Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108

Capítulo 2

Instalaciones de energía solar térmica

1. Introducción

Una de las formas de aprovechamiento de la energía calorífica es utilizarla para elevar la temperatura de un fluido y canalizarlo para el consumo de las personas. Otra es la generación de electricidad.

Los distintos niveles de captación van desde los colectores situados en los núcleos de población hasta las grandes instalaciones industriales que concentran las radiaciones en un punto donde se obtienen elevadas temperaturas.

La obtención de agua caliente sanitaria (ACS) es la aplicación más utilizada en la actualidad, aunque debe apoyarse en instalaciones más clásicas, como la caldera individual o colectiva, debido a que la captación de energía solar térmica durante todo el año se ve disminuida en los períodos estacionales más fríos.

Existen diferentes equipos de captación que se interconectan dependiendo de las distintas aplicaciones urbanas o industriales, en los que se pueden producir pérdidas hidráulicas debido a la excesiva longitud de los circuitos y a todos y cada uno de los elementos de regulación que debe atravesar el fluido caloportador.

La calefacción de estancias en las viviendas y las instalaciones de climatización de piscinas completan las formas de aprovechamiento de la energía solar térmica para el consumo en las poblaciones.

2. Clasificación de instalaciones solares térmicas

Existen dos formas de aprovechar la energía solar: para calentar un fluido que se utilizará en algunas aplicaciones y para generar electricidad.

La primera se refiere a transformar la energía proporcionada por las radiaciones solares en energía térmica o calorífica y la segunda a convertir esa radiación en energía eléctrica, ya sea directa o indirectamente.

Las formas de aprovechamiento eléctrico directo mediante células fotovoltaicas es materia del capítulo 5 del manual, pero es preciso indicar ahora su clasificación para poder diferenciarlas.

2.1. Tipos de instalaciones solares térmicas de baja, media y alta temperatura

La luz es una radiación electromagnética que emite calor. Este se puede utilizar para calentar un fluido líquido o gaseoso cuando la luz incide en una superficie. Sabido es que el color influye en la captación de los rayos solares, ya que el negro no refleja la radiación, a diferencia del blanco que lo refleja casi todo. El caso extremo sería una superficie brillante en la que la luz se refleja en su totalidad (espejo).

Dependiendo de la aplicación para la que la captación de luz solar se utilice, las instalaciones se pueden clasificar según la temperatura que se obtenga finalmente.

De esta forma, se pueden conseguir hasta temperaturas de 35 °C con paneles o colectores solares descubiertos o al aire, en los que las tuberías están pintadas de color negro. Estas son las instalaciones solares térmicas de baja temperatura, con aplicaciones básicas en climatización de piscinas, duchas al aire libre, secaderos de productos y calefacción de invernaderos.

Equipo colector solar descubierto

En las anteriores instalaciones, la retención de calor será baja, ya que para conseguir una mayor es necesario un aislamiento que no deje escapar la luz, aprovechando además la reflexión. Este es el caso de las de media temperatura, cuyos paneles están cubiertos por un cristal o un plástico transparente que deja pasar las radiaciones solares, quedando retenido el calor. El panel se aísla térmicamente en el fondo con material poliuretano o fibra de vidrio. Las superficies, así como las tuberías, están pintadas de color negro. Se encuentran aplicaciones de estos paneles para el calentamiento del agua caliente sanitaria (ACS) y la calefacción de viviendas y locales.

Por último, las aplicaciones industriales que necesiten agua muy caliente o vapor se consideran instalaciones solares de alta temperatura. Se pueden alcanzar, mediante paneles pintados de negro, aislados térmicamente y cerrados herméticamente al vacío, temperaturas de hasta 120 °C, que permiten la generación de vapor a partir del agua.

Colector solar para alta temperatura

Actividades

1. Buscar en Internet algunas imágenes de colectores solares planos para empezar a diferenciarlos visualmente.

2.2. Rendimiento de los sistemas solares

Las variables que más influyen en el rendimiento de los sistemas solares son la latitud del lugar, la orientación y la inclinación.

Sabido es que la latitud norte elevada es perjudicial, y que la orientación siempre debe ser en dirección sur geográfico, pero que la inclinación y la posibilidad de existencia de sombras reducen la capacidad de captación de los paneles solares, que es el origen de la instalación.

La superficie total de captadores, así como su configuración, proporciona mayor o menor cantidad de calor en el circuito primario, el cual se hace pasar por el intercambiador de calor de donde parten los circuitos secundarios de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción y climatización de piscinas.

El valor del calor (Q, en calorías) que llega a un punto de la superficie terrestre viene definido por tres variables: la superficie (S, en cm²) considerada de los paneles, el tiempo (t, en minutos) de exposición y un coeficiente (k) que depende de las anteriores variables indicadas de latitud, orientación, período estacional y hora del día, cuyo valor puede variar de 0 a 1,3 calorías/minuto · cm².

Q = S · t · k

El cálculo exacto de la incidencia de las radiaciones solares sobre una superficie se efectúa con el radiómetro (pero habida cuenta de que en el rendimiento de una instalación influyen además las pérdidas de transmisión de calor en las tuberías y en los aislamientos propios de la red secundaria), y el método real de cálculo se realiza con un balance energético en el que se considera el consumo de agua caliente y las pérdidas en el acumulador o intercambiador de calor de la instalación.

Aplicación práctica

La distribución de paneles solares de tamaño 3 x 3 metros en la superficie indicada es una parrilla de 25 x 36.

Para una captación continua de 12 horas, calcule la cantidad de calor (Q) que aportará al sistema en kilocalorías, sabiendo que el coeficiente de captación solar k es de 0,85.

SOLUCIÓN

El tiempo de captación total es de 12 horas. Este tiempo se debe transformar en minutos:

t = 12 horas · 60 minutos/hora = 720 minutos

La superficie de captación de todos los paneles solares de la parrilla es:

S = 25 paneles · 36 paneles · 9 m² = 8.100 m²

Teniendo en cuenta el coeficiente de captación solar, de valor 0,85, la cantidad de calor será:

Q = S · t · k

Q = 8.100 m² · 720 minutos · 0,85 = 4.957.200 calorías

Q = 4.957,2 kilocalorías

2.3. Aplicaciones de la energía solar térmica

El aprovechamiento de la energía que proporciona el Sol se puede emplear en varias aplicaciones, de forma pasiva o activa.

Los invernaderos son una aplicación pasiva. Las radiaciones solares de onda larga inciden en el plástico transparente de la cubierta, generándose su reflexión en la superficie del suelo de labor, transformándose en radiaciones de onda corta que intentan abandonar el invernadero. Estas, al no poder escapar, quedan retenidas en el interior provocando un aumento de la temperatura, llegándose a conseguir hasta 50 °C.

Actividades

2. Indicar el lugar de España donde la aplicación de invernaderos está más extendida. Sea curioso y observe imágenes con el buscador de mapas. Es impresionante.

Otra aplicación pasiva es la desalinizadora de agua. Se trata de un recipiente, llamado primario, con una cubierta inclinada de vidrio o plástico transparente que deja pasar las radiaciones solares. Estas quedan retenidas, como en el caso del invernadero, y calientan el agua salada hasta la evaporación. La condensación del vapor de agua que queda en el interior, y que se desliza hacia la canaleta y el recipiente secundario, hace que el agua quede sin sal. Al final del proceso natural, la sal quedará en el fondo del recipiente primario.

La forma activa de aprovechar la energía solar es concentrando las radiaciones en un punto determinado para sumarlas.

El horno ecológico es la primera aplicación que concentra la luz y el calor en el recipiente, calentándolo para que los alimentos se cocinen. Existen dos maneras diferentes de conseguir el horno solar: con un reflector parabólico abierto o con un reflector plano que concentra las radiaciones hacia un recipiente cerrado y aislado, a modo de invernadero, y que calienta el recipiente donde se encuentran los alimentos. El máximo de temperatura que se puede alcanzar con estas aplicaciones es de 90 °C, suficiente para cocinar, pero en un tiempo elevado.

Las aplicaciones industriales de captación de radiaciones solares permiten la concentración de los rayos en un punto o superficie determinada para, de este modo, obtener altas temperaturas que se utilizan para calentar un fluido y utilizar esta energía calorífica en el calentamiento de agua que se convierte en vapor, el cual mueve la turbina de generación de electricidad.

Existen instalaciones activas que desplazan los espejos siguiendo la dirección de las radiaciones solares.

El horno solar que se encuentra en Odeillo (Pirineos franceses) se utiliza en la investigación de fusión de metales como el acero y el aluminio, consiguién-dose temperaturas elevadísimas de hasta 4.000 °C.

Las radiaciones solares se concentran en un punto gracias a los espejos móviles.

La aplicación más utilizada son los colectores cilíndrico-parabólicos, que siguen las radiaciones solares durante el día, las concentran a lo largo de una tubería donde se encuentra un fluido que absorbe el calor y utilizan ese tipo de energía para la generación de electricidad.

La última aplicación industrial, hasta la fecha, es la instalación de espejos móviles o helióstatos, que se encargan de concentrar las radiaciones solares en el punto alto de una torre central donde se encuentra un depósito de sales frías. En el proceso industrial, estas sales pierden calor y producen el vapor de agua que se encarga de mover la turbina que genera electricidad, como en las anteriores aplicaciones de colectores cilíndrico-parabólicos.

En Sanlúcar La Mayor (Sevilla) se encuentra una instalación que utiliza más de 600 helióstatos para concentrar las radiaciones solares hacia la parte alta de una torre de 100 metros de altura.

2.4. Funcionamiento global

En las instalaciones domésticas de aprovechamiento de calor, el circuito primario de agua calentada en el panel solar se distribuye hacia el intercambiador de calor desde donde parte el circuito secundario de agua caliente sanitaria (ACS) para el aseo personal, el cual termina en la red de evacuación de aguas.

Otros circuitos secundarios, de tipo cerrado, son el de calefacción de estancias, que emite el calor en los radiadores, y el de climatización de piscinas, el cual recibe el agua por la parte superior del vaso, saliendo por la parte inferior y elevándose mediante una bomba hidráulica.

Las instalaciones industriales que utilizan las radiaciones solares como energía calorífica captan el calor y lo almacenan en un fluido (aceite) para, en la mayoría de los casos, calentar agua que se transforma en vapor, el cual se utiliza para mover la turbina que se encuentra unida al rotor generador de corriente alterna (alternador). Esta electricidad se debe transformar para el transporte y el consumo en las viviendas y las industrias de las poblaciones.

Actividades

3. Realizar un esquema en el que se resuman las diferentes formas de aprovechamiento pasivo de las radiaciones solares.

3. Captadores solares

El punto inicial de cualquier instalación de aprovechamiento de energía calorífica a partir de las radiaciones solares es el llamado colector, panel o captador solar. De su eficiencia depende en gran parte que la instalación cumpla con las expectativas de ahorro energético que se esperan.

El estudio se va a realizar para su aplicación en las viviendas domésticas y las instalaciones comunes de las industrias, dejando aparte el aprovechamiento del calor y su transformación en energía eléctrica, del que ya se ha visto lo esencial.

3.1. Tipos de colectores y características

Los tres tipos de colectores de placa plana que se utilizan en las aplicaciones domésticas se diferencian básicamente en el nivel de aislamiento de la superficie captadora, ya que según este se podrán realizar instalaciones de baja, media y alta temperatura.

El más básico no tiene cubierta transparente aislante, el medio la tiene y el de alta gama tiene una carcasa cerrada herméticamente. En los tres casos la pintura de color negro se utiliza para absorber y retener la mayor cantidad de radiaciones solares, y el aislamiento del fondo consigue además una menor pérdida de calor.

Por tanto, existen colectores solares al aire, cerrados y herméticos.

Instalación solar de paneles al aire para climatización de piscinas

3.2. Descripción de funcionamiento de los captadores

El efecto invernadero, que ya se conoce, hace que parte de las radiaciones solares queden atrapadas en el interior del captador, de forma que se aumente la temperatura del recipiente, ayudando en el calentamiento de las tuberías por donde circula el fluido.

El vidrio o plástico transparente de la cubierta deja pasar las radiaciones solares. Cuando el fluido entra en el captador, se encuentra a una temperatura ambiente, pero esta se eleva debido a la incidencia de la radiación solar de onda larga, ayudada por el efecto invernadero que se produce cuando en el reflejo quedan retenidas aproximadamente el 50% de las radiaciones de onda corta. Además, el color negro del que están pintados los tubos y la placa del fondo junto con el aislante aumenta el rendimiento del captador solar.

De esta forma, el fluido que se encuentra en el interior de las tuberías abandona el captador a una temperatura mucho más elevada.

3.3. Características constructivas

En el elemento colector existirán diferencias de temperatura entre el material que debe absorber el máximo de radiaciones solares y la estructura propiamente dicha. Es por ello que la dilatación de la parte caliente no debe afectar a la parte fría, pero a la vez se debe asegurar un nivel de estanqueidad elevado para conseguir que el efecto invernadero que se está reproduciendo no permita las pérdidas de calor.

El elemento fundamental que permite la unión de las dos partes es la junta flexible, que puede estar construida de material caucho o de silicona. Esta junta será la encargada de absorber las diferencias de temperatura producidas a lo largo del día.

Los elementos principales, siempre respetando las diferentes tecnologías de cada empresa instaladora, son:

1 Junta elástica.

2 Material transparente.

3 Parrilla de tuberías.

4 Placa del fondo.

5 Aislamiento.

6 Carcasa.

La junta elástica (de silicona) asegura la estanqueidad del panel a la vez que absorbe las deformaciones por las diferencias de temperatura que se presentan.

El material transparente puede ser de vidrio, aunque en algunos tipos de paneles puede ser plástico. Es fundamental que permita el máximo paso de las radiaciones solares, por lo que no sirven materiales traslúcidos, de color u oscurecidos.

La parrilla de tuberías está formada por líneas de tubos colocados en paralelo, los cuales desembocan en dos laterales, el primero por donde entra el fluido a temperatura ambiente y el segundo por donde sale ya calentado por las radiaciones solares. Es fundamental que la absorción de calor sea máxima, por lo que debe estar pintada de color negro que, como ya se sabe, aumenta la absorción de calor no dejando que se escape la radiación por no reflejarse.

En las aplicaciones para climatización de piscinas, las tuberías pueden estar construidas de material plástico (polímero), ya que se consideran instalaciones de baja temperatura, con paneles descubiertos que no llegan a deformarse por el calor.

Dos materiales fundamentales son el grupo que constituyen la placa del fondo y el aislamiento térmico que rodea el panel. Los dos son los encargados de retener el máximo de calor, el primero reflejando las radiaciones hacia la parte inferior de la parrilla de tuberías y el segundo no permitiendo que el calor se escape del panel. Algunos paneles pueden tener la placa del fondo pintada de negro, pero en los colectores de última generación se ha conseguido aprovechar incluso el reflejo. El aislante habitual es la fibra de vidrio.

Por último, la carcasa debe unir todos los anteriores componentes de manera hermética, permitiendo además que se absorban las dilataciones, así como no permitir la oxidación ni la corrosión debidas a las diferentes inclemencias meteorológicas que se pueden presentar a lo largo del día y los períodos estacionales del año.

Importante

La estructura del panel debe permitir el fácil manejo por parte de los operarios montadores y una sencilla instalación en el soporte que permitirá obtener la inclinación óptima (latitud ±10°) y una orientación adecuada (sur geográfico).

Actividades

4. Describir en un párrafo el funcionamiento del invernadero, que es la base del aprovechamiento de las radiaciones solares.

3.4. Sistemas de conexión de captadores

El trabajo de captación de calor que un colector realiza de manera individual debe ser aprovechado por la red principal o primaria para llevar a los puntos de consumo el fluido caliente.

La conexión de los diferentes captadores debe asegurar que las pérdidas de carga debidas al rozamiento del fluido con las paredes interiores de las tuberías sea el mínimo posible de manera que el rendimiento sea máximo.

Hay que tener en cuenta también la longitud del circuito primario, ya que se ha de colocar una bomba hidráulica que permita el desplazamiento del fluido en su retorno.

Importante

Los sistemas por gravedad no funcionan en estas instalaciones solares como lo hacen en el suministro normal de abastecimiento y consumo de agua fría y ACS.

La pérdida de calor en el trasiego del fluido caliente puede reducirse utilizando aislamientos en las canalizaciones de forma que el calor se mantenga latente.