario se ve como una capa plateada en el extremo inferior del tubo. Si el tubo no tiene esta capa plateada sino que se ve de color claro o transparente es indicador de que el tubo está pinchado, es decir, ya no tiene un sello de vacío adecuado. El agua circula libremente al interior del tubo interno y por un efecto de convección, el agua fría pasa del tanque hasta la parte inferior de los tubos y al calentarse comienza a subir hasta llegar nuevamente al tanque, donde se almacena.

Calentador Solar para Alta Presión

Como señalamos antes, el sistema de tubos al vacío básico funciona por gravedad y no soporta altas presiones. Esto es un problema cuando la casa o edificio donde se instala no cuenta con tinaco elevado o la presión que se obtiene por gravedad es insuficiente. Si el suministro de agua se obtiene por equipo hidroneumático, presurizador o directamente de la red sin pasar por un tinaco, se requerirá de un equipo que soporte alta presión.

La tecnología más común para alta presión es la conocida como HEAT PIPE. En esta tecnología, se siguen usando tubos al vacía, similares a los descritos antes, pero en este caso los tubos están sellados, es decir, el agua no fluye al interior de los tubos. En lugar de agua, los tubos están llenos de un fluido que es el que captura el calor del sol. Al calentarse, este fluido se convierte en gas, circulando por el mismo proceso de convección térmica que ya conocemos. El calor capturado por este gas se transfiere a una punta de cobre de alta pureza que se encuentra en el extremo superior de cada uno de los tubos. Estas puntas de cobre son las que finalmente nos sirven para calentar el agua que se encuentra en el tanque de almacenamiento.

Como se ve, en la tecnología heat pipe, el medio que captura el calor, que es el gas al interior de los tubos, está aislado o separado del agua contenida en el tanque, lo que permite que pueda haber una diferencia de presión entre los dos medios. Así, el agua puede estar a alta presión sin afectar el funcionamiento de los tubos.

Un sistema de bombeo usa una bomba para circular el agua, por lo que el tanque puede ser colocado en forma independiente a la ubicación del colector. Este sistema requiere energía externa para accionar la bomba. También requiere controles electrónicos para medir el gradiente de temperatura a través del colector y modular el bombeo.

¿Cuál es la posición correcta de los calentadores solares?

Un calentador solar puede montarse sobre techos o paredes, dando siempre hacia el ecuador. Por lo tanto, un techo con vista hacia el norte en el hemisferio sur, y un techo con vista hacia el sur en el hemisferio norte son las ubicaciones ideales. Dependiendo de la luz de sol disponible, un sistema con una superficie de 2 a 10 pies cuadrados puede proporcionar hasta el 60% de las necesidades de agua caliente de una familia típica.

En general, se recomienda que el colector solar tenga una inclinación con respecto a la horizontal de entre 10° y 15° por arriba de la latitud del sitio de instalación. Tomando como ejemplo la Ciudad de México, tenemos una Latitud de 19° por lo que el ángulo de inclinación recomendable sería entre 29° y 34°, viendo hacia el Sur.