El sol està format majoritàriament per hidrogen i heli. S'hi produeix, de manera continua, un procés nuclear de fusió mitjançant el qual l'hidrogen es transforma en heli i es genera una gran quantitat d'energia. Aquesta energia s'emet a tot l'espai en forma de radiació electromagnètica ultraviolada (UV), visible (V) i infraroja (IR).

Un col·lector solar és un dispositiu capaç de captar l'energia que aporta la radiació solar i utilitzar-la per escalfar un fluid determinat (generalment aigua) a una certa temperatura. En funció d'aquesta, els col·lectors poden ser d’alta (400º C), mitjana (100º C-400º C), o baixa (-100º C) temperatura, essent aquests últims els que han adquirit un major desenvolupament comercial.

L'aplicació més generalitzada de l'energia solar tèrmica és complementar la producció d'aigua calenta corrent. Actualment s'experimenta amb sistemes capaços de produir vapor per obtenir electricitat mitjançant turbines i generadors.

2.1 Aspectes a considerar

Angles d'inclinació i orientació

Els col·lectors de mitjana i alta temperatura estan orientats contínuament cap el sol ja que disposen d'un mecanisme de seguiment adequat. No obstant això, els col·lectors de baixa temperatura s'instal·len en una posició fixa. Per això és imprescindible instal·lar-los de manera adequada per assegurar un aprofitament òptim de la radiació solar:

Identificació d’ombres

Si més del 20% de la superfície del col·lector solar és a l’ombra, el col·lector no serà operatiu. Per això és aconsellable que el dia més desfavorable pel que fa a operativitat no tingui més del 5% d’ombra.

Distància entre fileres de col·lectors

Si s'instal·len diverses fileres de col·lectors, cal deixar prou separació entre elles perquè no es facin ombra entre si. Per fixar aquesta distància, el criteri més utilitzat és que al migdia solar del dia més desfavorable (altura solar mínima) del període d'ús, l'ombra de l'aresta superior d'una filera es projecti com a màxim sobre l'aresta inferior de la filera següent. En els equips que es facin servir tot l'any, l'altura solar mínima al migdia solar es produirà el 21 de desembre.

Sensació de claredat que produeix una font de llum o una superfície il·luminada.

2.2 Tipus d’instal·lacions

Una instal·lació de baixa temperatura està formada per un subsistema de captació format per diversos col·lectors solars connectats en sèrie o en paral·lel i un subsistema d'acumulació format per un o més dipòsits d'emmagatzematge d'aigua calenta. En zones fredes on no es cobreixi el 100% de les necessitats tèrmiques, s'incorpora a la instal·lació un sistema convencional auxiliar (caldera o resistència elèctrica).

Segons el sistema de termotransferència utilitzat, les instal·lacions poden ser de circuit obert o de circuit tancat:

• Circuit obert: En aquest cas, el fluid termòfor es fa servir directament. No hi ha intercanviador de calor, ja que el mateix fluid que circula pels col·lectors és el que després va al dipòsit per al seu ús posterior.

• Circuit tancat: hi ha dos circuits diferenciats i incomunicats: el primari i el secundari. El circuit primari està format pels col·lectors i la bomba d’impulsió (en cas de la circulació forçada) pels quals circula el fluid termòfor. La calor generada per aquest fluid a través dels col·lectors se cedeix mitjançant un intercanviador de calor al circuit secundari, que està format pel dipòsit d'acumulació i la bomba corresponent.

Segons el mode de circulació del fluid termòfor, les instal·lacions poden ser amb circulació natural (termosifó) o amb circulació forçada:

• Instal·lacions per termosifó: El moviment del fluid termòfor es produeix per la diferència de temperatura entre l'aigua freda del dipòsit i l'aigua calenta del col·lector.
• Instal·lacions amb circulació forçada: En aquest cas, l'aigua es mou a través del sistema mitjançant bombes.

Instal·lacions amb circulació forçada: En aquest cas, l'aigua es mou a través del sistema mitjançant bombes.

3.1 Fluid termòfor

El fluid termòfor és el que passa pels tubs de l'absorbidor i transfereix l'energia tèrmica absorbida a una altra part del sistema, a l'intercanviador de calor o dipòsit acumulador.

Els tipus més utilitzats són: aigua natural, aigua amb anticongelant (20%-30%), fluids orgànics, olis de silicona.

3.2 Captadors solars

El captador solar és l'element que capta la radiació solar i la transforma en energia tèrmica.

Per aconseguir aigua calenta a baixa temperatura es fan servir captadors plans o de buit, mentre que per a aplicacions industrials en què es generi vapor o de temperatura mitjana es fan servir concentradors solars.

Col·lectors no vidriats: Són els que no tenen una coberta que aïlli el captador pla de l'exterior. Té pèrdues de calor més elevades. Tenen aplicació en l’escalfament de piscines a l'aire lliure i en els casos on s’exigeix una baixa temperatura.

Col·lectors vidriats: Aquests captadors estan limitats per una coberta, generalment de vidre. Tenen un coeficient de pèrdues menor. Aplicables en instal·lacions d'un nivell energètic superior com ara la preparació d'aigua calenta corrent o calefacció. Dins d'aquest tipus es troben els tubs de buit i els plans.

• Els tubs de buit es caracteritzen per disposar d'una ampolla de vidre que aïlla l'interior del captador de l'ambient i permet assolir temperatures de fins a 120º C.
• Els col·lectors plans aconsegueixen el màxim aprofitament de la radiació solar incident mitjançant l'efecte d'hivernacle que produeix la coberta.

Captadors per aire: Aquesta tipologia de captadors té la mateixa base de funcionament que les de transmissió per líquid, però el fluid que cal escalfar és aire. La secció dels tubs és més gran.

Captadors fabricats amb materials plàstics o cautxú. Per a l'escalfament de piscines a l'aire lliure. Són resistents als productes químics, clor, intempèrie, raigs ultraviolats i congelació. Funcionen a temperatures inferiors a 30º C.

3.3 Acumuladors

La necessitat d'energia no sempre coincideix en el temps amb la captació que s'obté del sol, per la qual cosa cal disposar d'un sistema d'acumulació que faci front a la demanda en moments de poca o cap radiació solar, així com a la producció solar en moments de poc o cap consum.

Intercanviadors de calor

Element que s'instal·la quan es vol transferir la calor d'un fluid a un altre sense que aquests es barregin. S'acostumen a fer servir quan l'aigua conté anticongelant.

3.5 Bombes de circulació

Les bombes de circulació o electrocirculadors són aparells accionats per un motor elèctric capaços de subministrar al fluid una quantitat d'energia suficient per transportar el fluid a través d'un circuit, tot vencent-hi les pèrdues de càrrega.

3.6 Dipòsit d'expansió

La seva funció és absorbir les dilatacions del fluid termòfor que es produeixen amb l'augment de temperatura.

4.1 Avantatges

• L'ús dels panells solars per escalfar aigua suposa un estalvi econòmic considerable, un alt rendiment i un manteniment escàs.
• El fet de generar energia tèrmica sense que hi hagi un procés de combustió suposa, des del punt de vista ambiental, un procés net i exempt de tota contaminació.
• Alta rendibilitat econòmica. Vida útil de 15 a 20 anys.
• No hi ha dependència energètica de tercers.
• Alt rendiment de transformació, fins a un 65% de radiació d'energia calorífica.

4.2 Inconvenients

• Grans dimensions necessàries de les instal·lacions (0,6 m²/persona - 1 m2/persona per a aigua calenta)
• Només s'utilitza la llum solar directa.
• Cal fer-hi una inversió inicial elevada (taula).
• No hi ha dependència energètica de tercers.
• Costs d'instal·lació elevats, encara que hi ha ajudes per a la implantació d'energies renovables, que es publiquen al Butlletí Oficial de l'Estat (BOE) i s'actualitzen periòdicament.

La superfície (m²) a la qual es refereix és la de la placa col·lectora.

5.1 Aigua calenta corrent (ACC)

La producció d'aigua calenta corrent és l'aplicació de l'energia solar més estesa i rendible. A causa de la relativa constància de la demanda d'aigua calenta corrent, la instal·lació solar funciona durant tots els mesos de l'any, el que permet amortitzar-la més ràpidament que en el cas d’aplicacions de calefacció, en què el sistema només es fa servir durant els mesos d'hivern. Per a aquesta aplicació, els tipus de captadors més utilitzats són els plans de coberta vidriada sense coberta, o els de buit.

5.2 Calefacció

En el cas de la calefacció, quan la temperatura demandada és inferior a 50º C, cal utilitzar captadors solars de coberta plana. Els sistemes de calefacció que fan servir aigua a aquesta temperatura són:

• Terra tèrmic: es basa en la circulació d'aigua per tubs calefactors situats sota el paviment dels locals.
• Radiadors sobredimensionats: són els que tenen una superfície més gran del que caldria, per poder cedir la mateixa quantitat de calor però a una temperatura menor.
• Aerotermos: consten d'un grup de tubs aletejats pels quals circula aigua calenta i per on passa un corrent d'aire que escalfa i que es distribueix a l'ambient que es vol condicionar.

Per a un sistema de calefacció amb radiadors convencionals cal fer servir captadors solars de buit, perquè treballen a temperatures més altes.

5.3 Escalfament de piscines

En aquests casos es fan servir els captadors solars plans de tipus plàstic (EPDM, PP, etc.), ja que són suficients per aconseguir temperatures d'entre 25º C i 30º C. Es fan servir per ampliar la temporada de bany.

5.4 Refrigeració solar

Es pot produir fred amb l'ús d'energia solar com a font de calor en un cicle de refredament per absorció.

5.5 Instal·lacions termoelèctriques

Aquestes instal·lacions es fan servir per a la producció d'energia elèctrica. L'esquema bàsic consisteix a obtenir vapor mitjançant l'escalfament d'aigua amb un sistema de col·lectors solars. Aquest vapor s'empra per moure les turbines que generen l'energia elèctrica.

Gràcies a les millores que s’han dut a terme en els col·lectors cilindre parabòlics mitjançant l'obtenció de nous miralls i recobriments òptics s'eliminen els equips costosos, com és el cas de l'intercanviador de calor oli/aigua. El sistema es torna més simple i condueix a una inversió inicial més reduïda i a un rendiment global més alt de la planta.

6.1 Noves tecnologies

El sistema solar termodinàmic és l'última generació d’equips tèrmics per a aigua calenta i calefacció i està basat en la combinació de les plaques solars amb bombes de calor.

Millores en el disseny que augmenten la qualitat de les superfícies de recepció de la llum solar amb vidres especials, com ara vidres amb baix contingut en ferro.

Ús del crom negre com a recobriment selectiu, que millora el rendiment del col·lector enfront dels que empren la pintura negra.

Millora de l'eficàcia dels materials aïllants del col·lector.

Millores de l'eficiència dels fluids termòfors. Per exemple, col·lectors de tub de calor basats en una barreja d'alcohol com a portador de calor.

6.2 Manteniment

Reemplazar las partes de aislamientos que se encuentren deteriorados.

Controleu sovint el nivell del líquid del circuit primari i, si hi haguessin filtracions accidentals, empleneu-lo amb una barreja d'anticongelant diluït amb aigua (se n'indica la dosi als recipients).

En cas de llargues temporades d'absència és oportú cobrir els panells per protegir-los dels raigs solars.

Inspeccioneu els planells de cèl·lules solars després de llargues temporades en què no s'hagin fet servir i controleu-ne el funcionament.

Un cop l'any traieu la pols de les superfícies dels col·lectors solars.

Eviteu que es formi vapor condensat dins dels panells amb coberta fent-hi eventualment uns petits forats a la part superior i inferior.

En cas de trencament accidental de la coberta del panell, mentre no se substitueixi, cal protegir-lo de seguida amb una flassada transparent, ja que la pluja hi provoca ràpidament danys greus.

El rendiment d'un sistema solar tèrmic depèn de diversos factors: les condicions climàtiques locals, l'àrea geogràfica, el tipus de col·lector solar, etc.

6.3 Dimensionament

Segons la normativa vigent, la climatització de piscines descobertes s'ha de realitzar mitjançant energies alternatives.

En sistemes de termosifó, el dipòsit s'ha de situar en una cota més alta que els col·lectors.

El diàmetre de la xarxa de canonades ha de ser el mínim possible, de manera que les pèrdues de càrrega no superin un límit raonable.

Els percentatges d'energia aportada al sistema d'energia solar solen ser d'entre un 70% o un 80% del total, de mitjana anual.

El rendiment energètic màxim anual que es pot obtenir d'una instal·lació solar tèrmica varia entre els 350 kWh/m2 i els 1.100 kWh/m2, segons la ubicació i la temperatura de treball.

El valor màxim de la potència tèrmica dels col·lectors solars és d'uns 500 W/m2 per a sistemes de temperatura mitjana i de 1.000 W/m2 per a sistemes de baixa temperatura.

El rendiment calòric anual òptim per unitat de superfície de col·lector s'obté amb inclinacions de col·lector de 30º C i una separació entre fileres d'almenys 1,5 vegades l’alçada total del col·lector.

Hotel de 3 estrelles amb 150 llits a la província de Badajoz on se substituirà el gasoil C, a un preu de 0,73 €/l, per energia solar tèrmica per proporcionar aigua calenta a una temperatura de 50º C. Es té en compte una ocupació mitjana anual del 60%. S’hi considera una subvenció d'un 60%.