Energía Solar Térmica: Energia solar termica

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Cálculo de la superficie colectora
Una vez calculados los consumos energéticos en cada mes se representa gráficamente en una curva o diagrama de consumo.
La inclinación óptima de los colectores depende de la utilización que se vaya a realizar de la instalación.
El cálculo de la superficie total colectora se realiza de manera que la aportación solar en el período en que la instalación está activa sea igual al consumo. Para obtener el número de colectores debe coincidir el consumo anual con la aportación solar. La energía aprovechable de un día medio se obtiene a partir de la irradiación horizontal media en un día de cada mes, H. Este valor se ajusta si la instalación se encuentra en una zona montañosa o de atmósfera muy limpia (H*1’05) o si la zona tiene una aire muy contaminado (H*0’95). Otras correcciones al valor H se realizan si hay obstáculos que proyectan sombras sobre los colectores o superficies reflectantes. Con lo que E quedará:
E = k *H*0’94
Además si la orientación se desvía xº del sur: E’ = E *(1’14 -0’0085*x).
La intensidad media útil es igual a I = E(J) / T(seg.)

Cálculo del rendimiento de un colector
Cada colector funciona con un rendimiento dado por una tabla o ecuación que suministra el fabricante. La ecuación teórica del rendimiento es b–m*(tmº-taº)/I, siendo b la incidencia de los rayos al colector y m la energía que pierde el colector, tmº la temperatura media del acumulador, taº la temperatura ambiente. b y m son constantes y el resto es variable a lo largo del día y en las distintas épocas. Los fabricantes nos podrán proporcionar los valores constantes.

Cálculo de la cantidad de energía recibida en un panel
Se realiza una estimación de la energía que se va a recibir en un panel en función de la localización geográfica, de la inclinación del panel y del mes en el que se calcule. Sólo se trata de una estimación puesto que se trabaja con tablas estadísticas del lugar.
Para poder realizar este cálculo primeramente se consulta en la tabla la radiación estimada para el lugar en el mes indicado y se multiplica por un factor de corrección que dependiendo de donde se sitúe el panel, localidad con mucha contaminación, normal o poco contaminado oscilará entre los valores 0’95,1 ó 1’05 respectivamente. Después se multiplicará por k que es otro factor de corrección que estará en función de la inclinación del panel y la latitud del lugar. Si el valor de la energía necesitada se divide entre la energía obtenida de este cálculo, resultaría el número de paneles necesarios.

Cálculo para la optimización en la orientación e inclinación de los paneles
En primer lugar debe fijarse uno de los dos parámetros, la orientación o la inclinación. Después consultando en la gráfica se obtiene entre que valores de orientación o de inclinación puede variar nuestro panel para conseguir un rendimiento deseado. También puede utilizarse, si se saben esos dos parámetros, para saber si las pérdidas son inferiores a la máxima permitida.
Una vez que se sepa entre que valores de orientación puede estar el panel, hay que corregir esa graduación para la latitud del lugar, con las fórmulas:
Inclinación máxima: Inclinación Máx. – (41º - Latitud)
Inclinación mínima: Inclinación min. - (41º - Latitud)
Si se conoce la inclinación se sabrá entre que grados podrá oscilar con la fórmula:
Orientación: Inclinación – (41º - Latitud)

Determinación de las pérdidas sufridas por las sombras
Cuando la sombra ocupe más del 5% del panel, el rendimiento obtenido estaría muy por debajo de lo esperado. Según la legislación de Madrid, no puede haber sombras a una altitud de 15º sobre el ángulo de elevación de los colectores. Este cálculo dependerá de la latitud, así en Canarias serían 25º.
Para el cálculo de las pérdidas por sombra se utilizan un gráfico donde se representa el recorrido del sol en todas las épocas del año, debido a sus diferentes altitudes, se traslada el obstáculo a dicha gráfica y se van obteniendo los resultados de pérdidas por sombra.
Después el valor de cada una de las celdas se obtiene de unas tablas que varían en función de la orientación e inclinación del panel

Unión de los paneles solares

Cuando la disponibilidad de espacio es escasa se deben colocar los paneles de determinadas maneras para optimizar al máximo el espacio existente:

Paralelo – Es la forma más común de conexión. Las ventajas son que permite caudales grandes con un buen rendimiento, los inconvenientes es que aumenta la longitud de las tuberías, además de una menor temperatura, aunque suficiente para agua caliente sanitaria.El número de paneles que se pueden colocar estará limitado, indicando el fabricante este número máximo. Nunca será más de 10. La normativa lo que indica es que la perdida de carga sea inferior a 1 m.c.a., pero esto nunca se producirá porque la pérdida es muy pequeña.

Serie – El caudal que pasa por todos los colectores es el mismo, permite secciones más pequeñas de tubo. Si se necesitan temperaturas mayores de 50 ºC se conectan los colectores en serie (no más de tres), aunque no se suele recomendar.Las ventajas son el menor espacio que ocupan y la menor sección de las tuberías, con mayor temperatura, los inconvenientes son que cada vez el rendimiento es menor en cada uno de los colectores lo que implica que esta configuración sea muy poco recomendable y no se suela usar.

Conexión serie-paralelo – Se combinan las dos disposiciones anteriores, la principal ventaja es que se reducen los inconvenientes de cada una de las conexiones anteriores.

Conexión paralelo-serie – La principal ventaja respecto al anterior es que tiene un rendimiento más equilibrado, la desventaja es que el diámetro de las tuberías es mayor.

Concepto de retorno invertido - En las conexiones se debe guardar el principio de retorno invertido para mantener el equilibrio hidráulico. La longitud de las conducciones será lo más reducida posible para minimizar las pérdidas hidráulicas y térmicas. Si no se consiguiese habría que poner válvulas para compensar presiones. Existen tres formas de conexión:

Monotubo

Retorno bitubo directo – El último panel está más alejado que el primero. La bomba se diseña para el más desfavorable, lo que provoca que hay más caudal en los primeros. La consecuencia de esto es que no da el calor necesario y habría que regular el caudal con detentores.

Retorno bitubo invertido – Los paneles tendrían el mismo recorrido . Se hace este tipo de disposición para no tener que regular el caudal. Si no se hiciese así habría que utilizar válvulas de equilibrado.

Aprovechamiento de la energía solar térmica

El agua caliente sanitaria es la aplicación más idónea para los sistemas de aprovechamiento térmico solar. Es importante diseñar bien el apoyo con energía convencional, e manera que sea realmente un complemento auxiliar. Se deben seguir una serie de principios para el desarrollo de correctos diseños:

Captar el máximo posible de energía solar – Es necesario regular la captación de energía para convertirla en energía útil, mediante la medición y comparación del nivel de temperatura en el colector y en el almacenamiento. Mediante regulación diferencial se puede activar la electrobomba o parar la circulación.

Consumir prioritariamente la energía solar – Mediante un diseño adecuado del sistema de almacenamiento podemos favorecer el uso prioritario de la energía solar. Se puede incluir un acumulador con resistencia eléctrica regulado por un termostato, que actuará cuando la temperatura del agua sea menor que la temperatura requerida del agua caliente para consumo.

Asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la convencional – Si el nivel de temperatura conseguido con energía solar es frecuentemente inferior al deseado habrá que añadir la energía auxiliar precisa. Se pueden dos casos:

Producción instantánea de la energía de apoyo – Este sistema se coloca a la salida del acumulador solar, es muy práctico en viviendas si se usan calentadores instantáneos de gas de tipo doméstico, siempre que la llama se regule automáticamente en función de la temperatura del agua de entrada.
Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente – Se emplea un acumulador más pequeño que el principal y los puntos de consumo.

No juntar la energía solar con la convencional – Si el acumulador es único habrá que mezclar lo menos posible, puede conseguirse con un acumulador compartimentado.

Protección contra la congelación y ebullición

Hay que evitar la congelación y ebullición del liquido caloportador.
Las medidas de protección contra la congelación evitarán el riesgo por las noches y el peligro en invierno. Algunas medidas en climas benignos son que entren en funcionamiento pocas veces, mientras que en climas duros podrían ser el paro total de la instalación (vaciándose la instalación), calentamiento de los colectores por recirculación del fluido caloportador, calentamiento de los colectores por resistencia eléctrica, uso de fluido anticongelante, colectores que soporten la congelación, vaciado de los colectores (cuando la temperatura ambiente ronda los 0ºC se abre la válvula de vaciado y cuando la temperatura sube de 4º o 5ºC se llena el circuito con agua de la red(no será válida en circuitos de aluminio por la entrada de aire).
Las medidas de protección contra la ebullición deben evitar el riesgo en instalaciones que se encuentran fuera de servicio. Para evitar la ebullición en los colectores se incluyen los vasos de expansión, válvulas de seguridad, reducir la radiación o el empleo de fluidos orgánicos. Para evitar la ebullición en el almacenamiento hay que dimensionarlo con una relación mayor de 50l/m2.

Termotransferencia

La transferencia térmica puede realizarse de forma:

Directa – Es un solo circuito, no hay separación entre el primario y el secundario, el ACS circula por los colectores. Se consigue un buen rendimiento térmico y el sistema presenta simplicidad. Los inconvenientes son el emplear materiales que no contaminen el agua, el riesgo de vaporización y congelación, funciona a la presión de la red (peligro en los colectores), no se puede emplear anticongelante, mayor riesgo de corrosión (aire en el agua), posibles incrustaciones calcáreas y más restricciones legales.

Indirecta – Existe un intercambiador térmico evitándose que el fluido caloportador se mezcle con el ACS. Es el más habitual. Si en el circuito primario se ha añadido anticongelante, tiene mayor densidad por lo que va a costar más que ascienda (bomba de mayor tamaño) y además dilata más.

La circulación del fluido se consigue por:

Termosifón – Circulación natural. El depósito debe colocarse sobre los colectores para permitir la convección por diferencia de temperatura. Para facilitar el movimiento del agua tiene que haber diferencia suficiente de temperatura T entre el colector y el acumulador y una altura h mayor de 30 centímetros entre el acumulador y los colectores. Cuanto mayores sean T y h, mayor es la energía para mover el líquido. Para evitar el riesgo de temperaturas elevadas en el depósito se diseña con volúmenes mayores de 70 l/m2 de colector.

Electrocirculador – Circulación forzada. Evita los defectos propios de los sistemas de circulación natural. Como inconvenientes está la necesidad de energía eléctrica y de regulación y control del circulador. Cuando el intercambiador está a una altura inferior a los colectores el electrocirculador es imprescindible. Hay que incluir además una válvula antirretorno para evitar el posible efecto termosifónico nocturno. Un ejemplo de sistema de circulación forzada e indirecto podría ser el que se muestra en la siguiente figura:

En el circuito primario entra el agua de la red, pasando por la primera válvula de corte, quedando esta válvula abierta hasta que el circuito este lleno. Esta válvula sirve para aislar al circuito. Llega hasta el electrocirculador donde en paralelo se puede observar un manómetro con dos llaves que sirven para medir la presión del circuito y del electrocirculador. Después hay una válvula antirretorno para evitar un efecto termosifónico no deseado cuando el colector no está captando energía. Pasa los colectores solares y se empezaría a medir la temperatura para poder gobernar el funcionamiento del circuito, es decir, cuando es muy alta o muy baja manda cerrar la válvula de tres vías y el electrocirculador se pone en funcionamiento. En el punto más alto está el purgador que sirve para la expulsión de los gases de la instalación., también estaría la válvula de seguridad que dejará expulsar el líquido del circuito si la presión en este suba por encima del nivel fijado.
En el circuito secundario estaría el acumulador junto con una fuente auxiliar de energía (calentador), que podría estar en serie con este.
Las ventajas de este tipo de circuito es que tienes un mejor sistema de control, cuenta con una serie de protecciones de seguridad, aumentando el rendimiento. Se aumenta el número de aplicaciones a las que puede ir destinada y el lugar geográfico donde se puede ubicar.
Los inconvenientes son que se necesita un circuito eléctrico adicional, un sistema de control y que el precio es más elevado. Además tiene un mayor mantenimiento.

Conducciones, aislamiento y otros elementos de la instalación

Conducciones
El fluido caloportador debe ser transportado en la instalación a una determinada velocidad porque si va muy rápido no se calentará y si va muy lento alcanzará temperaturas poco deseables, por lo que habrá que calcular el dimensionamiento de las tuberías. Para ello, habrá que mantener unos límites de velocidad (1’2 l/seg – 1’6 l/seg  100 m2 de superficie colectora) y un límite de pérdida de carga.
El material a elegir debería ser el metal más noble posible (cobre), pero en dimensiones grandes, se empleará otro de precio inferior como puede ser el acero o el aluminio. En caso de coexistir varios metales en la misma instalación, el agua debe ir desde el menos noble al más noble por el problema de la electrolisis.
Con los plásticos, el que más aguanta es el polietileno reticulado (100ºC unas pocas horas), por lo que no es aconsejable utilizarlo en el circuito primario.
Para calcular el caudal la norma indica:
Entre 1’2 l/seg y 1’6 l/seg.  100m2. Pasados a l/h quedaría entre 43 l/h y 57 l/h, cogiendo a efectos de cálculo el valor intermedio de 50 l/h

Aislamiento
Evita las pérdidas de los elementos sensibles de la instalación, debe tener un bajo coeficiente de conductividad a un precio razonable. Su colocación será sencilla y soportará un rango amplio de temperaturas. Debe ser ignífugo, no corrosivo por contacto y presentar buena estabilidad. Su resistencia mecánica será buena y su peso específico reducido.
Puede ser de tipo fibroso (amianto, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra animal y vegetal), granulosos (perlite, silicato e calcio, magnesia), y celulares (corcho, espuma de vidrio). El espesor se elige en función de la temperatura del fluido y el diámetro de la tubería, también dependiendo si las tuberías son interiores o exteriores.

Otros elementos

Para calcular las instalaciones hay que tener en cuenta un caudal de 50 l/h *m2, la velocidad será de 2 m/seg (3 m/seg. en algunas condiciones) y un ∆p = 40 mm.c.a/m.
o El manómetro y el hidrómetro – Miden la presión en el interior de una tubería o depósito.
o La válvula de seguridad – Debe incluirse por estar el circuito sometido a presión y a variaciones de temperatura.
o El embudo de desagüe – Permite observar la evacuación del líquido.
o El purgador – Evacua los gases contenidos en el fluido caloportador y debe situarse en la parte más alta de la instalación.
o Las válvulas antirretorno – Limitan el paso del fluido en un solo sentido.
o Las válvulas de paso – Pueden interrumpir total o parcialmente el paso del fluido.
o El termómetro – Mide la temperatura del fluido por contacto o por inmersión.
o Los termostatos – Miden y activan o desactivan mecanismos mediante una señal eléctrica.
o El termostato diferencial – Mide una diferencia de temperatura y en función de la medida actúa sobre algún elemento del sistema.

Elementos de montaje y sujeción

El montaje de los colectores se realiza mediante un sistema de anclaje y soporte que tenga la inclinación adecuada para los colectores. Hay varios tipos de estructuras. Los fabricantes venden el colector, con su estructura, depósitos... Aunque siempre se podrá diseñar una estructura propia.
El tipo de anclaje se hará en función de las fuerzas del viento que deba soportar. La fuerza del viento sobre una superficie es:
f = P  S  sen2@
f = Peso para contrarrestar la fuerza del viento.
P = carga del viento (Kg/m2). Se mira en tabla adjunta.
S =superficie colector (m2).
sen2@= seno del ángulo de inclinación.

El vaso de expansión

Absorbe las dilataciones del agua en las instalaciones de agua caliente sanitaria. Cuando crece la presión en la instalación debido a la dilatación del fluido caloportador (aumento de temperatura), el fluido sobrante entra en el vaso y empuja la membrana. El gas se comprime, evitando variaciones de presión.
El gas que contiene debería ser nitrógeno debido a que el oxigeno oxida la membrana y la estropea. Siempre debería contener un mínimo de fluido para evitar que la membrana se corroa. El gas nunca debe quedar por encima del fluido porque se formarían bolsas de aire y además de provocar el mal funcionamiento corroe a la membrana. Hay varios tipos de vaso de expansión, hay alguno que no tiene membrana teniendo un gas que no se mezcla con el agua.
Si el vaso es abierto la normativa indica que tiene que tener un 0’2% de agua de la instalación y estar situado a una altura de 3’5 metros sobre los colectores. No se suelen poner porque actualmente están prohibidos.

Cálculo del vaso de expansión
Responde a la fórmula:
VVC = VI  CEXP  CP, donde:
VVC = Volumen del vaso de expansión cerrado.
VI = Volumen del agua de la instalación.
CEXP = Coeficiente de expansión debido a la temperatura máxima de funcionamiento.
CP = Coeficiente de presión. CP =Pmax - Pmin

VI es el Volumen tuberías + Volumen colectores + volumen intercambiador. El volumen del colector y del intercambiador lo facilita el fabricante, mientras que para calcular el volumen de las tuberías se consiguen por unas tablas que tiene la norma UNE dependiendo del diámetro, espesor, caudal...

Electrocirculadores o bombas

Facilitan el transporte del fluido caloportador desde los colectores hasta el almacenamiento y luego al consumo. Accionados por un motor eléctrico que suministran al fluido la energía necesaria para transportarlo por el circuito a una determinada presión. Hay tres tipos de electrocirculadores centrífugos:

Rotor sumergido – Son silenciosos, requieren un bajo mantenimiento y se montan en línea con la tubería y el eje horizontal.

Monobloc – Con el eje en cualquier posición.

Acoplamiento motor-electrocirculador de ejes distintos – Son ruidosos.

El comportamiento del electrocirculador se representa P = C * ∆p, donde P es la potencia necesaria, C es el caudal (l/seg.) entre dos puntos de una tubería con diferencia de presión ∆p. Lo que quiere decir que la potencia de la bomba está en función de la pérdida de carga y del caudal. Con estos dos ejes el fabricante lo representará en su curva característica, teniendo cada bomba su propia curva característica.

Con el paso del tiempo, las tuberías van cogiendo corrosión, por lo que la pérdida de carga aumenta con el tiempo, además los cálculos se realizan como si en la instalación sólo hubiese agua, mientras que muchas veces se añade anticongelante, por esta razón en la práctica la bomba que se elige debe estar un poco sobredimensionada
Las bombas suelen tener varias velocidades y el fabricante lo indica en sus gráficas, lo aconsejable es que se trabaje en una velocidad intermedia para así poder subir o bajar la velocidad si no hemos quedado cortos o hemos sobredimensionado la bomba respectivamente.
Al asociar dos electrobombas en serie se aumenta mucho la altura manométrica y poco el caudal, mientras que si se asocian en paralelo aumenta mucho el caudal y poco la presión.
La bomba tiene que contrarrestar la pérdida de carga solo en el circuito más desfavorable, sin embargo si el circuito está equilibrado, será elegido uno al azar.
El caudal siempre se conoce debido a que si sabemos la superficie colectora, la normativa nos indica que tiene que tener un caudal de aproximadamente 50 l/h  m2. Lo que nos faltaría por conocer es la pérdida de carga, los fabricantes indican las pérdidas de todos los elementos (colector, depósito, tuberías...), quedando la pérdida de carga del circuito finalmente como:
∆p CIRCULADOR = ∆p TUBERÍAS + ∆p COLECTOR + ∆p INTERCAMBIADOR

Elementos asociados al electrocirculador

El circuito va precedido de un filtro para evitar que entren impurezas de las soldaduras y del resto de la instalación en la bomba. También lleva una válvula antirretorno para evitar retrocesos del fluido caloportador desde el colector a la bomba. Las llaves numeradas con el 3 y 4 se utilizan en caso de avería de la bomba para ser sustituida.

Cerrando la llave 1 y dejando abierta la llave 2, obtenemos en el manómetro la presión de impulsión. Cerrando la llave 2 y abriendo la llave 1, obtenemos en el manómetro la presión de aspiración. Si restamos los resultados se obtiene la pérdida de carga de la instalación, que debe coincidir con la de la instalación.

En la parte trasera el electrocirculador debe tener una pequeña presión para que sea capaz de arrancar, la normativa indica que como mínimo debe ser de 0’2 bar ó 0’5 bar para temperaturas altas.

Si la bomba tuviese una pérdida de carga más pequeña que la necesaria, se creará una depresión en las tuberías y el agua que circula se volverá fácilmente gaseosa, como la bomba está diseñada para mover sólo fluido líquido se produce una aceleración de la bomba y una implosión en el fluido, que acaba estropeando al electrocirculador. La suma de ambas reacciones se conoce como gravitación.

Almacenamiento - Acumulador

Acumuladores
El acumulador adapta la demanda de energía a la disponibilidad solar. Las características que debe cumplir son tener una alta capacidad calorífica, un volumen reducido, responder de manera rápida a la demanda, integrarse bien en el edificio, un bajo coste, ser seguro y tener larga duración. Suelen tener forma cilíndrica lo cual facilita el fenómeno de estratificación. Se construyen en acero, acero inoxidable, aluminio, de fibra de vidrio reforzado y plásticos.
El fenómeno de la estratificación separa el agua de consumo del agua a calentar por los colectores. Se produce por la diferente densidad entre el agua caliente y el agua fría, tendiendo el agua más caliente a subir por pesar menos.
Dimensionamiento del acumulador
El volumen del acumulador está indicado por normativa y relaciona los consumos, el volumen y el área colectora.

Intercambiadores
Se introduce en la instalación solar cuando s requiere tener dos circuitos independientes. De esta manera se pueden evitar riesgos de heladas, añadiendo anticongelante al fluido del primario. El principal inconveniente son las pérdidas que acarrean por rendimiento. Otras trabas a su uso son el aumento de coste del sistema y el cumplimiento de reglamentación adicional debido a que el agua del primario no es potable.
El rendimiento del intercambiador (relación entre la energía obtenida y la energía introducida) será mayor del 95%.
Los intercambiadores de calor interiores pueden ser:

* De serpentín- Espiral en la parte baja del acumulador

* Doble envolvente – El circuito primario envuelve al circuito secundario, existiendo mucha superficie de contacto.

Los intercambiadores de calor exterior pueden ser:

* Haz tubular.

* Placas de acero inoxidable.

El fluido caloportador

El fluido caloportador pasa a través del absorbedor y transfiere a la parte del sistema de aprovechamiento térmico (acumulador o interacumulador) la energía. Los tipos más usados son el agua y la mezcla de anticongelante, pueden ser también aceites de silicona o líquidos orgánicos sintéticos.
Los anticongelantes son glicoles y los más usados son el etilenglicol y el propilaglicol. Las características fundamentales de los anticongelantes son:

Son tóxicos – Debido a que llevan una sustancia que se conoce como inhibidores de la corrosión que es beneficioso para los dispositivos de la instalación. Se debe impedir que se mezcle con el agua de consumo (haciendo la presión del secundario mayor que la del primario, por prevención ante una posible rotura del intercambiador).

Son muy viscosos – Al ser más espesos le cuesta al líquido más avanzar, aumentando la pérdida de carga, factor a tener en cuenta a la hora de elegir la electrobomba que suele ser de mayor potencia.

Dilata más que el agua cuando se calienta - Para evitar las sobrepresiones se utiliza el vaso de expansión. Si se diseña el vaso como para que aguante una presión como si fuese sólo agua, la membrana del vaso llega un punto en el que no da más de sí y se produciría la sobrepresión en el circuito.

Es inestable a más de 120ºC – Si alcanzase más de esta temperatura, se degrada convirtiéndose en un ácido muy corrosivo que afectaría a la vida de los elementos de la instalación. Además pierde sus propiedades por lo que deja de evitar la congelación. Los hay que aguantan más temperatura pero son más caros.

La temperatura de ebullición disminuye a la del agua – Podría verse como una ventaja porque significa que absorbe más energía.

El calor específico disminuye al del agua. Por absorber más energía, tarda también más en perderla o entregarla, por lo que la ventaja anterior se anula al no transferir todo el calor que ha ganado.

Para calcular la cantidad de anticongelante que hay que añadir a una instalación, primeramente hay que consultar en la tabla de temperaturas históricas cuál es la mínima temperatura registrada en esa ciudad. Una vez que se conoce se va a la gráfica de los glicoles que suministra el fabricante y se traslada el valor para indicarnos cual es el porcentaje.

El colector o panel solar

El colector solar es el objeto que capta la radiación solar y la convierte en energía calorífica. En el mercado se pueden encontrar los siguiente tipos:

El Colector de placa plana
Es el convertidor solar térmico que convierte la energía solar en energía térmica extraída del mismo mediante un fluido y que aprovecha el efecto invernadero. La conversión se realiza mediante una placa metálica que transfiere la energía térmica a un líquido en contacto con la placa. Otros elementos del colector son:

Cubierta transparente– Permite aprovechar más energía mediante el conocido efecto invernadero. Impide que la radiación infrarroja emitida por el absorbedor se pierda, posibilitando que la misma vuelva a la placa absorbedora y sea aprovechada. Proporciona la estanquidad necesaria para evitar la entrada de agua o aire. Se debe prestar especial atención a su resistencia mecánica, pues debe soportar la fuerza del viento o la presión de la nieve acumulada. Los materiales más empleados son el vidrio – La transmisión energética debe ser elevada y depende del espesor, del ángulo de incidencia y del tipo de vidrio. Suelen ser recocidos o templados, lo que mejora sus propiedades mecánicas sin empeorar la óptica. Deben soportar las posibles presiones externas, así como las dilataciones o enfriamientos rápidos (debido a tormentas). Plástico – Presentan propiedades ópticas similares al vidrio, facilitando también el efecto invernadero. Pesan poco y son poco frágiles, además tienen baja conductividad térmica. Como inconvenientes está el posible abombamiento al dilatarse y que son inestables a la luz ultravioleta reduciéndose con el tiempo su transmisión energética. Doble vidrio – Aumentan el efecto invernadero y reducen las pérdidas por convección. Aumentan la temperatura de la placa absorbedora y la del fluido caloportador. Sin embargo, son elevados en precio y las pérdidas ópticas con lo que serán de aplicación exclusiva en condiciones ambientales frías.

El absorbedor – Recibe la radiación solar y la convierte en calor que se transmite al fluido caloportador. Las formas son diversas: placas metálicas separadas unos milímetros, una placa metálica con tubos soldados o embutidos o dos placas metálicas con una circuito en su interior. La cara expuesta al sol debe captar la mayor cantidad de rayos de sol por lo que se suele pintar de color negro u oscuro para conseguir una superficie selectiva (muy absorbente a la radiación y baja emitividad).En cuanto a la transmisión del calor desde la placa al líquido es muy buena en absorbedores de doble lámina y algo peor con tubos adosados. Es importante evitar los puentes térmicos entre el absorbedor y la carcasa, debiendo estar bien aislados térmicamente (calorifugados).

Aislamiento posterior – Se emplea para reducir las pérdidas térmicas en la parte trasera del absorbedor que debe ser de baja conductividad térmica. Los materiales pueden ser lana de vidrio, lana de roca, corcho, poliestireno o poliuretano. Se suele incluir una lámina reflectante (aluminio) tras la placa absorbedora que refleja la radiación posterior reenviándola a la placa.

La carcasa – Protege y soporta los elementos de colector, permitiendo además anclar y sujetar el colector al edificio. Debe resistir los cambios de temperatura (dilataciones) sin perder la estanquidad. Debe resistir la corrosión. Se hacen colectores completamente estancos al aire, si bien pueden realizarse estancos al agua pero no al aire (orificios en la parte baja).

Colectores de vacío
Son convertidores solares térmicos que permiten obtener mayores temperaturas. Aplicados a temperaturas medias pueden emplearse para producir aire caliente y en procesos industriales. Son capaces de aprovechar la radiación difusa y también funcionan con tiempo frío.
El elemento colector se encuentra insertado en un tubo al que se le ha practicado vacío, este reduce las pérdidas y los riesgos de corrosión y deterioro, con lo que la durabilidad es mayor y también el rendimiento. Existen dos tipos de colectores tubulares de vacío:

Flujo directo – Tienen en su interior una placa absorbedora a la que hay adherido un tubo coaxial. Por este tubo circula el líquido caloportador.

Con tubo de calor – Consiste en un tubo hueco cerrado en sus extremos y en el que hay una pequeña cantidad de fluido vaporizante. Al calentarse el tubo, el líquido absorbe el calor y se evapora, subiendo hacia la parte alta del tubo. El líquido retorna a la parte baja del tubo por la gravedad, repitiéndose de nuevo el ciclo evaporación-condensación

Conceptos fundamentales de la Energia Solar

El sol es una estrella de tipo medio, se estima que tiene una vida de 5000 millones de años. Tiene un radio de 700.000 Km. con una masa solar de 330.000 veces la masa de la Tierra. En la parte externa se produce la fusión que emite energía en forma de E = mc2. Se le considera un cuerpo negro ideal, que es aquel que absorbe la energía y emite toda la energía que tiene.
La intensidad máxima en un punto de la Tierra es 1’4 Kw/m2 si esta ideal, es decir, si en el camino no se perdiese nada.
Las ondas del sol llegan como ondas electromagnéticas en forma de fotones, se propagan a la velocidad de la luz e = 300.000 Km/seg. Un rayo tardará unos 8 minutos en llegar a la Tierra. En cada segundo el sol libera una energía de 4  10 26 Julios. Se le considera una temperatura constante de 5900 Kelvin. Emite en diferentes longitudes de onda y dependiendo de estas están los rayos ultravioleta, el espectro visible y los rayos infrarrojos.

La intensidad de la radiación que llega a la parte exterior de la atmósfera de la Tierra se conoce como constante solar (G). No es un valor constante puesto que la distancia entre el Sol y la Tierra tampoco lo es, y esa intensidad es dependiente de la distancia. Oscila en valores entre 1400 y 1310 w/m2, tomándose como valor establecido 1353 w/m2. Sin embargo, después de atravesar la atmósfera se cuantifica que la constante solar es de 1100 w/m2.
A la superficie de la Tierra le alcanzan tres tipos de radiaciones:

Radiación directa – Es la que llega a la Tierra en línea recta desde el círculo solar.

Radiación difusa – Se difunde y dispersa al chocar con la atmósfera. Sufre muchos cambios de dirección, por ello da la sensación que procede de la bóveda celeste. Es capaz de alcanzar una superficie aunque no este expuesta al sol.

Radiación de Albedo – Procede de cuerpos cercanos (por ejemplo un edificio). No se suele considerar a efectos de cálculo porque tiene un valor despreciable.

Algunos efectos que producen las radiaciones solares son por ejemplo el color del cielo. Es de color azul por el choque de las radiaciones con las moléculas de nitrógeno y oxígeno. En el atardecer y amanecer, los rayos del sol llegan más oblicuos por lo que la cantidad de aire a atravesar es mayor, por esa razón se ve de color rojizo.
La radiación total será la suma de todas las radiaciones. Las radiaciones no llegan en la misma medida, ni siquiera la directa y la difusa.

La energía que llega a una superficie:
-Irradiación (E) – Es la cantidad total de energía en forma de radiación que llega a una superficie determinada en un tiempo establecido. En el S.I. la unidad es el Julio.
-Irradiancia (I) – Es la energía incidente por unidad de tiempo y superficie. En el S.I. se mide en W/m2.

Como es lógico la energía debida a la radiación directa que puede interceptar una superficie expuesta a los rayos solares, depende del ángulo que forma la misma con dichos rayos.
I’ = I  cos. α
El aparato medidor de la radiación se conoce como piranómetro.

Astronomía de posición solar
La Tierra va girando alrededor del sol y tarda en dar una vuelta completa 365 años. A la región que hay entre la órbita de la Tierra y el Sol se le conoce como eclíptica. Va girando sobre sí misma tardando en dar una vuelta completa 24 horas. La razón por la que las horas de sol son mayores en verano, así como lo que da lugar a las estaciones del año es que el eje de la Tierra está desviado unos 23’5º. No influye en esto la distancia con el sol.

Cuando observamos el sol, vemos que aparece por el este y se pone por el oeste. Además no tiene la misma altura en invierno que en verano, por eso para indicar la posición del sol tendríamos que dar dos coordenadas que son el azimut, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto al sur y la altura solar, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto a la superficie horizontal.
Los colectores deberían ir orientados hacia el sur porque así el sol incidiría prácticamente todo el día. Si no fuese posible, habría que elegir la más favorable con desviaciones menores del 25%.

Para considerar la sombra de los colectores o de un obstáculo hay que tener en cuenta el solsticio de invierno, debido a que es cuando más bajo está el sol y más sombra se produce.
Respecto a la inclinación de los colectores, debe buscarse que los rayos del sol incidan lo más perpendicular posible en el colector, por lo que se deben de inclinar. Esta inclinación varía en función de la latitud del lugar ±10%.

Introducción a las Energias Renovables

Energías renovables – Energías que se pueden reutilizar. Son inagotables, algunos ejemplos son:

Energía Solar (fotovoltaica y térmica).
Energía eólica.
Energía hidráulica.
Energía de las Mareas.
Energía Geotérmica.

Energías alternativas – Son energías obtenidas desde materias primas no agotables. Se buscan para suplir las energías actuales en razón de su menor efecto contaminante y de su capacidad de renovarse. Algunos ejemplos son:

Energía hidráulica.
Energía de las Mareas.
Energía Geotérmica.
Energía Fusión (nuclear limpia). Dos átomos muy ligeros (hidrógeno) se unen y como residuo se obtiene helio.

Energía solar – Se puede dividir en:

Activa – A través de medios se aprovecha de forma controlable la energía.
Pasiva – Optimiza la construcción de los edificios para aprovechar la energía pero sin ningún elemento para captar energía. Por ejemplo estarían los invernaderos o los muros trombe.

Atendiendo a otro tipo de clasificación, la energía solar, también se puede dividir en:

Térmica:
Baja temperatura (hasta 150 ºC) - Se pasa un fluido por un elemento activo (panel) y este alcanza la temperatura. Todo colector se compone de una serie de tubos, a los que se conoce como parrilla, con unas aletas para que la superficie sea mayor, transmitiendo estas el calor a los tubos. Van integrados dentro de un cofre, que es la caja donde va integrado el sistema, a este último se le aplica una capa captadora (color negro) y un aislante para evitar fugas de calor. Además También van provistos de un cristal para conseguir el efecto invernadero. Este sistema se suele emplear para auxiliar a la caldera o como alternativa.

Colector de placa plana: Hay dos tipos:

Selectivo – Debido al tratamiento de la parte absorbedora, que suele ser bastante captadora y que prácticamente no se pierde nada de temperatura. Alcanzan hasta los 100 ºC.
No selectivo. Tratamiento no muy bueno. Hasta 80 ºC.

Tubo de vacío - Los hay de dos tipos:

Flujo directo – Son una serie de ampollas con unos tubos que pasan por dentro de la ampolla. Suelen alcanzar las temperaturas más altas, entre 120y 130 grados. Dentro de las ampollas se extrae el aire para obtener un mayor poder calorífico.
Heat Pipe – Es la tecnología más elevada en baja temperatura. La forma es similar al anterior tipo pero los fluidos no están en contacto, sino que son los elementos. Para conseguirlo se rellena la ampolla de un líquido refrigerante que cambia de estado rápidamente, es decir, al calentarse se vuelve gas y sube a la parte superior, mientras que la parte más enfriada se queda en la parte inferior. Tiene una serie de ventajas respecto a la de flujo directo como son que las ampollas son independientes, es decir si se rompe una, la instalación no para, tampoco pierde energía calorífica. Como principal desventaja destaca que sólo sirven para sitios poco calurosos y son caros.

Polipropileno – Son tubos soldados entre sí y unidos. Van al exterior, sin aislamiento, ni cofre, ni cristal. La única aplicación es para el calentamiento de piscinas ya que el rendimiento es bajo.

Media temperatura (Desde 150 ºC a 600 ºC) – Se consiguen con los C.P.C. (cilindro parabólico de concentración). Son una especie de media luna con unos espejos. En el medio llevan un tubito. La radiación refleja en los espejos e incide en ese tubo. Van girando según la posición del sol. Se pueden utilizar para calefacción y sólo son experimentales.

Alta temperatura (desde 600 ºC hasta los 1200 ºC) – Son campos de helióstatos. Son también experimentales, en España hay dos. Consiste en miles de espejos orientados al sol y reflejan hacia un punto determinado donde se encuentra un depósito de agua, este alcanza una temperatura muy elevada. Al ebullir el agua se puede conseguir electricidad.

Fotovoltaica:
Silicio monocristalino – A partir de una molécula de silicio se obtiene un lingote, este se va cortando hasta conseguir la figura deseada. Es el de mayor rendimiento, pero también el más caro. Tiene una potencia muy estable.
Silicio policristalino – Los recortes son aprovechados y refundidos. La apariencia es como de muchos cristalitos. Dentro de este tipo tendríamos los policristalinos de lámina delgada cuya utilidad suele ser para calculadoras, luces de jardín…
Arseniuro de galio – Son células muy pequeñas y muy costosas. Su rendimiento oscila entre un 23-25%.
Bifaciales – Captan por los dos lados de la célula.

Energía eólica
Suelen entregar entre 0’5 a 50 Kw. Lo más importante a tener en cuenta en esta tecnología es la situación del aerogenerador. Tiene que estar lo más alto posible. En invierno se consigue más energía por la densidad del aire. Puede ser de eje horizontal o de eje vertical (rendimiento menor pero con menor ocupación). Los aerogeneradores se pueden clasificar en función de la velocidad del viento. Con mucho viento todos los aerogeneradores se paran.

Energía Solar Térmica

Indice del curso sobre instalaciones de energia solar térmica

Cálculos