Los colectores solares térmicos (también conocidos como captadores solares) son dispositivos diseñados para capturar y convertir la energía del sol en calor útil. Esta tecnología es fundamental para aplicaciones que requieren calefacción de agua, calefacción de espacios o procesos industriales.
En comparación con los paneles fotovoltaicos, que convierten la luz solar directamente en electricidad, los colectores solares térmicos están especializados en la producción de calor. Su eficacia y aplicaciones diversas los han convertido en una opción popular para mejorar la eficiencia energética y reducir la dependencia de combustibles fósiles.
Existen muchos tipos de instalaciones de energía solar térmica dependiendo del objetivo para el que estén diseñadas. Algunos usos habituales de los colectores solares son:
- Sistemas de calefacción.
- Calentamiento del agua de la piscina.
- Agua caliente sanitaria (ACS)
- Producción de electricidad en las grandes centrales térmicas solares.
Principio de funcionamiento
Los colectores solares térmicos funcionan basándose en el principio de absorción de energía solar. A pesar de existir diferentes tipos de captadores solares, como veremos más adelante, el principio de funcionamiento es similar en todos ellos.
En primer lugar, la radiación solar incide sobre una superficie absorbente que convierte la energía radiante en energía térmica. Esta energía térmica se transfiere a un fluido de transferencia (generalmente agua o una mezcla de agua y anticongelante) que circula a través del colector.
Finalmente, el fluido caliente luego se utiliza de forma distinta dependiendo de la aplicación en que se utiliza o se almacena para su uso posterior.
Tipos de colectores solares térmicos
De colectores solares hay muchos tipos. El colector solar empleado va a depender de la utilización que se le va a dar. Actualmente, en el mercado de la energía solar podemos diferenciar los siguientes tipos de colectores solares:
Colectores solares planos (o de placa plana)
Los colectores solares planos son el tipo más común y se utilizan principalmente para calentar agua para uso doméstico, piscinas y aplicaciones industriales.
Este tipo de captadores captan la radiación solar recibida en una superficie para calentar un fluido. A menudo se utiliza el efecto invernadero para reducir las pérdidas de calor.
El alma de este tipo de colector solar de placa plana es un conjunto de tubos metálicos orientados verticalmente que conducen el agua fría en paralelo. Estos tubos están conectados por abajo por un tubo horizontal a la toma de agua fría y otro tubo similar a la salida por la parte de arriba.
El conjunto de tubos está encajado por una cubierta por la parte de arriba que normalmente es de doble vidrio, y por la parte de abajo por un material aislante.
Características principales
- Diseño simple: La construcción de colectores solares planos es relativamente sencilla, lo que contribuye a su bajo costo en comparación con otros tipos de colectores.
- Eficiencia en climas moderados: Son más eficientes en climas cálidos y moderados donde las pérdidas térmicas son menores. En climas fríos, pueden perder más calor, lo que puede reducir su eficiencia.
- Aplicaciones comunes: Se utilizan comúnmente en sistemas de calefacción de agua para viviendas y piscinas, así como en aplicaciones comerciales e industriales.
Funcionamiento de un colector plano
En un colector solar plano, la placa absorbente está expuesta al sol y se calienta al absorber la radiación solar. El fluido de transferencia de calor, que circula a través de los tubos situados en la parte posterior de la placa, absorbe el calor de la placa.
El fluido caliente se transporta al sistema de almacenamiento para poder ser utilizado cuando se requiera para calentar agua o aire.
Colectores de tubos de vacío
Un colector solar de tubos de vacío es parecido a un colector solar de placa plana pero los tubos metálicos se sustituyen por tubos de vidrio. Estos tubos de vidrio están encapsulados, de uno con uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Cada tubo contiene un tubo absorbente interno que está en contacto con el fluido de transferencia de calor.
Este tipo de paneles solares térmicos tienen un rendimiento más alto pero su costo es más elevado.
Características principales
- Alta eficiencia: Los colectores de tubo de vacío son más eficientes que los colectores planos, especialmente en climas fríos y nublados. El vacío entre los tubos de vidrio proporciona un excelente aislamiento térmico, reduciendo las pérdidas de calor.
- Mayor rendimiento en condiciones climáticas adversas: Su diseño permite mantener una alta eficiencia incluso en días fríos y nublados, ya que el vacío entre los tubos actúa como una barrera contra las pérdidas de calor.
- Aplicaciones especiales: Se utilizan en aplicaciones que requieren un alto rendimiento en condiciones meteorológicas adversas, como calefacción de agua en regiones frías o para procesos industriales que requieren temperaturas elevadas.
Funcionamiento de un captador de tubo de vacío
En los colectores de tubo de vacío, la radiación solar incide sobre los tubos de vidrio, calentando el tubo absorbente interno. El fluido de transferencia de calor circula dentro del tubo absorbente, donde recoge el calor y lo transporta al sistema de almacenamiento.
La característica que los hace especiales es que el vacío entre los tubos de vidrio minimiza las pérdidas de calor hacia el entorno y por esto son más eficientes.
Colectores de aire
Los colectores de aire son un tipo menos común de colector solar térmico que calienta aire en lugar de agua. Estos captadores están diseñados para aplicaciones de calefacción de espacios y secado de productos agrícolas.
Características principales
- Diseño simple: Los captadores de aire suelen tener una construcción más simple que los colectores de agua mencionados anteriormente, ya que no requieren un sistema de tubos de transferencia de calor.
- Uso en calefacción de espacios: Son adecuados para calefacción de espacios, como invernaderos o edificios, y también para procesos de secado donde se necesita aire caliente.
- Coste inferior: Generalmente, tienen un costo inferior a los colectores tradicionales de agua debido a su diseño más simple y menor complejidad.
Funcionamiento
En un colector de aire, la radiación solar calienta el aire que circula a través del colector. El aire caliente se recoge y se utiliza para calentar un espacio o para aplicaciones industriales. Estos colectores suelen ser de tipo plano o de tubo de vacío, pero con adaptaciones específicas para el flujo de aire en lugar de fluido líquido.
Colectores híbridos (fotovoltaico-térmicos o PVT)
Los colectores híbridos combinan tecnologías solares fotovoltaicas y térmicas, permitiendo la generación simultánea de electricidad y calor. Estos sistemas están diseñados para mejorar la eficiencia global de la recolección de energía solar al aprovechar ambos tipos de energía.
Características generales
- Generación dual de energía: Los colectores PVT producen tanto electricidad como calor, lo que puede ser más eficiente en términos de uso del espacio y recursos.
- Diversidad de aplicaciones: Son adecuados para usos residenciales y comerciales donde se requiere tanto calefacción como generación de electricidad, como en sistemas de calefacción de agua y generación de energía para el hogar.
- Costo y complejidad: Tienen un costo inicial más alto y una mayor complejidad en comparación con los colectores solares térmicos o fotovoltaicos individuales.
Funcionamiento
Los colectores híbridos combinan paneles fotovoltaicos con una placa absorbente para la generación de calor. La radiación solar se convierte en electricidad mediante células fotovoltaicas y en calor a través de la placa absorbente.
Por un lado, el calor producido se transfiere a un sistema de almacenamiento, mientras que la electricidad se puede utilizar directamente o almacenar en baterías.
Colectores solares de concentración
Este tipo de colectores captan la radiación recibida en una superficie relativamente grande ya la concentran mediante espejos planos en una superficie más pequeña.
Aunque los colectores de concentración tienen características y aplicaciones diferentes en comparación con los colectores planos y de tubo de vacío, siguen siendo una forma de colectores solares térmicos ya que todos ellos tienen el objetivo común de convertir la energía solar en calor.
La función de un colector solar de concentración es focalizar toda la energía solar recibida en una superficie en un punto para obtener altas temperaturas. Esta técnica se utiliza en las instalaciones solares de alta y muy alta temperatura.
Habitualmente este tipo de colectores solares se utilizan para generar vapor de agua a muy alta presión y generar energía eléctrica como en una central térmica convencional.
De concentradores solares hay varios tipos que describimos a continuación:
Colectores parabólicos cilíndricos
Los colectores parabólicos cilíndricos utilizan espejos con forma de paraboloide cilíndrico para concentrar la luz solar en un tubo receptor ubicado a lo largo del eje del espejo. La luz solar reflejada calienta un fluido térmico dentro del tubo, que luego se utiliza para generar vapor y producir electricidad en una planta de energía solar.
Este tipo de colector es altamente eficiente en la conversión de energía solar en calor y se emplea en aplicaciones industriales y en instalaciones de generación de electricidad a gran escala.
Colectores de torre central
Los colectores de torre central constan de una torre rodeada por un campo de espejos (heliostatos) que siguen el movimiento del sol para reflejar la luz solar hacia un receptor ubicado en la cima de la torre. El receptor capta la luz concentrada y la convierte en calor, que puede utilizarse para generar vapor y producir electricidad.
Este tipo de colector es ideal para grandes plantas de energía solar, ya que puede alcanzar temperaturas extremadamente altas y ofrece una alta eficiencia en la generación de energía.
Concentradores fresnel lineales
Los concentradores Fresnel lineales emplean una serie de espejos planos o ligeramente curvados para concentrar la luz solar en un receptor lineal fijo. La concentración de luz calienta un fluido térmico que circula a lo largo del receptor, y este calor se utiliza para generar vapor o electricidad.
Estos colectores son más económicos que los parabólicos cilíndricos y son adecuados para aplicaciones de escala media, ofreciendo un buen balance entre coste y eficiencia en áreas con alta irradiación solar.
Ventajas y desventajas de los captadores solares térmicos
Ventajas
- Reducción de costos energéticos: Los colectores solares térmicos pueden reducir significativamente los costos de energía al aprovechar la energía solar gratuita.
- Sostenibilidad ambiental: Contribuyen a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y al uso de fuentes de energía renovable.
- Diversidad de aplicaciones: Son versátiles y pueden ser utilizados en una amplia gama de aplicaciones, desde calefacción doméstica hasta procesos industriales.
- Bajo mantenimiento: Generalmente requieren poco mantenimiento y tienen una vida útil prolongada.
Desventajas
- Costo inicial: El costo inicial de instalación de colectores solares térmicos puede ser alto, aunque a menudo se recupera a lo largo del tiempo mediante el ahorro en costos de energía.
- Dependencia del clima: La eficiencia de los colectores solares térmicos depende de la disponibilidad de luz solar, lo que puede limitar su eficacia en regiones nubladas o durante el invierno.
- Espacio requerido: Los sistemas de colectores solares térmicos requieren una superficie adecuada para la instalación, lo que puede ser una limitación en áreas con espacio limitado.
- Almacenamiento de calor: Es necesario un sistema de almacenamiento para utilizar el calor cuando no hay sol, lo que puede aumentar el costo y la complejidad del sistema.
Ahorro energético
El uso de colectores solares térmicos en una vivienda normal puede generar un ahorro energético significativo en comparación con una vivienda que no los utiliza. Los colectores solares térmicos, al aprovechar la energía del sol para calentar agua, reducirían considerablemente la necesidad de utilizar sistemas tradicionales de calefacción de agua, que suelen depender de electricidad o combustibles fósiles.
Un estudio de la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA) indica que los sistemas de colectores solares térmicos pueden cubrir entre el 50% y el 80% de las necesidades de agua caliente sanitaria en una vivienda típica dependiendo de la ubicación geográfica y la eficiencia del sistema .
Por otro lado, según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), los sistemas solares térmicos pueden reducir entre un 50% y un 70% los costos de calefacción de agua. En Europa, un hogar típico podría ahorrar aproximadamente entre 200 y 280 euros anuales en una factura promedio de 400 euros al año dedicada a la calefacción de agua .
Por todo ello, se calcula que la inversión inicial en sistemas de colectores solares térmicos puede recuperarse en un período de 5 a 10 años gracias a los ahorros energéticos acumulados, dependiendo de los incentivos locales y el costo de los combustibles tradicionales.
Futuro y desarrollo
La tecnología de los colectores solares térmicos sigue evolucionando, con avances en materiales, diseño y eficiencia.
Actualmente, la investigación se centra en mejorar la eficiencia de los colectores solares térmicos mediante nuevos materiales absorbentes y técnicas de aislamiento.
Por otra parte, los sistemas híbridos que combinan tecnologías fotovoltaicas y térmicas están ganando popularidad, ofreciendo una mayor eficiencia y versatilidad.
Por lo que se refiere a los costos, la reducción de costos de fabricación y la adopción de nuevas tecnologías pueden hacer que los colectores solares térmicos sean más accesibles para una gama más amplia de aplicaciones.