Instalación de energía solar térmica

Planta de energia solar
Termoeléctrica

Colector solar térmico

Colector solar térmico

Un colector solar térmico, también conocido como captador solar térmico, es un componente de una instalación solar térmica. Un colector solar es un tipo de panel solar encargado de capturar la radiación solar y transformarla en energía térmica. Por este motivo, a esta fuente de energía renovable se le llama energía solar térmica.

El objetivo de este tipo de panel solar es de realizar una transformación energética: la irradiación solar que experimentan los módulos solares se transforma en energía térmica. En algunos tipos de instalaciones solares térmicas se utiliza este calor para generar vapor, y obtener electricidad, pero no es la función del colector solar. Por otro lado, los paneles fotovoltaicos tienen la capacidad de generar electricidad directamente en forma de corriente continua. Los paneles fotovoltaicos son un elemento indispensable de las instalaciones de energía solar fotovoltaica.

Desde el punto de vista físico los captadores solares térmicos utilizan la termodinámica para realizar las transformaciones energéticas.  Contrariamente, los paneles fotovoltaicos no utilizan las leyes de la termodinámica para convertir la energía solar, sino que se trata de un proceso eléctrico.

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. Por ejemplo, si queremos calentar una piscina hasta una temperatura de 25-28 grados Celsius, en primavera, necesitamos un captador solar 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 colectores solares de concentración para que concentren la radiación solar y la transfieran a un volumen pequeño de fluido.

Actualmente, en el mercado de la energía solar podemos diferenciar los siguientes tipos de colectores solares térmicos:

En las aplicaciones solares a baja temperatura se utilizan mayoritariamente captadores solares térmicos de placa plana. Se considera que una aplicación solar se realiza a baja temperatura cuando la temperatura del fluido de trabajo es inferior a 80ºC; como por ejemplo la climatización de piscinas, la producción de agua caliente sanitaria o, incluso, para suministrar calefacción. Estas placas planas utilizadas pueden llevar sin cubierta vidriada o no dependiendo de la aplicación.

Colectores solares de placa plana

colector solar de placa planaEl alma de un colector solar de placa plana es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conducen el agua fría en paralelo, conectados por abajo por un tubo horizontal a la toma de agua fría y por arriba por otro similar al regreso.

La parrilla viene encajada en una cubierta, como la descrita más arriba, normalmente con doble vidrio para arriba y aislante por detrás.

En algunos modelos de colectores solares de placa plana, los tubos verticales están soldados a una placa metálica para aprovechar la insolación entre tubo y tubo.

Colectores solares de tubos de vacío "todo vidrio"

En un colector solar de tubos de vacío los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio. Los tubos de vidrio están encapsulados, de uno con uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento.

Las grandes ventajas que presentan los colectores solares de tubos de vacío son su alto rendimiento. Por otro lado, en caso de que uno de los tubos se estropeara, no es necesario cambiar todo el panel por uno nuevo, sino que sólo hay que cambiar el tubo afectado. Por el contrario, como inconveniente tenemos que, en relación con los colectores solares de placa plana, estos resultan más caros.

Colectores solares de tubos de vacío con "tubos de calor" por cambio de fase

Los paneles solares que utilizan este sistema aprovechan 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 son tubos cerrados que contienen el líquido que, al calentarse por el sol, hierve y se convierte en vapor. Estos tubos generalmente son de cobre. El vapor generado sube a la parte superior donde hay un cabezal más ancho (zona de condensación). La parte exterior de la zona de condensación está en contacto con líquido transportador. Debido a que el líquido transformador está a una temperatura inferior al vapor del tubo capta el calor gracias a un proceso termodinámico de convección y provoca que el vapor se condense. El líquido condensado cae de nuevo en la parte baja del tubo para volver a empezar el ciclo.

El líquido del tubo puede ser agua que tendrá un punto de ebullición bajo para trabajar incluso con la insolación de los rayos infrarrojos en caso de nube. El tubo de calor se puede envolver con materiales aislantes para minimizar las pérdidas por irradiación.

Finalmente, el tubo de calor se cierra dentro de otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío para aislar. Se suelen emplear tubos de vidrio resistente, para reducir los daños en caso de pequeñas granizadas.

Colectores solares de concentración

colectores solares de concentraciónEn energía solar un colector solar de concentración es panel solar que utiliza una técnica de concentración de la radiación solar para obtener altas temperaturas. Esta técnica se utiliza en las instalaciones solares de alta y muy alta temperatura.

Dependiendo de la aplicación energética que se le quiere dar existen diferentes tecnologías para aplicar esta técnica de obtención de energía renovable. De este modo, podemos encontrar, a modo de ejemplo, colectores solares de cilindro parabólico o hornos solares de concentración para obtener temperaturas mayores.

Componentes de un colector solar

Los colectores solares estándares se componen de los siguientes elementos:

  • Cubierta: L cubierta de un colector solar es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio, aunque también se utilizan de plástico, ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por ello debe tener una transmitancia solar lo más alta posible. La presencia de la cubierta mejora el rendimiento termodinámico del panel solar.
  • Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta el fin de equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
  • Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que debe 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 conductos: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Para 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 aislante deberá tener una baja conductividad térmica para reducir la transferencia termodinámica de calor al exterior.
  • Acumulador: el acumulador es un elemento opcional, a veces es una parte integral del panel solar y, en estos casos, a menudo está a la vista inmediatamente por encima o en las inmediaciones. Muy a menudo el acumulador no es parte del panel solar sino del sistema térmico.

Uso de los colectores solares

Los colectores solares se utilizan principalmente para suministrar agua caliente sanitaria y calefacción o para generar electricidad.

En el caso de los colectores para agua caliente sanitaria y calefacción, el tanque almacena el agua doméstica que se pone en contacto con el fluido por medio de una bobina. La bobina permite que el fluido transfiera la energía calorífica almacenada al agua sin contaminar el agua. Esta agua se puede utilizar como agua caliente en los hogares (integración del 80%) o se puede utilizar para complementar la calefacción del piso de las habitaciones (integración del 10%). Los paneles solares térmicos son capaces de suministrar agua caliente en buenas cantidades, pero no pueden reemplazar completamente los métodos habituales de calentamiento debido a la inconstancia de la energía solar.

Los colectores solares destinados a la generación de electricidad requieren que el intercambiador de calor se caliente hasta que esté hirviendo. Una vez que el líquido ha completado el cambio de fase termodinámica y ha pasado a la fase gaseosa, se envía a una turbina termoeléctrica que convertirá el movimiento del vapor de agua en energía eléctrica. Este tipo de sistema se llama termodinámica solar y requiere grandes espacios para la instalación de paneles solares y una presencia constante de sol. Se han instalado ejemplos de estas plantas en los desiertos.

Conexión de colectores solares térmicos

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

Estas agrupaciones de colectores solares térmicos 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 colectores: 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 de colectores solares en serie

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

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 solares térmicos conectados en serie, según la zona climática.

En cuanto al comportamiento hidráulico de esta configuración, el caudal total del grupo de paneles solares será el equivalente al caudal de un solo panel 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 colectores solares.

Conexión de colectores solares en paralelo

En la conexión de colectores solares 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 colectores 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 colector.

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 colector, mientras que la pérdida de carga del grupo, será el equivalente a la de un solo colector solar térmico.

Conexión mixta de colectores solares

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

Equilibrado del campo de captación

Básicamente, hay dos metodologías para conseguir equilibrar el caudal de fluido transportador de calor en un campo de captadores solares térmicos:

  • 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 solares para que el fluido tenga la misma pérdida de carga.
  • Insertando pérdidas de carga mediante la disposición de válvulas de equilibrado a la entrada de las baterías de colectores. Así, a menor longitud de circuito aplica más pérdida de carga con la válvula correspondiente.
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Última revisión: 7 de noviembre de 2019