energía termosolar - Wikilingue - Encydia
Una instalación de energía solar térmica consta de un conjunto de placas, generalmente fijas en sus tres ejes, por las cuales discurren unos tubos que se exponen de esta forma a la radiación solar. Las características constructivas responden a la minimización de las pérdidas de energía una vez calentado el fluido que transcurre por los tubos, por el que se encuentran aislamientos en la conducción (vacío u otros) y a la radiación de baja temperatura. El circuito se completa con un sistema de circulación natural o forzada, uno o varios almacenes para desacoplar el consumo a la producción y generar inercia térmica en el sistema, y los mecanismos de control y conducción necesarios. En ocasiones el sistema está hibridat con una caldera de combustible fósil o de calentamiento eléctrico para suplementar la acción del solo.
Además de su uso como agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración (mediante máquina de absorción), el uso de placas solares térmicas ha proliferado para el calentamiento de piscinas exteriores residenciales, en países donde la legislación impide el uso de energías de otro tipo para este fin.
Definición
La Energía solar térmica o termosolar consiste en el aprovechamiento de la radiación proveniente del sol para producir calor.
La intensidad de esta radiación solar, se mide mediante dos parámetros físicos: Insolació, que es la Energía media diaria, expresada en kWh/m² día, y Radiación térmica, que es la potencia instantánea sobre la superficie horizontal, expresada en kW/m².
El calor producido, puede aprovecharse por uso doméstico o bien por la producción de energía mecánica y por lo tanto, producir electricidad. Una de las aplicaciones más tendidos es el que se conoce como agua caliente sanitaria (ACS) que consiste en el aprovechamiento de este calor para calentar un fluido (agua) a temperaturas inferiores a 80ºC.
Componentes de la instalación
Una instalación Solar Térmica está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, bombas, vas de expansión, cañerías y un panel de control principal.
Captadores solares
Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica, en escalfor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planos (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Solo, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, puesto que las superficies oscuras calientan más.
El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación sino que también permite conservar la escalfor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.
Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio eloxat, una junta perimetral libre de siliconas, aislando térmico respetuoso con el medio ambiente de lana de roca, cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y finalmente por tubos soldados ultrasónicos.
Los colectores solares se composen de los siguientes elementos:
- Cubierta: Es transparente, puede ser presente o no. Generalmente es de vidrio a pesar de que también se utilizan de plástico puesto que es menos caro y manejable, pero tiene que ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso tiene que tener una transmitancia solar lo más alta posible.
- Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se tiene que calcular teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si se demasiado estrechado.
- Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las cañerías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción/emisión.
- Tubos o conductas: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación.
- Capa aislante: La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Por qué el aislamiento sea lo mejor posible, el material aislando tendrá que tener una baja conductividad térmica.
Captadores solares de placa plana
El alma del sistema es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conducen el agua fría en paralelo, conectados por bajo por un tubo horizontal a la presa de agua fría y por arriba por otro de similar al regreso.
La parrilla viene apretón de manos en una cubierta, como la descrita más arriba, normalmente con doble vidrio por arriba y aislando por el última.
En algunos modelos, los tubos verticales están soldados a una placa metálica para aprovechar la insolació entre tubo y tubo.
Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio"
En este sistema los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio, encapsulados, de uno con uno, en otro tubo de vidrio entre los cuales se hace el vacío como aislamiento. Las grandes ventajas que presentan estos tipos de captadores son su alto rendimiento y que, en el supuesto de que uno de los tubos se echara a perder, no hay que cambiar todo el panel por uno de nuevo, sino que sólo hay que cambiar el tubo afectado. Por el contrario, como inconveniente tenemos que, en relación con los de placa plana, estos resultan más caros.
Captadores solares de tubos de vacío con "tubos de calor" por cambio de fase
Este sistema aprovecha el cambio de fase de vapor a líquido dentro de cada tubo, para entregar energía a un segundo circuito de líquido de transporte.
Los elementos sueño tubos cerrados, normalmente de cocer, que contienen el líquido que, al calentarse por el solo, hierve y se convierte en vapor que sube a la parte superior donde hay un cabezal más ancho (zona de condensación ), que en la parte exterior está en contacto con líquido transportador, que siendo más frío que el vapor del tubo capta el calor y provoca que el vapor se condense y caiga a la parte baja del tubo para volver a empezar el ciclo.
El líquido del tubo puede ser aïgua que, habiendo reducido la presión haciendo un vacío parcial, tendrá un punto de ebullición bajo para trabajar incluso con la insolació de los ratjos infrarrojos en caso de nube.
El tubo de calor se puede envolver con una chaqueta de materiales especiales para minimizar las pérdidas por irradiación.
El tubo de calor se cierra dentro de otro tubo de vidrio entre los cuales se hace el vacío para aislar. Se suelen emplear tubos de vidrio resistente, para reducir los daños en caso de pequeñas granizadas.
Circuito primario
El circuito primario, es circuito cerrado, transporta el escalfor desde el captador hasta el acumulador (sistema que almacena calor). El líquido calentado (agua o una mezcla de sustancias que puedan transportar la escalfor) trae el calor hasta el acumulador. Un golpe enfriado, devuelve al colector para volverse a calentar, y así sucesivamente.
Intercambiador de calor
El intercambiador de calor calienta el agua de consumo a través del calor captado de la radiación solar. Se sitúa al circuito primario, a su extremo. Tiene forma de serpentí, puesto que así, se consigue aumentar la superficie de contacto y por lo tanto, la eficiencia.
El agua que entra al acumulador, siempre que esté más fría que el serpentí, se calentará. Esta agua, calentada en horas de Solo, nos quedará disponible por el consumo posterior.
Acumulador
El acumulador es un depósito donde se acumula el agua calentada útil por el consumo. Tiene una entrada por el agua fría y una salida por la caliente. La fría entra por bajo del acumulador donde se encuentra con el intercambiador, a medida que se calienta se desplaza hacia arriba, que es desde donde saldrá el agua caliente para el consumo.
Internamente dispone de un sistema para evitar el efecto corrosivo del agua caliente almacenada sobre los materiales. Por fuera tiene una capa de material aislante que evita pérdidas de calor y está cubierto por un material que protege el aislamiento de posibles humedades y golpes.
Circuito secundario
El circuito secundario o de consumo, (circuito abierto), entra agua fría de suministro y por el otro extremo el agua calentada se consume (ducha, lavabo,...). El agua fría pasa por el acumulador primeramente, donde calienta el agua caliente hasta llegar a una cierta temperatura. Las cañerías de agua caliente del exterior, tienen que estar cubiertas por aislantes.
Bombas
Las bombas, en caso de que la instalación sea de circulación forzada, son de tipo recirculación (solo haber dos por circuito), trabajando una la mitad del día, y la pareja, la mitad del tiempo restante. La instalación consta de los relojes que traen el funcionamiento del sistema, hacen el intercambio de las bombas, para que una trabaje las 12 horas primeras y la otra las 12 horas restantes. Si hay dos bombas en funcionamiento, hay la ventaja que en caso de que una deje de funcionar, hay la sustituta, de forma que así no se puede parar el proceso ante el fallo de una de estas. El otro motivo a considerar, es que gracias a este intercambio la bomba no sufre tanto, sino que se la deja descansar, enfriar, y cuando vuelve a estar en buen sido (después de las 12 horas) se vuelve a poner en marcha. Esto ocasiona que las bombas puedan alargar durante más el tiempo de funcionamiento sin tener que hacer ningún tipo de mantenimiento previo.
En total y tal como se define anteriormente, solo haber 4 bombas, dos en cada circuito. Dos al circuito primario que bombegen el agua de los colectores y las otras dos al circuito secundario que bombegen el agua de los acumuladores, en el caso de una instalación de tipo circulación forzada.
Vas de expansión
El vaso de expansión absorbe variaciones de volumen del fluido caloportador, el cual circula por los conductos del captador, manteniendo la presión adecuada y evitando pérdidas de la demasiada del fluido. Es un recipiente con una cámara de gas separada de la de líquidos y con una presión inicial la cual va en función de la altura de la instalación.
El que más se utiliza es con vaso de expansión cerrado con membrana, sin transferencia de demasiado al exterior del circuito.
Cañerías
Las cañerías de la instalación se encuentran recubiertas de un aislante térmico para evitar pérdidas de calor con el entorno.
Panel de control
Se dispone también de un panel principal de control a la instalación, donde se muestran las Temperaturas en cada instante (un regulador térmico), de forma que pueda controlarse el funcionamiento del sistema en cualquier momento. Aparecen también los relojes encargados del intercambio de bombas.
Tipo de instalaciones
Se conocen dos tipos principales de instalaciones solares térmicas, la de circulación natural y de circulación forzada.
Sistema solar térmico de tipo circulación natural o Termosifó
Al incidir la radiación solar al captador, transfiere su energía al fluido contenido en este, que aumenta su temperatura y disminuye así su densidad. Se origina, por lo tanto, una diferencia térmica entre el líquido en el captador y el líquido en el acumulador (situado a mayor altura), iniciándose de forma natural una circulación del fluido caliente en dirección al acumulador. Es decir, este sistema no requiere de bomba de recirculación y generalmente trabaja con la presión de la red. Respecto a los costes operativos es lo más económico, su coste es cero.
Sistema solar térmico de tipo circulación forzada
En este tipo de sistema, la circulación del líquido térmico por el captador y por el resto de circuito se consigue mediante una bomba de circulación con la regulación correspondiente. Esta regulación se consigue siempre a través de un termostato diferencial, mediante el diferencial de temperaturas.
La circulación forzada, en cambio, presenta un pequeño coste operativo producido por el trabajo de la bomba. Sus usos son en cualquier tipo de instalación tanto residencial como industrial, especialmente cuando se requiere grandes volúmenes de agua.
Funcionamiento de la instalación
El proceso tal y cómo se ha descrito anteriormente se lleva a cabo en 2 circuitos independientes, un primario y un secundario. La energía térmica (calor) procedente de los rayos solares llega a los captadores, calentando el fluido que circula por su interior (agua con anticongelante). Esta energía en forma de agua caliente es intercambiada hasta otro circuito donde es acumulada a un depósito acumulador hasta poder ser utilizada como ACS (agua caliente sanitaria).
El fluido que circula por los colectores es agua destilada o desionizada con Etilenglicol o Propilenglicol. Al circuito secundario, el agua fría de entrada al acumulador, es agua de red, por lo tanto, al no ser agua tratada, se tiene que proteger ante la corrosión.
Principios físicos que intervienen en el funcionamiento del captador solar de placa plana
Efecto invernadero
La radiación solar incidente en una placa plana, puede ser parcialmente absorbida por el cuerpo. Aquella que no se absorbe se reflejada o quiniela (quiniela, afecta principalmente a los cuerpos transparentes).
Esta relación, dependen de varios factores, como por ejemplo:
- El estado de la superficie.
- La naturaleza del cuerpo.
- El grueso del cuerpo.
- El tipo de radiación. Longitud de ola.
- El ángulo de incidencia de los rayos solares.
La mayor parte de la radiación solar está comprendida entre 0,3 y 2,4 μm, por eso pasa por un vidrio. Un cuerpo se transparente, sólo para radiaciones con longitud de ola entre 0,3 y 3 μm.
El vidrio de la placa tiene que ser opaco, porque así se calienta al ser impactado por la radiación solar y emite radiaciones comprendidas entre 4,5 y 7,2 μm, esta radiación se absorbida por el absorbedor.
Las calidades que hay que exigir a un material pera usarlo como cubierta de captadores solares:
1. Elevado coeficiente de transmisión de la radiación en la banda de 0,3 a 3μm. 2. Estabilidad en el tiempo (cosa que no pasa con los plásticos). 3. Bajo coeficiente de transmisión del infrarrojo largo. 4. Bajo coeficiente de conductividad térmica. 5. Resistencia a la rotura por golpes. 6. Bajo coeficiente de dilatación. 7. No adherencia de la suciedad
El vidrio, deix pasar las radiaciones de ola corta procedente del solo y paran las emisiones de ola larga procedentes de la placa absorbidora). Hay algunos plásticos que tienen un comportamiento similar al vidrio, como por ejemplo el Policarbonato. El material que se usa habitualmente en captadores solares planes es el vidrio de bajo contenido en hierro pera poder mejorar la transmissivitat.
La cubierta haceel efecto invernadero y minimiza el intercambio de calor por convección entre el interior y el exterior del captador.
Cuerpo negro
El cuerpo negro, se otro principio físico que permite el funcionamiento de un captador solar térmico, una superficie negra y mato, captó mejor la energía que cualquiera otro color. Se por eso, que las superficies oscuras son las mejores como captadores de la energía radiada por el solo.
El absorbedor está formado por una superficie metálica que permite el intercambio de calor con el agua o fluido que queremos calentar. En el absorbedor impacta la radiación que ha atravesado el vidrio de la cubierta.
Para aprovechar al máximo este principio los fabricantes de captadores oscurecen el absorbedor de sus modelos siguiendo principalmente dos técnicas:
- Pinturas calóricas (que resisten las temperaturas de trabajo superiores a los 100ºC).
- Tratamientos selectivos (basados en deposiciones electroquímicas o pinturas con óxidos metálicos que tienen la virtud de, además de ser buenos captadores de la radiación, tener una baja emissivitat).
A nuestras latitudes, la mayoría de los fabricantes optan por la opción de pintar el absorbedor, puesto que el aumento de coste de los tratamientos selectivos no queda compensado por el aumento de rendimiento de los captadores.
Si hagamos pasar agua a través del absorbedor, este va tomando el escalfor captada y llega a una temperatura más baja que la de equilibrio estático. Esta cesión de calor será por conducción.
Aislamiento
El tercero de los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de los captadores es el aislamiento del conjunto respeto el exterior, formado normalmente por un revestimiento interno de la caja contenedor.
Sistema auxiliar o de apoyo
Es aquel sistema que se activa cuando el agua no llega a la temperatura deseada debido a la poca radiación Solar. Este puede ser:
- Un sistema de apoyo integrado al acumulador (resistencia eléctrica).
- Intercambiadores con un sistema de apoyo (como una caldera).
- Calderas de gas conectadas al circuito secundario.
Ventajas y desventajas del proceso
La energía térmica a partir del Sol es la energía más limpia que existe, es decir, no repercute sobre el medio ambiente y además, no requiere ningún tipo de transformaciones ni producciones adicionales.
Presenta muchas ventajas entre los cuales destacan:
- Gran calidad energética.
- No presenta casi impacte ecológico.
- Se considera una fuente inagotable.
- Contribuye a reducir elCO 2.
Por otro lado, con la energía solar se ahorra:
- Combustibles fósiles.
- Emisiones atmosféricas cómo son las de CO2, SONIDO2 y NO2.
- Otros contaminantes como cenizas, compuestos radiactivos, entre otros.
- El uso de instalaciones de transporte y pérdidas energéticas durante este.
En definitiva, la energía solar favorece:
- El autogeneració de la energía.
- La autosuficiencia.
- La calidad de vida.
Respecto a las desventajas de dicha instalación se destacan los siguientes:
- El mayor inconveniente es el impacto visual, es decir en la estética del medio. Pero aún así, los paneles poseen propiedades adaptables que pueden conseguir que estén el más integrados posible al medio que los rodea.
- La energía Solar es intermitente (no está presente por la noche) y las variaciones atmosféricas (lluvia, nubes, nieve, niebla) afectan su rendimiento.
- Otro inconveniente es la inversión inicial que pocas personas se atreven a realizar (a pesar de que ahora ya empieza a ser obligatorio en las instalaciones de nueva construcción). Por eso es necesario brindar la suficiente información para demostrar que la inversión inicial se amortiza a medio plazo, y después genera una zona de ahorro que se alarga el resto de la vida útil de estos sistemas, que va de 15 a 20 años.
Rendimiento de la instalación
Los meses de mayor rendimiento son los meses de verano, puesto que son los mejores a nivel solar (inclinación, orientación). Cuando interesa aumentar el rendimiento en invierno (con perjuicio del rendimiento en verano), se suelen poner inclinaciones por encima del grado de latitud.
El rendimiento de los colectores, se puede calcular con la ecuación siguiente:
η = η0 - [K1×∆T/Y] - [K2×(∆T)²/Y]
Dónde:
η: rendimiento del colector
η0: rendimiento óptico (según fabricando)
K1, K2: coeficientes de pérdida de calor expresados en [W/(m²·K)], [W/(m²·K²)] respectivamente (datos según fabricante)
∆T = (Tª de los colectores después de calentarse [K]) – (Tª ambiente [K])
Y = Irradiación [W/m²]
Mantenimiento de la instalación
La garantía de funcionamiento de este tipo de instalaciones es de tres años. Aún así, un golpe pasados estos tres años, el mantenimiento que hay que hacer es bastante reducido. A continuación se muestra la mesa del mantenimiento necesario que se requiere:
- Limpieza: La superficie de captación requiere que esté limpia.
- Anticorrosió: Las estructuras tienen que traído la protección adecuada ante la corrosión y herrumbre.
- Aislamientos: Vigilar que los elementos de la instalación (cañerías, captadores y acumuladores), tengan los respectivos aislamientos en buen estado.
- Manómetros y termómetros: Ajustar las presiones y temperaturas de los circuitos que se deseen y vigilar que funcionen en buen estado.
- Sobreescalfaments: Asegurar el adecuado funcionamiento de los sistemas porque no hayan sobreescalfaments
Hay que hacer también revisiones generales de la instalación, como son revisiones de las fijaciones de los captadores y otros, hacer un buen mantenimiento de la caldera y controlar todo tipo de pérdidas que pueda haber al circuito de consumo.
Índice de Radiación Solar
No toda la radiación proveniente del Solo puede ser aprovechada, puesto que una buena parte no llega a la superficie terrestre. La radiación que incide por unidad de superficie, es el que se denomina irradiància. Esta, varía según la situación geográfica. Al ecuador, pueden obtenerse valores de 300 W/m², mientras que a los polos, los valores acostumbran a moverse alrededor de los 100 W/m². En cuanto a los valores correspondientes en la franja del territorio Español, estos oscilan entre los 150 y los 200 W/m².
Los valores de radiación solar que incide en Cataluña están publicados al Atlas de Radiación Solar de Cataluña
El índice de radiación solar es un parámetro a tener en cuenta a la hora de plantear la instalación de paneles solares (afecta al rendimiento).
Estadísticas
El hecho de instalar placas solares todavía es un sistema escaso, puesto que las estadísticas realizadas al 2002 muestran que en España existen 282.300 m² de paneles solares térmicos, valor bastante inferior a los 12.844.900 m² totales de Europa.[1]
Todo y con esto, en los últimos años, se ha producido un notable aumento de instalaciones de este tipo, debido a la mayor sensibilidad de la población en general, a la disminución de los costes de estos equipos y a la entrada en vigor del nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE), el cual obliga a las nuevas construcciones a instalar sistemas de aprovechamiento de energía solar térmica.
Enlaces de interés
- Instituto Catalán de la Energía (ICAEN)
- Atlas de Radiación Solar de Cataluña
- Proyecte energía solar térmica
- Portal Solar
- Solar Web
Referencias
- ↑ Energía Solar Térmica en la edificación. José M. Fernández Salgado y Vicente Gallardo Rodríguez. Editorial AMV ediciones. Madrid, 2004
