Refrigeración solar

El enfriamiento solar es un sistema que convierte el calor del sol en enfriamiento que se puede utilizar para refrigeración y aire acondicionado. Un sistema de enfriamiento solar recolecta energía solar y la usa en un proceso de enfriamiento impulsado térmicamente que a su vez se usa para disminuir y controlar la temperatura con fines como generar agua fría o acondicionar aire para un edificio.

Existen muchas técnicas de ciclo de enfriamiento diferentes que utilizan varios principios diferentes para funcionar. Tres de las técnicas más populares incluyen:

  • ciclos de absorción
  • ciclos de desecante
  • ciclos mecánicos solares

Cómo funciona el enfriamiento solar

Independientemente de la técnica que se utilice, un sistema de enfriamiento solar generalmente incluye tres componentes centrales:

  • Un colector solar, como un panel solar, que se utiliza para convertir la radiación solar en calor o trabajo mecánico.
  • Una planta de refrigeración o aire acondicionado que se utiliza para producir el enfriamiento.
  • Un disipador de calor que recoge el calor rechazado y lo irradia fuera del sistema.

Cómo funciona el enfriamiento solar

Si bien las técnicas utilizadas para lograr el enfriamiento solar varían, el objetivo final sigue siendo el mismo: utilizar una fuente de calor externa, como un panel solar, para recolectar la temperatura ambiente y luego usar ese calor con un refrigerante para crear presión dentro de un circuito cerrado de refrigerante, por lo tanto permitiendo que funcione el sistema de refrigeración solar.

Un refrigerante es una sustancia o mezcla que absorbe el calor del ambiente y puede generar refrigeración o aire acondicionado si se combina con otros componentes necesarios, como compresores y evaporadores. En la mayoría de los ciclos de enfriamiento, el refrigerante pasará de la fase líquida a la fase gaseosa y luego regresará nuevamente para lograr su propósito de enfriamiento.

En los ciclos de absorción, el proceso de enfriamiento se basa en el enfriamiento evaporativo de un refrigerante. Dado que la vaporización requiere entrada de energía, el proceso toma calor del sistema, dejando el fluido restante más frío que antes. Los ciclos de absorción completan la presurización disolviendo un refrigerante en un absorbente, o algo que absorba líquido fácilmente, en lugar de utilizar un compresor mecánico.

Los ciclos de enfriamiento por absorción poseen cuatro componentes principales específicos: un absorbedor, un generador, un condensador y un evaporador. El evaporador es, esencialmente, la planta de refrigeración o aire acondicionado que se utiliza en todos los sistemas de refrigeración, ya que es donde se produce la refrigeración.

En un ciclo de absorción, el proceso de enfriamiento progresa de la siguiente manera:

  1. El absorbedor contiene una mezcla de refrigerante y absorbente que se envía al generador a través de una bomba de líquido.
  2. El generador toma la mezcla absorbente-refrigerante y la calienta utilizando la energía solar externa que ha sido recolectada a través de una fuente como un panel solar. La solución comienza a hervir en reacción al calor, convirtiendo el agua en vapor que fluye hacia el condensador.
  3. El condensador licua el vapor de agua, rechazando el calor en el proceso que es recogido por el disipador de calor. El nuevo condensado líquido se dirige luego hacia el evaporador a través de una válvula de expansión.
  4. Finalmente, la evaporación del refrigerante a baja presión hace que el evaporador absorba el calor del espacio enfriado, creando el efecto de enfriamiento.

Al final, el refrigerante vaporizado regresa al absorbedor y el ciclo se repite. La energía solar es responsable de impulsar este ciclo.

Los sistemas de enfriamiento desecante se basan en procesos cíclicos de deshumidificación-humidificación. Utiliza sustancias y materiales que atraen fácilmente el agua de su entorno para la deshumidificación. Estos materiales se conocen como desecantes. Los desecantes se regeneran en el ciclo aplicando energía solar.

Los sistemas de enfriamiento con desecante pueden operar con desecantes líquidos y sólidos. El proceso de enfriamiento del desecante avanza de la siguiente manera:

  1. Los desecantes absorben el vapor de agua y eliminan la humedad del aire de proceso en la unidad de deshumidificación o absorbedor. Una transferencia resulta de la diferencia en la presión de vapor, liberando así calor debido a la condensación del agua y creando un intercambio de calor.
  2. Luego, el aire se introduce en el espacio o en un enfriador evaporativo para enfriarlo más mientras el desecante diluido se envía al regenerador. Sin embargo, antes de que el desecante diluido pueda ingresar al regenerador, debe pasar por un intercambiador de calor líquido-líquido y un serpentín de calentamiento para elevar su temperatura.
  3. Una vez en el regenerador, el desecante diluido calentado se expone al aire regenerativo, lo que hace que la humedad se transfiera de la solución diluida al aire. Esta transferencia se debe a la diferencia creada en la presión de vapor.
  4. A continuación, el desecante resultante más concentrado pasa a través del intercambiador de calor líquido-líquido una vez más, así como un serpentín de enfriamiento y luego regresa a la unidad de deshumidificación, lo que permite que el ciclo se repita.

La tercera técnica, los ciclos mecánicos solares, funciona de manera muy diferente a los ciclos de absorción y desecante. En lugar de crear un sistema completamente nuevo, los ciclos mecánicos solares intentan combinar la mecánica alimentada por energía solar con los sistemas de enfriamiento convencionales. En este ciclo, la energía solar se usa para alimentar el motor real que produce la energía utilizada para operar todo el sistema de enfriamiento en lugar de alimentar el enfriador de absorción, como lo hace en los ciclos de absorción y desecante.

Aplicaciones de la refrigeración solar

El enfriamiento solar está destinado principalmente a dos propósitos principales: refrigeración de almacenamiento de alimentos y enfriamiento de espacios, o aire acondicionado. El enfriamiento solar se puede ver en vehículos como vehículos recreativos y autocaravanas que utilizan el sistema para refrigeración. Los sistemas de refrigeración por absorción de vapor, que se utilizan en industrias donde se requieren temperaturas de proceso extremadamente bajas, así como grandes capacidades térmicas, también muestran el uso de refrigeración solar.

Quizás la aplicación más beneficiosa del enfriamiento solar es su capacidad para proporcionar sistemas de enfriamiento a países que de otro modo no podrían manejar el costo total de electricidad y energía y la carga que requieren los sistemas de enfriamiento convencionales. El enfriamiento solar reduce en gran medida la cantidad de energía requerida para refrigerar necesidades como vacunas y productos agrícolas, lo que, a su vez, genera ahorros de costos y beneficia al medio ambiente al usar energía renovable y reducir el uso de materiales que agotan la capa de ozono.

Desafíos del enfriamiento solar

Si bien la refrigeración solar se ha aplicado en varios entornos industriales, los sistemas de refrigeración domésticos a menudo no son económicos. El alto costo y la baja eficiencia esperados de los sistemas domésticos han sido un obstáculo importante en su aplicación doméstica más amplia.

Además, si bien los costos operativos a largo plazo del sistema son menores que los acumulados por los sistemas de enfriamiento convencionales, el costo de inversión inicial es mucho mayor debido a la menor oferta y los costosos precios de los componentes del sistema como el colector solar y los tanques de almacenamiento.