Descripción

El sol está compuesto mayoritariamente por hidrógeno y helio. En él se produce, de manera continua, un proceso nuclear de fusión por el que el hidrógeno se transforma en helio y se genera una gran cantidad de energía. Esta energía es emitida a todo el espacio en forma de radiación electromagnética ultravioleta (UV), visible (V) e infrarroja (IR).

Un colector solar es un dispositivo capaz de captar la energía que aporta la radiación solar, utilizándola para calentar un determinado fluido (generalmente agua) a una cierta temperatura. En función de la misma, los colectores pueden ser de alta (400 C), media (100 C-400 C), o baja (-100 C) temperatura, siendo estos últimos, los que han adquirido un mayor desarrollo comercial.

La aplicación más generalizada de la energía solar térmica es complementar la producción de agua caliente sanitaria. Actualmente se experimenta con sistemas capaces de producir vapor para obtener electricidad mediante turbinas y generadores.

Conceptos básicos

Aspectos a considerar

  • Ángulos de inclinación y orientación

Los colectores de media y alta temperatura están orientados continuamente al sol ya que disponen de un mecanismo de seguimiento adecuado. Sin embargo, los colectores de baja temperatura se instalan en una posición fija. Por ello una adecuada instalación de los mismos es imprescindible para asegurar un aprovechamiento óptimo de la radiación solar:

  • Identificación de sombras

Si tenemos más del 20% de la superficie del colector solar con sombras, nuestro colector estará inoperativo. Por ello es aconsejable que el día más desfavorable, en cuanto a operatividad se refiere, no tenga más del 5% de sombra.

  • Distancia entre filas de colectores

Si se instalan varias filas de colectores hay que dejar una separación suficiente entre dichas filas para que no se hagan sombra entre sí. Para fijar esta distancia, el criterio más utilizado es que en el mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del periodo de utilización, la sombra de la arista superior de una fila se proyecte como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente. En los equipos que se utilicen todo el año, la altura solar mínima al mediodía solar se producirá el 21 de diciembre.

Sensación de claridad que produce una fuente de luz o superficie iluminada.

  • Tipos de instalaciones

Una instalación de baja temperatura está formada por un subsistema de captación formado por varios colectores solares conectados en serie o paralelo y un subsistema de acumulación formado por uno o más depósitos de almacenamiento de agua caliente. En zonas frías que no se cubre el 100 % de las necesidades térmicas, se incorpora a la instalación un sistema convencional auxiliar (caldera o resistencia eléctrica).

Según el sistema de termotransferencia utilizado, las instalaciones pueden ser de circuito abierto o de circuito cerrado:

  • Circuito abierto: En este caso, el fluido caloportador se utiliza directamente. No hay intercambiador de calor, ya que el propio fluido que circula por los colectores es el que luego va al depósito para su posterior utilización.
  • Circuito cerrado: existen dos circuitos diferenciados e incomunicados: el primario y el secundario. El circuito primario está compuesto por los colectores y la bomba de impulsión (en caso de circulación forzada) por los que circula el fluido caloportador. El calor ganado por dicho fluido a través de los colectores es cedido por medio de un intercambiador de calor al circuito secundario, que está formado por el depósito de acumulación y la correspondiente bomba.

Según el modo de circulación del fluido caloportador, las instalaciones pueden ser con circulación natural (termosifón) o con circulación forzada:

  • Instalaciones por termosifón: El movimiento del fluido caloportador se produce por la diferencia de temperatura entre el agua fría del depósito y el agua caliente del colector.
  • Instalaciones con circulación forzada: En este caso, el agua se mueve a través del sistema por medio de bombas.

La bomba en el circuito primario será necesaria cuando el intercambiador esté a un nivel inferior al de los colectores, pero si la presión de la red es insuficiente, será necesario disponer de otra bomba en el secundario que asegure el caudal en los puntos de consumo.

Componentes

Fluido Calorportador

El fluido caloportador es aquél que pasa por los tubos del absorbedor, transfiriendo la energía térmica absorbida a otra parte del sistema, al intercambiador de calor o depósito acumulador.

Los tipos más utilizados son: agua natural, agua con anticongelante (20 %-30 %), fluidos orgánicos, aceites de silicona.

  • Captadores Solares

El captador solar es el elemento que capta la radiación solar y la transforma en energía térmica.

Para conseguir agua caliente a baja temperatura se utilizan captadores planos o de vacío, mientras que para aplicaciones industriales en las que se genere vapor o de media temperatura se utilizan concentradores solares.

Colectores No Vidriados: Son aquellos que no presentan cubierta que aísle al captador plano del exterior. Tiene pérdidas de calor más elevadas. Aplicación en calentamiento de piscinas al aire libre y en casos donde se demanda baja temperatura.

Colectores Vidriados: Estos captadores están limitados por una cubierta, generalmente de cristal. Coeficiente de pérdida menor. Aplicables en instalaciones de un nivel energético superior como la preparación de agua caliente sanitaria o calefacción. Dentro de este tipo se encuentran los de tubos de vacío y los planos.

Los tubos de vacío se caracterizan por disponer de una ampolla de vidrio que aísla el interior del captador del ambiente y permiten alcanzar temperaturas de hasta 120 C.

Los colectores planos consiguen el máximo aprovechamiento de la radiación solar incidente mediante el efecto invernadero que produce la cubierta.

Captadores por Aire: Esta tipología de captadores tiene la misma base de funcionamiento que las de transmisión por líquido, pero el fluido a calentar es aire. La sección de los tubos es más grande.

Captadores fabricados con materiales plásticos o caucho. Para el calentamiento de piscinas al aire libre. Son resistentes a los productos químicos, cloro, intemperie, rayos ultravioleta y congelación. Trabajan a temperaturas menores de 30 C.

  • Acumuladores

La necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que se obtiene del Sol, por lo que es necesario disponer de un sistema de acumulación que haga frente a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar, así como a la producción solar en momentos de poco o nulo consumo.

  • Intercambiadores de calor

El intercambiador de calor es un elemento que se instala cuando se quiere transferir el calor de un fluido a otro sin que éstos se mezclen. Se suelen utilizar cuando el agua contiene anticongelante.

  • Bombas de circulación

Las bombas de circulación o electrocirculadores son aparatos accionados por un motor eléctrico, capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía suficiente para transportar el fluido a través de un circuito, venciendo las pérdidas de carga existentes en el mismo.

  • Depósito de expansión

Su función es absorber las dilataciones del fluido caloportador que se producen con el aumento de temperatura.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

  • La utilización de los paneles solares para calentar agua supone un importante ahorro económico, tiene un alto rendimiento y escaso mantenimiento.
  • El generar energía térmica sin que exista un proceso de combustión supone, desde el punto de vista ambiental, un proceso limpio y exento de cualquier contaminación.
  • Alta rentabilidad económica. Vida útil de 15 a 20 años.
  • No hay dependencia energética de terceros.
  • Alto rendimiento de transformación, hasta un 65 % de radiación de energía calorífica.

Inconvenientes

  • Gran tamaño requerido de las instalaciones (0,6 m2/persona – 1 m2/persona para agua caliente).
  • Solo es utilizable la luz solar directa.
  • Se necesita hacer una inversión inicial elevada (tabla)
  • No hay dependencia energética de terceros.
  • Elevados costes de instalación, aunque existen ayudas para la implantación de energías renovables que son publicadas en el Boletín Oficial del Estado (B.O.E.), y que se actualizan periódicamente.

La superficie (m2) a la que se refiere es la de la placa colectora.

Aplicaciones

Agua caliente sanitaria (A.C.S.)

La producción de agua caliente sanitaria es la aplicación de la energía solar que resulta más extendida y rentable. A causa de la relativa constancia de la demanda de agua caliente sanitaria, la instalación solar está en servicio durante todos los meses del año, hecho que permite amortizarla más rápidamente que en el caso de aplicaciones de calefacción, en que el sistema sólo se utiliza durante los meses de invierno. Para esta aplicación, los tipos de captadores más utilizados son los planos de cubierta vidriada, sin cubierta, o los de vacío.

Calefacción

En el caso de la calefacción, cuando la temperatura demandada sea inferior a 50ºC, se utilizaran captadores solares de cubierta plana. Los sistemas de calefacción que utilizan agua a esta temperatura son:

  • Suelo radiante: se basa en la circulación de agua por el interior de unas tuberías situadas bajo el pavimento de los locales.
  • Radiadores sobredimensionados: son aquellos que tiene una superficie más grande de lo que debiera, con tal de poder ceder la misma cantidad de calor pero a una temperatura menor.
  • Fan-coils: constan de un grupo de tubos aleteados por los que circula agua caliente y que es atravesado por una corriente de aire que calienta y se distribuye al ambiente que se quiere acondicionar.

Para un sistema de calefacción con radiadores convencionales se utilizarán captadores solares de vacío, debido a que trabajan a temperaturas más altas.

Calentamiento de piscinas

En estos casos son utilizados los captadores solares planos de tipo plástico (EPDM, PP, etc.), ya que son suficientes para conseguir temperaturas de entre 25 y 30ºC. Se utilizan para ampliar la temporada de baño.

Refrigeración Solar

Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción.

Instalaciones termoeléctricas

Estas instalaciones se utilizan para la producción de energía eléctrica. El esquema básico consiste en la obtención de vapor mediante el calentamiento de agua con un sistema de colectores solares. Este vapor se utilizará para mover las turbinas que generarán la energía eléctrica.

Debido a las mejoras llevadas a cabo para colectores cilindro parabólicos mediante la obtención de nuevos espejos y recubrimientos ópticos se eliminan costosos equipos, como es el caso del intercambiador de calor aceite/agua. El sistema se vuelve más simple y conduce a una menor inversión inicial y a un mayor rendimiento global de la planta.

Instalación solar térmica sin intercambiador de aceite

Medidas de eficiencia

Nuevas Tecnologías

El sistema solar termodinámico es la última generación de equipos térmicos para agua caliente y calefacción y está basado en la combinación de las placas solares con bombas de calor.

Mejoras en el diseño, aumentando la calidad de las superficies de recepción de la luz solar con cristales especiales, como vidrios con bajo contenido en hierro.

Empleo del cromo negro como recubrimiento selectivo, que mejora el rendimiento del colector frente a aquellos que emplean la pintura negra.

Mejora de la eficacia de los materiales aislantes del colector.

Mejora de la eficiencia de los fluidos caloportadores. Por ejemplo, colectores Heat Pipe basados en una mezcla de alcohol como portador de calor.

Mantenimiento

Reemplazar las partes de aislamientos que se encuentren deteriorados.

Controlar a menudo el nivel del líquido del circuito primario y, si hubiera filtraciones accidentales, rellenar con una mezcla de anticongelante diluido con agua (la dosis está indicada en los recipientes).

En caso de largas temporadas de ausencia, es oportuno cubrir los paneles para protegerlos de los rayos solares.

Inspeccionar los paneles solares tras largas temporadas en las que no se han utilizado y controlar su funcionamiento.

Una vez al año quitar el polvo de las superficies de los colectores solares.

Evitar que se forme vapor condensado dentro de los paneles con cubierta, practicando eventualmente pequeños agujeros en la parte superior e inferior del panel.

En caso de rotura accidental de la cubierta del panel, en tanto se produce la sustitución, es preciso proteger enseguida el panel con una manta transparente, ya que la lluvia provoca un rápido y grave daño al panel.

El rendimiento de un sistema solar térmico depende de varios factores: las condiciones climáticas locales, el área geográfica, el tipo de colector solar, etc.

Dimensionamiento

La climatización de piscinas descubiertas, según la normativa vigente se debe realizar mediante energías alternativas.

En sistemas de termosifón debe cumplirse que el depósito se sitúe en una cota más alta que los colectores.

El diámetro de la red de tuberías debe ser el mínimo posible que haga que las pérdidas de carga no superen un límite razonable.

Los porcentajes de energía aportada por el sistema de energía solar, suelen ser del orden del 70 % u 80 % del total, como media anual.

El rendimiento energético máximo anual que puede obtenerse de una instalación solar térmica varía entre los 350 kWh/m2 y los 1.100 kWh/m2, dependiendo del emplazamiento y de la temperatura de trabajo.

El valor máximo de la potencia térmica de los colectores solares es de unos 500 W/m2 para sistemas de temperatura media y de 1.000 W/m2 para sistemas de baja temperatura.

El rendimiento calórico anual óptimo por unidad de superficie de colector se obtiene con inclinaciones de colector de 30 C y una separación entre filas de al menos 1,5 veces la altura total del colector.

Ejemplo

Hotel de 3 estrellas con 150 camas en la provincia de Badajoz en el cual se va a sustituir el gasóleo C, a un precio de 0.73€/l, por energía solar térmica para proporcionar el agua caliente a una temperatura de 50ºC. La ocupación media anual que se considera es del 60%. La subvención considerada será de un 60%.