El captador solar térmico está constituido por distintos elementos:
- un acristalamiento que transmite la radiación solar al colector e impide el que el calor salga del colector (es el fenómeno del efecto invernadero)
- un recubrimiento selectivo llamado absorbente que va a recoger la radiación solar y convertirla en calor
- tubos revestidos de cobre en contacto con colector en los cuales circula un fluido termoportador que se recalienta
- un aislamiento en parte inferior para evitar las pérdidas térmicas por esa parte del colector
El captador solar térmico es el encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía térmica, de manera que se calienta el fluido de trabajo que ellos contienen.
Toda la energía que incide sobre el captador solar no puede ser considerada como energía útil, de manera que al mismo tiempo que se produce el calentamiento del fluido de trabajo, una parte de esta energía se pierde por conducción, convección y radiación, generándose un balance energético entre la energía incidente (en forma de radiación solar) y las pérdidas térmicas, obteniendo como resultado una potencia útil del colector solar.
Estas pérdidas de calor crecen con la temperatura del fluido de trabajo, hasta que llega un momento de equilibrio en el que se cumple que la energía captada es igual a las pérdidas, alcanzándose en ese momento la temperatura de estancamiento del colector. En la mayoría de los colectores esta temperatura de estancamiento o de equilibrio se alcanza a unos 150 – 200 ºC.
Con todo ello y teniendo en cuenta la ecuación de la curva que define el rendimiento de un colector solar se deduce que nos interesa hacer trabajar el colector a la temperatura más baja posible, siempre que ésta sea suficiente para la utilización específica en cada caso.
Colectores solares
Los colectores solares son el corazón de cualquier sistema de utilización de la energía solar: absorbe la luz solar y la transforma en calor. Los criterios básicos para seleccionarlo son:
- Productividad energética a la temperatura de trabajo y coste
- Durabilidad y calidad
- Posibilidades de integración arquitectónica
- Fabricación y reciclado no contaminante.
Los sistemas con colectores solares de placa plana son los más utilizados, seguidos por los tubos de vacío (ver Fig. 5). Los colectores de tubos de vacío se distinguen de los colectores planos por sus menores pérdidas térmicas – mayor rendimiento- al encerrarse el absorbente solar en una cápsula de vidrio de la que se extrae el aire y sus mayores posibilidades de integración arquitectónica.
La diferencia de productividad energética entre los diferentes tipos de colectores planos viene dada por las diferencias en las propiedades ópticas de los recubrimientos de sus absorbentes y por las características y espesores de los aislamientos térmicos. Las diferencias en durabilidad y calidad surgen de los materiales empleados y, en especial, de la junta de estanqueidad que une la cubierta de vidrio del colector con el marco y de la resistencia del material de aislamiento térmico al apelmazamiento por las condensaciones internas del colector.
Al igual que ocurre con las calderas, la utilización de colectores más eficientes tiene una influencia mucho más significativa en la productividad anual que la que se puede deducir de la comparación directa de los rendimientos instantáneos ( relación entre el calor extraído del colector en un momento dado y la radiación solar disponible en ese momento). Además, se pueden encontrar reducciones significativas en los costes del resto de los elementos del sistema solar ya que para un mismo aporte solar hacen falta instalar menos m2 de colectores y se puede trabajar a temperaturas mas altas sin repercusión en el rendimiento (bombas, tuberías, almacenamiento, intercambiadores,… más pequeños).
Desde el punto de vista de la integración arquitectónica, una ventaja que tienen los colectores de vacío de absorbente plano es que permiten una mayor flexibilidad de montaje. Así, los tubos de vacío con absorbente plano se pueden instalar en una superficie horizontal o vertical y girar los tubos para que su absorbente esté a la inclinación adecuada.
Subsistema de Acumulación
El subsistema de acumulación en instalaciones domésticas unifamiliares, estará constituido por un acumulador que almacena el agua caliente hasta que se precise su uso, no obstante en otras aplicaciones de la energía solar térmica, el almacenamiento de energía se puede realizar directamente en el fluido de trabajo, por ejemplo procesos industriales continuos. Los acumuladores normalmente utilizados en instalaciones domésticas están estandarizados, por lo que sus volúmenes se comprenden entre 150 – 500 litros, siendo los más usuales los de 300 litros.
El sol es una fuente de energía que no podemos controlar, su producción nos llega de forma continuada durante una media de 12 horas al día, a razón de 1400-1800 Kwh./m2 año, lo que equivale a que por cada m2 recibimos la energía obtenida de quemar unos 165-200 L de gasóleo; esto es, con la energía solar que llega en 5m2 podríamos suplir las necesidades térmicas anuales para acondicionar una casa de 100m2.
Pero esta energía no nos llega en el preciso momento en que la necesitamos, sino repartida durante todas las horas de sol. Opuesta a esta producción nos encontramos con los perfiles de consumo de las instalaciones, que variarán en función de su uso.
Por ejemplo, en las instalaciones de ACS en viviendas tendremos dos-tres picos de consumo al día.
Para conseguir acoplar la producción del sistema solar con el consumo de la instalación siempre nos hará falta una acumulación de energía solar. Esta acumulación tendrá mayor o menor volumen en función de dos factores principales:
- En nivel de cobertura con energía solar de la demanda de la instalación.
- El perfil de consumo de la instalación.
La Calefacción Solar de Agua Individual
La Calefacción Solar de Agua Individual es un sistema que permite producir su agua caliente con colectores solares. El sol no podrá cubrir la totalidad de las necesidades sino una parte bastante importante, entre 50 y un 80% de las necesidades anuales.Se necesita una energía de suplementaria que proporciona el complemento.
Según el principio de funcionamiento, el fluido termoportador que llega del colector calienta el acumulador de agua caliente a través de un intercambiador. El suplemento se hace al nivel del acumulador por medio de una resistencia eléctrica, o por un segundo intercambiador conectado a una caldera.
Un sistema solar está constituido por el colector solar (subsistema de captación), el subsistema de almacenamiento, el de transporte de energía (tuberías, bombas, intercambiadores) y el de utilización o consumidor de la energía solar captada. En su diseño hay que tener en cuenta que, tan importante como la correcta selección de los elementos integrantes de cada subsistema, es la correcta integración de todos ellos en el sistema y la selección de las estrategias de regulación, control y operación.
