Tema 3: ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Objetivos: A partir de este tema empezamos a estudiar cada tipo de energía renovable más en detalle.

Comenzamos con la energía solar térmica, cuyo uso principal es el calentamiento de agua, que podrá ser utilizado para diferentes usos (agua caliente sanitaria, piscinas o procesos industriales).

Este tipo de energía se caracteriza por ser una de las más utilizadas, con niveles de rendimiento muy altos en nuestras latitudes y de un amplio rango de usos.
Los temas que trataremos son:

• Introducción

• Elementos de una instalación de energía solar térmica

• Sistemas de energía solar térmica

• Esquema de una instalación de energía solar térmica

• Aplicaciones

• ¿Cuanto cuesta?

Introducción

Cada año el Sol arroja sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que se consume. España se ve particularmente favorecida por este hecho respecto al resto de los países de Europa, dada su privilegiada situación y climatología.

La radiación solar global sobre la superficie horizontal en España oscila entre los 3,2 kWh/m2/día de la zona más septentrional (norte) del territorio hasta los 5,3 kWh/m2/día de la isla de Tenerife. Valores superiores a 5 kWh/m2/día se pueden alcanzar en gran parte de Andalucía, Castilla-La Mancha, Extremadura, Murcia, la Comunidad Valenciana, Ceuta y Melilla.

Estimación de la cantidad de energía media diaria por unidad de superficie (irradiación)

Fuente: INM, generado a partir de isolíneas de radiación solar global anual sobre superficie horizontal.

La energía solar térmica aprovecha esta fuente energética que llega hasta nosotros limpia e inagotable.

Con más de 30 años de experiencia y numerosas instalaciones realizadas, actualmente la energía solar térmica de baja temperatura ha alcanzado su plena madurez tecnológica y comercial.

El principio de funcionamiento es sencillo: se basa en la captación de la energía solar mediante un conjunto de colectores por los cuales se hace circular un fluido caloportador que se transfiere a un sistema de almacenamiento para abastecer el consumo de agua caliente a una temperatura de entre 45 y 100ºC dependiendo del tipo de colector utilizado.

La energía empleada en la producción de los distintos elementos que componen una instalación solar térmica se recupera en zonas de radiación, como la de España, en el ahorro equivalente del primer año de operación.

Elementos de una instalación de energía solar térmica

La tecnología de los colectores planos es muy simple y está basada en procesos de transferencia de calor. El colector solar es la pieza clave en un sistema de energía solar térmica de baja temperatura, ya que es el que se encarga de transformar la radiación solar en calor aprovechable y útil para el hombre.

En las instalaciones de captación de energía solar para uso térmico se utilizan los siguientes elementos:

• Colectores: existe un amplia gama de tipos de colectores solares, algunos en fase de investigación. Actualmente los más utilizados son:

• Colectores planos: aprovechan la energía directa y difusa que incide sobre ellos. Formados por una superficie absorbente de la radiación solar, por ella circula un fluido caloportador que aumenta de temperatura al contacto con la placa absorbente. Suele ser metálica (cobre). Además tienen una cubierta transparente (vidrio templado) y un aislante térmico que disminuye las pérdidas de calor.
  El líquido caloportador es el encargado de transportar el calor hasta un sistema de almacenamiento a una temperatura de hasta 45ºC.
  Funcionan según el llamado efecto invernadero: la cubierta es transparente a la radiación visible pero opaca a la radiación infrarroja, de este modo la radiación solar, que es visible en su mayoría, llega al absorbedor calentándolo y emite radiación infrarroja que rebota en el cubierta volviendo a calentar otra vez el absorbedor.
• Tubos de vacío: el absorbente se sitúa en una zona donde existe el vacío, introduciéndolo dentro de un tubo evitando las humedades y condensaciones y por tanto aumenta no solo el aislamiento sino también su duración.
  Las perdidas por convección quedan prácticamente eliminadas al existir el vacío y al utilizar recubrimientos selectivos en los absorbedores y estar a la vez rodeados de vidrio, quedan minimizadas las perdidas por radiación, esto hace que este tipo de solución proporcione valores altos de rendimiento, sobretodo a temperaturas mas elevadas.

• Estructura de soporte y anclaje.

• Conducciones (Tuberías): los materiales utilizados son cobre, acero galvanizado, acero negro y plástico (polietileno reticulado). El más aconsejable es el cobre, por su fácil uso.

• Acumuladores: se utilizan para acumular el agua que los colectores solares está calentando. Se fabrican de acero, acero inoxidable, aluminio o fibra de vidrio reforzada. Su forma suele ser cilíndrica y conviene colocarlos en vertical para que favorecer la estratificación del agua y que la más caliente se sitúe en la parte de arriba. Para su dimensionado puede utilizarse un sencillo cálculo: 75 litros de acumulación por cada m² de colector.

• Aislamientos, que evitan las pérdidas de calor del fluido.

• Bombas: su elección depende del caudal total y de las pérdidas de carga de la instalación. Se utilizan para mover el agua a través de los colectores solares y a través del intercambiador de calor.

• Intercambiadores: se utilizan para separar dos circuitos diferentes, el de los colectores y el de agua de consumo. Puede situarse dentro del acumulador o exteriormente. La superficie de intercambio recomendada es de ¼ o 1/3 de la superficie útil de colectores.

• Elementos de control, accionamiento y seguridad:

• Depósito de expansión: que absorben las dilataciones del agua cuando se calienta.

• Válvulas de seguridad: elemento de seguridad que limita la presión del circuito.

• Purgadores: elemento encargado de evacuar los gases contenidos en el fluido del circuito.

• Otros: manómetros, termómetros, termostatos, válvulas de paso, antirretorno.

Sistemas de energía solar térmica

Para que las instalaciones funcionen con el máximo rendimiento deben guardar una orientación e inclinación determinadas:

• Ángulo de inclinación: ángulo existente entre el plano del colector y la horizontal. Debe situarse entre 30 y 45º, aunque se aceptan inclinaciones entre 25 y 70º.

• Ángulo acimutal: es el ángulo que da la desviación del colector con respecto a la dirección del sur. Debe ser de hasta 45º.

Las instalaciones solares térmicas se pueden dividir en dos tipos:

• Sistemas pasivos de circulación natural: no utilizan ningún medio mecánico (bomba) para mover el agua. Esta se desplaza debido a que el agua caliente, tiene una densidad mayor y se eleva, con respecto a la fría. Esto hace que el agua, dentro del colector solar, según va aumentando de temperatura va circulando. Las instalaciones de este tipo son los sistemas llamados termosifón. Se caracterizan porque el acumulador del agua caliente se sitúa detrás de los colectores y siempre por encima de estos, para que se produzca sin problemas el efecto termosifón.

  Su ventaja es que no necesitan suministro eléctrico, son de bajo coste, y de sencilla instalación. Su inconveniente es que son instalaciones pequeñas, normalmente 2 colectores y 200 litros de acumulación, no hay posibilidad de regular la temperatura del depósito y al ser necesario que se sitúe por encima de los paneles puede resultar antiestético. Es recomendable para viviendas unifamiliares.

• Sistemas activos o forzados: estos sistemas sí necesitan medios mecánicos que muevan el agua (bombas). El acumulador del agua caliente puede ocupar una posición indiferente, más próxima a su utilización.

  Sí necesitan suministro de energía eléctrica para el funcionamiento de las bombas, pueden ser instalaciones de cualquier tamaño.

Esquema de una instalación de energía solar térmica

Las instalaciones forzadas, es decir con bombas, se dividen en dos circuitos diferentes:

• Circuito primario: Está formado por el campo de colectores solares, conducciones que llegan al intercambiador y bomba de circuito primario.
  El fluido que se encuentra en este circuito suele ser una mezcla de agua y anticongelante, necesario para evitar que las bajas temperaturas, al congelar el agua, rompan los colectores, tuberías y demás elementos de la instalación.

• Circuito secundario: Está formado por el intercambiador, conducciones, acumulador de agua caliente y bomba de circuito secundario.
  El fluido que se encentra en este sistema es el agua que sí se consume por lo que debe tenerse en cuenta que esta parte del circuito estará afectada por la normativa antilegionela, por tanto los materiales que se utilicen aquí deben aguantar altas temperaturas.

Ejemplo: Instalación de ACS en vivienda unifamiliar

En viviendas multifamiliares y, en general, instalaciones grandes: se utilizan sistemas forzados.

Aplicaciones

Es importante señalar, en primer lugar, que las instalaciones solares siempre necesitarán un sistema energético de apoyo, que se utilizará con las condiciones de radiación solar impidan que el sistema solar caliente suficiente cantidad de agua o a suficiente temperatura. Este sistema de apoyo se diseñará siempre para que cubra el total del consumo.

La aplicación más generalizada de los sistemas solares es la generación de agua caliente. Su uso dependerá del lugar donde se produzca la instalación.

Así en viviendas, hoteles, residencias, hospitales, campings, instalaciones deportivas, se utilizará para calentar el agua sanitaria.

• Instalaciones de agua caliente sanitaria (ACS): Se utilizan los colectores para calentar el agua que se utiliza para duchas, cocinas, etc. Es la aplicación más extendida, 80-90% de las instalaciones, ya que la temperatura de aplicación es muy apropiada para la energía solar. Estas instalaciones cubren el 70% de las necesidades de energía.

Pero se puede utilizar el calor del sol para calentar agua necesaria para otros usos:

• Calentamiento de agua para piscinas: Se pueden utilizar sistemas de energía solar térmica para calentar piscinas cubiertas, en este caso su uso será durante todo el año, o piscinas exteriores, en este caso el calor del sol consigue aumentar la temperatura de la piscina unos grados, y se alarga así la temporada de baño de primavera a otoño. Esta segunda aplicación suele utilizarse en combinación con sistemas de calefacción y agua caliente sanitaria. En este caso la superficie absorbente de los colectores solares utilizados son de plástico.
• Calefacción: El calor que se produce en los colectores solares puede utilizarse para calentar el agua de la calefacción, aunque dependiendo del tipo de sistema de calefacción utilizado será necesario un tipo u otro de colector térmico.

  Así para los colectores solares planos, por la temperatura media que alcanzan, unos 45ºC tienen buen rendimiento en calefacciones de tipo de suelo radiante u otros sistemas de baja temperatura.

  En el caso de utilizar sistemas de calefacción con radiadores convencionales, que funcionan con temperaturas de entrada más altas, en el entorno de los 80ºC, para que se consigan buenos rendimientos de la instalación es conveniente utilizar colectores de tubo de vacío.

  También pueden usarse colectores planos, pero en invierno no se alcanzará la temperatura necesaria, por tanto, se precalentará el agua de la caldera, necesitando menos consumo de tipo de energía convencional (electricidad, gas) que utilice el sistema, pero el rendimiento de la instalación será menor.
  El gran problema al que se enfrentan estas instalaciones es que el momento que más energía necesitan no coincide con el momento de mayor radiación, verano. De modo que en verano, cuando más energía térmica hay disponible, no se utiliza.

  Por eso, las instalaciones de calefacción suelen hacerse sólo en el caso de que exista una piscina, de ese modo el sistema libera el calor producido en verano a la piscina y al utilizarse todo el año, aumenta el rendimiento de la instalación.

• Calentamiento en aplicaciones industriales: los sistemas de energía solar térmica son capaces de calentar un fluido, puede ser agua u otra clase de fluido, a diferentes grados de temperatura.

  Existen instalaciones industriales que utilizan en sus procesos diferentes fluidos a temperaturas que fácilmente alcanzan los colectores solares.
  Algunos ejemplos de estos usos son:

• Calefacción en granjas e industrias
• Lavados y secados
• Producción de vapor,
• Esterilización
• Pasteurización
• Limpiezas
• Frío industrial
• Mataderos
• Bodegas
• Conserveras
• Industrias alimentarias ...

• Sistemas de refrigeración: Uso de sistemas solares térmicos para calentamiento de agua que se utilizará para la calefacción en invierno y, gracias al uso de una máquina de absorción, producirá frío útil en sistemas de refrigeración. Estos sistemas, de reciente desarrollo, tienen un gran potencial en nuestro país, ya que los momentos de más radiación solar, verano, coinciden con los momentos de punta de demanda de energía para abastecer sistemas de aire acondicionado.

  Con el progreso y extensión de estos sistemas combinados, se consigue no consumir la energía correspondiente a calefacción y refrigeración.

Para estas instalaciones es necesario utilizar tubos de vacío, no son válidos los sistemas de colector plano porque para que la máquina de absorción funcione perfectamente necesita temperaturas de entrada de agua del entorno de 90-100ºC, que se alcanzan sin problemas con los sistemas de tubo de vacío pero no con los colectores planos.

¿Cuánto cuesta? (Datos IDAE)

¿Cuanto cuesta energía solar vivienda unifamiliar?

Fuente IDAE, 2006

¿Cuanto cuesta energía solar 20 viviendas?

Fuente IDAE, 2006

Coste energía solar instalación hotelera 400 camas

Fuente IDAE, 2006
Datos en moneda corriente. Índice de actualización del combustible e IPC 2%

como lleva gráficos y fotos os recomiendo que descargeis el adjunto

TEMA 3

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