Instalación de energía solar térmica

Planta de energia solar
Termoeléctrica

Captadores solares térmicos

El captador es el componente de una instalación solar térmica, encargado de capturar la energía del Sol y transforma en calor.

El tipo de utilización condicionará el captador empleado; por ejemplo, si queremos calentar una piscina hasta una temperatura de 25-28ºC, en primavera, necesitamos un captador simple, ya que fácilmente la temperatura ambiente será de este orden o incluso superior. Por otra parte, si queremos calentar un fluido hasta temperaturas de 200ºC necesitaremos captadores que concentren la radiación y la transfieran a un volumen pequeño de fluido.

Actualmente, podemos diferenciar entre los principales tipos de captadores siguientes en el mercado:

  • Los captadores planos o de placa plana.
  • Los captadores de concentración de la radiación: de cilindro parabólico CPC, que incorporan reflectores concentradores.
  • Los de tubo de vacío.

En las aplicaciones solares a baja temperatura, es decir, a temperaturas inferiores a 80ºC, como por ejemplo la climatización de piscinas, la producción de agua caliente sanitaria o, incluso, para suministrar calefacción, se utilizan mayoritariamente captadores de placa plana, con o sin cubierta vidriada, en función de la aplicación.

Especificaciones de los captadores solares

Los captadores solares, como núcleo de las instalaciones solares térmicas, deben cumplir unos requisitos mínimos de calidad. Estas prestaciones son certificadas por algún laboratorio acreditado y deben seguir un protocolo de ensayo definido.

La información técnica que hay que conocer sobre un captador solar es la siguiente:

  • Curvas de rendimiento instantáneo realizadas por un laboratorio acreditado.
  • Superficie útil de captación.
  • Peso
  • Instrucciones de transporte y manipulación del captador.
  • Capacidad y tipo de líquido caloportador recomendado por el fabricante.
  • Caudales recomendados y pérdidas de carga.
  • Presión máxima de servicio y presión de prueba.
  • Materiales de constitución del absorbedor y del circuito del líquido.
  • Materiales de constitución de la cubierta y de la caja.
  • Sistema de sellado.
  • Tipos y espesores del aislamiento.
  • Temperatura de estancamiento.
  • Requisitos para el mantenimiento.

Principios físicos del funcionamiento del captador solar plano

El captador solar funciona a partir de la aplicación de los principios físicos siguientes:

El cuerpo negro (el absorbedor)

La radiación solar incidente es parcialmente absorbida por los cuerpos. El resto es reflejada o los atraviesa.

La relación entre estos efectos depende de:

  • La naturaleza del cuerpo.
  • El estado de la superficie.
  • El grueso del cuerpo.
  • El tipo de radiación. La longitud de onda.
  • El ángulo de incidencia de los rayos solares.

Los cuerpos oscuros y mates captan mejor la radiación solar que cualquier otro color; por eso el absorbedor del captador solar suele ser de colores oscuros, para aprovechar al máximo laradiación solar.

El efecto invernadero

Este efecto se genera en algunos cuerpos transparentes, que normalmente sólo son atravesados ​​por radiaciones con longitud de onda entre 0,3 y 3 micras. Dado que la mayor parte de la radiación solar está comprendida entre 0,3 y 2,4 micras, la luz solar puede atravesar un vidrio. Una vez atravesado, la radiación encuentra el absorbedor, que se calienta por la radiación solar y emite radiaciones comprendidas entre los 4,5 y 7,2 micras para las que el vidrio es opaco.

Esta radiación que no puede salir es reflejada hacia el interior de nuevo. Una parte de esta energía calienta el vidrio y el cristal la remite hacia dentro y hacia fuera.

Algunos plásticos (como el policarbonato) tienen un comportamiento similar al vidrio (dejan pasar las radiaciones de onda corta procedente del Sol y detienen las emisiones de onda larga que proceden de la placa absorbedora).

El aislamiento

El tercero de los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de los captadores es el aislamiento del conjunto respecto del exterior, formado normalmente por un revestimiento interno de la caja contenedor.

Componentes de un captador solar plano

El captador solar plano con cubierta vidriada es el más empleado para instalaciones de producción de agua caliente sanitaria. Este equipo está formado por los elementos siguiente:

Absorbedor

Es el elemento que intercepta la radiación solar en el interior del captador y es el encargado de transformar la energía solar en energía térmica.

El absorbedor está formado, habitualmente, por una lámina metálica, normalmente de cobre (buen conductor térmico) que se oscurece básicamente con:

1. Una fina película de pintura negra calórica, que resiste temperaturas de trabajo superiores a los 100ºC.

2. Un tratamiento selectivo, basado en deposiciones electroquímicas o pinturas con óxidos metálicos que tienen una alta absorción de la radiación solar (onda corta) y una baja emisividad del calor (onda larga).

El absorbedor incorpora una parrilla de conducciones por donde circulará el fluido caloportador.

Cubierta transparente

Tiene la función de aislar el captador de las condiciones ambientales exteriores -aunque deja pasar la radiación solar - que provocan el efecto invernadero. Normalmente está formada por una sola lámina de vidrio templado (resistente) con bajo contenido en hierro (muy transparente) de 4 mm de espesor aproximadamente.

Aislamiento

Este elemento, tal como ocurre en el resto de aplicaciones, cumple la función de evitar las pérdidas de calor del interior del captador -concretamente del absorbidor- hacia el exterior y está formado normalmente por planchas de espumas sintéticas (poliuretano, cianurados, fibra de vidrio, etc.) ubicadas a los lados y en la parte posterior del captador.

Carcasa

La carcasa tiene la función de alojar el resto de componentes. Este cierre normalmente está formado por un perfilado de aluminio anodizado que garantizará una resistencia del conjunto, incluso, en las condiciones extremas de trabajo. Asimismo, la carcasa, dispondrá de unas perforaciones de desagüe de condensados, en la parte inferior.

Captadores solares planos

El captador solar de placa plana tiene una buena relación coste / efectividad en climas moderados y se adapta correctamente a un gran número de aplicaciones (el calentamiento de agua sanitaria, la climatización de piscinas, el apoyo a calefacción, el precalentamiento fluidos industriales, etc.).

Podemos distinguir dos tipos básicos de captadores de placa plana, en función de la configuración del absorbedor: el paralelo de "tipo parrilla", en las versiones vertical y horizontal y la serie de "tipo serpentín". Básicamente, la diferencia que hay entre ambos es:

  • La configuración en paralelo favorece que se pueda estratificar la temperatura del captador con mayor volumen de circulación del agua por las ramificaciones del interior del captador y obtener un salto térmico de aproximadamente 10ºC con un buen rendimiento.
  • La configuración en serie está compuesta por un único circuito continuo con poco volumen de agua de circulación y un salto térmico superior, con un buen rendimiento.

Funcionamiento del captador solar plano

El funcionamiento de un captador es muy básico. De hecho, cualquier cuerpo expuesto al Solrecibe un flujo energético que la calienta y, por tanto, hace que aumente la temperatura.

Un cuerpo a una temperatura dada emite energía a su alrededor, en forma de radiación, y ésta depende directamente de la diferencia de temperaturas entre la temperatura del cuerpo y la temperatura ambiente.

Si refrigeramos el captador haciéndole pasar un fluido por el interior, se aprovecha este calor, con lo que se consigue que una parte de la energía captada se transmita hacia este fluido como energía útil. El resto de energía se sigue perdiendo en forma de radiación desde el captador hacia el ambiente exterior. En este caso, la temperatura de trabajo es siempre inferior a la de equilibrio.

Si queremos obtener un buen rendimiento, hay que trabajar los captadores a la temperatura más baja posible, siempre que sea suficiente para el uso que se quiera dar.

La energía aprovechada se saca del captador mediante el fluido caloportador, generalmente formado por una mezcla de agua con anticongelante e inhibidores de la corrosión.

Otros tipos de captadores solares térmicos

Captadores planos sin cubierta

Tal como su nombre indica, los captadores sin cubierta constan básicamente del elemento absorbedor, formado generalmente por un conjunto de tubos de material plástico, EPDM, caucho o polipropileno.

Este tipo de captadores solares son muy económicos y fáciles de instalar ya que habitualmente presentan configuraciones flexibles que permiten colocarlos sobre cualquier superficie.Además, son resistentes a la corrosión y permiten configuraciones de calentamiento directo como en el caso del calentamiento de piscinas.

En contrapartida, los captadores sin cubierta con absorbedor sintético suelen tener curvas de rendimiento muy inclinadas ya que, al no tener vidrio tienen muy buen comportamiento óptico pero, en cambio, pierden rápidamente su rendimiento cuando la temperatura ambiente está por debajo de la temperatura de trabajo o con una velocidad de viento elevada.

Por ello, este tipo de captadores, sólo son aconsejables en aplicaciones a baja temperatura en que la temperatura de trabajo esté próxima a la temperatura ambiente como, por ejemplo, para alargar la temporada de baño en piscinas descubiertas. Una variable de este tipo de captadores sin cubierta son los captadores de plancha metálica embutida y decalada, diseñados específicamente para aplicaciones en circuito cerrado.

Esta variante presenta un mejor rendimiento térmico del captador y permite usarlo para producir agua caliente sanitaria u otras aplicaciones de baja temperatura. Otro ejemplo de este tipo de captador disponible en nuestro mercado, consiste en una cubierta multifuncional que combina las cualidades de una cubierta metálica de acero inoxidable sin mantenimiento con la eficiencia de un captador solar de superficie selectiva.

Captadores solares de cilindro parabólico

Los sistemas solares de concentración están diseñados especialmente para obtener altas temperaturas. Su principio de funcionamiento se basa en la proyección de toda la radiación incidente de una superficie reflectante sobre un punto concreto.

Hasta hace poco, la utilización de sistemas solares térmicos de concentración CCP estaba restringida al campo de la investigación, la industria o la generación de electricidad, ya que esta tecnología requería sistemas complejos de seguimiento y grandes superficies para ubicarlos.

En el ámbito doméstico, no era justificable instalar captadores con estos requisitos para alcanzar temperaturas altas de más de 200ºC.

Pero actualmente disponemos, en el mercado, de captadores de concentración "de cilindro parabólico compactos" (CPC) que presentan un formato y unas dimensiones similares a las de los captadores planos.

Los captadores están formados por unas conducciones con un revestimiento selectivo que recorren longitudinalmente el captador y que actúan de absorbedor.

Estas conducciones reciben la radiación solar reflejada por las paredes curvas que las rodean, logrando así una cantidad de energía superior por unidad de superficie de absorbedor (W / m2).

El resultado de todo ello es un captador capaz de generar temperaturas altas hasta 200ºC con niveles estándares de radiación.

Por lo tanto, este tipo de captadores sirven, tanto para producir agua caliente sanitaria como de apoyo de calefacción o para alimentar equipos de frío por adsorción o absorción.

Captadores solares de tubos de vacío

Este captador consta de un conjunto de tubos cilíndricos, formados por un absorbedor selectivo, situado sobre un asentamiento reflector y rodeado de un cilindro de vidrio transparente.

Entre el tubo exterior transparente y el absorbedor interior se ha hecho el vacío. Con ello, se evita las pérdidas por conducción y por convección desde la superficie absorbente y este hecho permite alcanzar temperaturas de más de 100ºC y aprovechar mucho más la radiación solar.

Actualmente, hay dos tipos de estos captadores, con técnicas bastante diferenciadas en cuanto a la transmisión del calor desde el tubo de vacío hasta el circuito primario.

Por una parte, los captadores de vacío con fluido directo, disponen de un captador principal del circuito primario en la parte superior del captador; cada tubo se conecta con este captador mediante un circuito de ida y otro de regreso. Por este circuito se hace circular el fluido del circuito primario que se calentará durante el recorrido.

Los circuitos interiores de los tubos presentan dos configuraciones básicas: el circuito concéntrico o circuito separado.

La otra tendencia de transmisión de calor en los tubos de vacío se llama heat pipe.

En este sistema, como en el caso anterior, los captadores disponen de un captador principal del circuito primario en la parte superior pero, en este caso, el tubo de vacío dispone de un tubo de cobre central sellado y lleno de una mezcla alcohólica.

Se conecta este tubo en el absorbedor del captador solar mediante una pipeta condensadora, que hará la función de elemento transmisor del calor hacia el circuito primario.

La radiación solar hace calentar el absorbedor y evapora la mezcla alcohólica de su interior, que sube hasta el condensador situado en el captador.

En este punto, cederá el calor en el circuito primario y se condensa la mezcla alcohólica que volverá a la parte inferior del captador por su propio peso.

Una de las características específicas de este tipo de captadores es la posibilidad, según el modelo, de inclinarse individualmente cada tubo. Esta característica es muy útil en las ubicaciones que, por requisitos del edificio, sea necesario montar los captadores desorientados del sur.

Conexión de captadores solares térmicos

A la hora de definir y montar el campo solar, hay que tener en cuenta que se debe hacer una distribución de los captadores en grupos.

Estas agrupaciones de captadores deberían estar siempre formadas por unidades del mismo modelo y con una distribución lo más uniforme posible.

Hay dos opciones o tipologías básicas para agrupar dos o más captadores:

De tipo serie o paralelo. Además, se puede configurar un campo de captación combinando las dos agrupaciones, que es lo que llamamos agrupaciones o circuitos mixtos.

Conexión en serie

En la conexión en serie, la salida del primer captador se conecta directamente con la entrada del siguiente, y así consecutivamente. La temperatura del fluido de entrada a cada captador es superior a la del captador precedente, por lo que a la salida de un grupo de captadores podemos obtener temperaturas más altas que si trabajáramos con el salto térmico de un solo captador.

Este tipo de conexión tiene el inconveniente de que el rendimiento de los captadores va disminuyendo proporcionalmente con el aumento de la temperatura de trabajo; por tanto, esta tipología de conexión, únicamente se utiliza en aplicaciones muy particulares, y con un máximo de 6 a 10 m2 de captadores conectados en serie, según la zona climática.

En cuanto al comportamiento hidráulico de esta configuración, el caudal total del grupo de captadores será el equivalente al caudal de un solo captador y, por el contrario, la pérdida de carga provocada por el grupo será el equivalente a la suma de la pérdida de carga de todos los captadores.

Conexión en paralelo

En la conexión en paralelo, tanto la salida como la entrada de los captadores están conectadas a puntos de entrada y salida comunes al resto de captadores.

Con esta configuración, la temperatura del fluido de entrada es la misma en todos los captadores y pasa lo mismo con las temperaturas de salida, de forma que a la salida de la batería o el grupo de captadores obtenemos la temperatura como si trabajáramos con el salto térmico de un solo captador.

Por lo tanto, todos los captadores trabajan en el mismo punto de la curva de rendimiento. Esta conexión es la más habitual en las instalaciones solares térmicas de baja temperatura.

Hidráulicamente, esta configuración nos presenta un caudal total del grupo, que equivale a la suma de los caudales parciales de cada captador, mientras que la pérdida de carga del grupo, será el equivalente a la de un solo captador.

A partir de los esquemas reproducidos en las figuras se pueden apreciar las diferencias básicas en la conexión de los captadores que integran una batería.

Conexión mixta de captadores

En algunas ocasiones, el volumen de los captadores y / o la necesidad de temperaturas más elevadas da como resultado instalaciones que combinan la disposición en serie y en paralelo.A esta tipología la llamamos mixta.

Equilibrado del campo de captación

Básicamente, hay dos metodologías para conseguir equilibrar el caudal de fluido caloportador en un campo de captadores:

  1. Igualando la longitud de los circuitos. Esto se consigue con el que se denomina retorno invertido. Es decir, igualar la longitud de tuberías de conexión de todos los captadores para que el fluido tenga la misma pérdida de carga.
  2. Insertando pérdidas de carga mediante la disposición de válvulas de equilibrado a la entrada de las baterías de captadores. Así, a menor longitud de circuito aplica más pérdida de carga con la válvula correspondiente.

Elementos de conexión de los captadores

El campo de captadores solares térmicos son, por definición, un circuito hidráulico que transmite el calor recibida del Sol en el fluido caloportador. Un aspecto importante en las instalaciones son los sistemas de conexión entre los diversos captadores, el campo solar y las tuberías que transportan y distribuyen el fluido caloportador hasta el punto de consumo o de intercambio de calor.

Las conexiones entre captadores dependen en gran medida del fabricante, ya que en el mercado hay una gran variedad de acabados y de terminales de conexión entre captadores.

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Última revisión: 28 de septiembre de 2015