Energia solar tèrmica

Colector solar

L'energia solar tèrmica és la utilisació de la radiació solar per a, en el cas d'una instalació domèstica, el calfament a baixa temperatura d'aigua (o eventualment atres fluïts), destinada a l'us com aigua calenta sanitària o calefacció. Adicionalment, pot usar-se per a alimentar una màquina de refrigeració per absorció, que ampre calor en lloc d'electricitat per a condicionar l'aire.

Una instalació d'energia solar tèrmica consta d'un conjunt de plaques, generalment fixes en els seus tres eixos, per a les quals discorren uns tubos que s'exponen d'esta forma a la radiació solar. Les característiques constructives responen a la minimisació de les pèrdues d'energia una vegada calfat el fluït que transcorre pels tubos, pel que es troben aïllaments a la conducció (buidor o uns atres) i a la radiació de baixa temperatura. El circuit es completa en un sistema de circulació natural o forçada, un o diversos almagasens per a desacoplar el consum a la producció i generar inèrcia tèrmica en el sistema, i els mecanismes de control i conducció necessaris. A vegades el sistema està hibridat en una caldera de combustible fòssil o de calfament elèctric per a suplementar l'acció del sol.

A més del seu us com aigua calenta sanitària, calefacció i refrigeració (per mig de màquina d'absorció), l'us de plaques solars tèrmiques ha proliferat per al calfament de piscines exteriors residencials, en països on la llegislació impedix l'us d'energies d'atre tipo per a esta fi.

L'atra forma d'aprofitament de l'energia solar tèrmica és per a produir energia elèctrica calfant un fluït en el Sol. Este fluït calent entra en contacte en aigua dins de l'intercanviador de calor i produïx vapor que mou una turbina acoplada a un alternador. L'electricitat produïda és transforma a alt voltage i es bolca a la xàrcia elèctrica.

Definició

L'Energia solar tèrmica consistix en l'aprofitament de la radiació provinent del sol per a produir calor. La intensitat d'esta radiació solar, es mesura per mig de dos paràmetros físics: Insolació, que és l'Energia mijana diària, expressada en kWh/m² dia, i Radiació tèrmica, que és la potència instantànea sobre la superfície horisontal, expressada en kW/m².

La calor produïda, pot aprofitar-se per a us domèstic o be per a la producció d'energia mecànica i per tant, produir electricitat. Una de les aplicacions més esteses és el que es coneix com aigua calenta sanitària (ACS) que consistix en l'aprofitament d'esta calor per calfar un fluït (aigua) a temperatures inferiors a 80ºC.

Components de la instalació

Una instalació Solar Tèrmica està formada per captadors solars, un circuit primari i secundari, bescanviador de calor, acumulador, bombes, vas d'expansió, canonades i un panel de control principal.

Captadors solars

Els captadors solars són els elements que capturen la radiació solar i la convertixen en energia tèrmica, en calfor. Com a captadors solars es coneixen els de placa plana, els de tubos de buit i els captadors absorbidors sense protecció ni aïllament. Els sistemes de captació plans (o de placa plana) en coberta de vidre són els comuns majoritàriament en la producció d'aigua calenta sanitària ACS. El vidre deixa passar els raigs del Sol, estos calfen uns tubos metàlics que transmeten la calor al líquit de dins. Els tubos són de color fosc, ya que les superfícies fosques calfen més.

El vidre que cobrix el captador no només protegix la instalació sino que també permet conservar el calfor tot produint un efecte hivernàcul que millora el rendiment del captador.

Estan formats d'una carcassa d'alumini tancada i resistent a ambients marins, un marc d'alumini eloxat, una junta perimetral lliure de silicones, aïllant tèrmic respectuós en el mig ambient de llana de roca, coberta de vidre solar d'alta transparència, i finalment per tubos soldats ultrasònics.

Els colectors solars es componen dels següents elements:

• Coberta: És transparent, pot ser-hi present o no. Generalment és de vidre tot i que també s'utilisen de plàstic, ya que és menys car i manejable, pero ha de ser un plàstic especial. La seua funció és minimisar les pèrdues per convecció i radiació i per això ha de tindre una transmitància solar el més alta possible.

• Canal d'aire: És un espai (buit o no) que separa la coberta de la placa absorbent. El seu espessor s'ha de calcular tenint en conte per tal d'equilibrar les pèrdues per convecció i les altes temperatures que es poden produir si és massa estret.

• Placa absorbent: La placa absorbent és l'element que absorbix l'energia solar i la transmet al líquit que circula per les canonades. La principal característica de la placa és que ha de tindre una gran absorció solar i una emissió tèrmica reduïda. Com els materials comuns no complixen en este requisit, s'utilisen materials combinats per tal d'obtindre la millor relació absorció/emissió.

• Tubos o conductes: Els tubos estan tocant (de vegades soldades) la placa absorbent per tal que l'intercanvi d'energia siga el més gran possible. Pels tubos circula el líquit que se calfarà i anirà cap al tanc d'acumulació.

• Capa aïllant: La finalitat de la capa aïllant és recobrir el sistema per tal d'evitar i minimisar pèrdues. Per qué l'aïllament siga el millor possible, el material aïllant haurà de tindre una baixa conductivitat tèrmica.

Captadors solars de placa plana

L'ànima del sistema és un reixa vertical de tubos metàlics, per simplificar, que conduïxen l'aigua freda en paralel, conectats per baix per un tubo horisontal a la presa d'aigua freda i per dalt per un atre de similar al retorn.

La graella ve encaixada en una coberta, com la descrita més amunt, normalment en doble vidre per dalt i aïllant pel darrere.

En alguns models, els tubos verticals estan soldats a una placa metàlica per aprofitar la insolació entre tubo i tubo.

Captadors solars de tubos de buit "tot vidre"

En este sistema els tubos metàlics del sistema precedent se substituïxen per tubos de vidre, encapsulats, d'un en un, en un atre tubo de vidre entre els quals es fa el buit com a aïllament. Els grans aventages que presenten estos tipos de captadors són el seu alt rendiment i que, en el cas que un dels tubos es fes malbé, no cal canviar tot el panel per un de nou, sino que només cal canviar el tubo afectat. Per contra, com a inconvenient tenim que, en relació en els de placa plana, estos resulten més cars.

Captadors solars de tubos de buit en "tubos de calor" per canvi de fase

Este sistema aprofita el canvi de fase de vapor a líquit dins de cada tubo, per lliurar energia a un segon circuit de líquit de transport.

Els elements són tubos tancats, normalment de coure, que contenen el líquit que, en calfar-se pel sol, bull i es convertix en vapor que puja a la part superior on hi ha un capçal més ample (zona de condensació), que en la part exterior està en contacte en líquit transportador, que sent més fret que el vapor del tubo en capta la calor i provoca que el vapor es condense i caiga a la part baixa del tubo per tornar a començar el cicle.

El líquit del tubo pot ser aigua que, havent-ne reduït la pressió fent un buit parcial, tindrà un punt d'ebullició baix per treballar fins i tot en la insolació dels rajos infrarrojos en cas de núvol.

El tubo de calor es pot embolicar en una jaqueta de materials especials per minimisar les pèrdues per irradiació.

El tubo de calor es tanca dins un atre tubo de vidre entre els quals es fa el buit per aïllar. Se solen usar tubos de vidre resistent, per reduir els danys en cas de chicotetes pedregades.

Circuit primari

El circuit primari, és circuit tancat, transporta la calfor des del captador fins a l'acumulador (sistema que almagasena calor). El líquit calfat (aigua o una barreja de substàncies que puguen transportar la calfor) porta la calor fins a l'acumulador. Un cop refredat, retorna al colector per tornar-se a calfar, i així successivament.

Bescanviador de calor

El bescanviador de calor calfa l'aigua de consum a través de la calor captada de la radiació solar. Se situa al circuit primari, al seu extrem. Té forma de serpentí, ya que així, se conseguix aumentar la superfície de contacte i per tant, l'eficiència.

L'aigua que entra a l'acumulador, sempre que estiga més freda que el serpentí, se calfarà. Esta aigua, calfada en hores de Sol, mos quedarà disponible pel consum posterior.

Acumulador

L'acumulador és un depòsit on s'acumula l'aigua calfada útil pel consum. Té una entrada per l'aigua freda i una sortida per la calenta. La freda entra per baix de l'acumulador on es troba en el bescanviador, a mesura que se calfa es desplaça cap a dalt, que és des d'on sortirà l'aigua calenta per al consum.

Internament dispon d'un sistema per evitar l'efecte corrosiu de l'aigua calenta almagasenada sobre els materials. Per fora té una capa de material aïllant que evita pèrdues de calor i està cobert per un material que protegix l'aïllament de possibles humitats i cops.

Circuit secundari

El circuit secundari o de consum, (circuit obert), entra aigua freda de suministrament i per l'atre extrem l'aigua calfada es consumix (ducha, lavabo,...). L'aigua freda passa per l'acumulador primerament, on calfa l'aigua calenta fins a arribar a una certa temperatura. Les canonades d'aigua calenta de l'exterior, han d'estar cobertes per aïllants.

Bombes

Les bombes, en cas que la instalació siga de circulació forçada, són de tipo recirculació (sol haver-hi dos per circuit), treballant una la mitat del dia, i la parella, la mitat del temps restant. La instalació consta dels rellonges que porten el funcionament del sistema, fan l'intercanvi de les bombes, per tal que una treballe les 12 hores primeres i l'atra les 12 hores restants. Si hi ha dos bombes en funcionament, hi ha l'aventage que en cas que una deixe de funcionar, hi ha la substituta, de manera que així no es pot parar el procés davant de la fallada d'una d'estes. L'atre motiu a considerar, és que gràcies a este intercanvi la bomba no sofrix tant, sino que se la deixa descansar, refredar, i quan torna a estar en bon estat (després de les 12 hores) es torna a posar en marcha. Això ocasiona que les bombes puguen allargar durant més el temps de funcionament sense haver-hi de fer cap tipo de manteniment previ.

En total i tal com es definix anteriorment, sol haver-hi 4 bombes, dos en cada circuit. Dos al circuit primari que bomben l'aigua dels colectors i les atres dos al circuit secundari que bomben l'aigua dels acumuladors, en el cas d'una instalació de tipo circulació forçada.

Vas d'expansió

El vas d'expansió absorbix variacions de volum del fluït caloportador, el qual circula pels conductes del captador, mantenint la pressió adequada i evitant pèrdues de la massa del fluït. És un recipient en una cambra de gas separada de la de líquits i en una pressió inicial la qual va en funció de l'altura de la instalació.

El que més s'utilisa és en vas d'expansió tancat en membrana, sense transferència de massa a l'exterior del circuit.

Canonades

Les canonades de la instalació es troben recobertes d'un aïllant tèrmic per evitar pèrdues de calor en l'entorn.

Panel de control

Es dispon també d'un panel principal de control a la instalació, on es mostren les Temperatures en cada instant (un regulador tèrmic), de manera que puga controlar-se el funcionament del sistema en qualsevol moment. Apareixen també els rellonges encarregats de l'intercanvi de bombes.

Tipo d'instalacions

Es coneixen dos tipos principals d'instalacions solars tèrmiques, la de circulació natural i de circulació forçada.

Sistema solar tèrmic de tipo circulació natural o Termosifó

En incidir la radiació solar al captador, transferix la seua energia al fluït contingut en este, que aumenta la seua temperatura i disminuïx així la seua densitat. S'origina, per tant, una diferència tèrmica entre el líquit en el captador i el líquit en l'acumulador (situat a major altura), iniciant-se de forma natural una circulació del fluït calent en direcció a l'acumulador. És a dir, este sistema no requerix de bomba de recirculació i generalment treballa en la pressió de la xàrcia. Respecte als costs operatius és el més econòmic, el seu cost és zero.

Sistema solar tèrmic de tipo circulació forçada

En este tipo de sistema, la circulació del líquit tèrmic pel captador i per la resta de circuit se conseguix per mig d'una bomba de circulació en la regulació corresponent. Esta regulació se conseguix sempre a través d'un termostat diferencial, per mig del diferencial de temperatures.

La circulació forçada, en canvi, presenta un chicotet cost operatiu produït pel treball de la bomba. Els seus usos són en qualsevol tipo d'instalació tant residencial com industrial, especialment quan es requerix grans volums d'aigua.

Funcionament de la instalació

El procés tal com s'ha descrit anteriorment es du a terme en 2 circuits independents, un primari i un secundari. L'energia tèrmica (calor) procedent dels rajos solars arriba als captadors, calfant el fluït que circula pel seu interior (aigua en anticongelant). Esta energia en forma d'aigua calenta és intercanviada fins a un atre circuit on és acumulada a un depòsit acumulador fins a poder ser utilisada com a ACS (aigua calenta sanitària).

El fluït que circula pels colectors és aigua destilada o desionisada en Etilenglicol o Propilenglicol. Al circuit secundari, l'aigua freda d'entrada a l'acumulador, és aigua de xàrcia, per tant, al no ser aigua tractada, s'ha de protegir davant la corrosió.

Principis físics que intervenen en el funcionament del captador solar de placa plana

Efecte hivernàcul

La radiació solar incident en una placa plana, pot ser parcialment absorbida pel cos. Aquella que no s'absorbix és reflectida o travessa (travessa, afecta principalment als cossos transparents).

Esta relació, depenen de diversos factors, com ara:

• L'estat de la superfície.
• La naturalea del cos.
• El gruix del cos.
• El tipo de radiació. Llongitut d'ona.
• L'àngul d'incidència dels raigs solars.

La major part de la radiació solar està compresa entre 0,3 i 2,4 μm, per això passa per un vidre. Un cos es transparent, només per a radiacions en llongitut d'ona entre 0,3 i 3 μm.

El vidre de la placa ha de ser opac, perqué així se calfa en ser impactat per la radiació solar i emet radiacions compreses entre 4,5 i 7,2 μm, esta radiació és absorbida per l'absorbidor.

Les qualitats que cal exigir a un material pera fer-lo servir com a coberta de captadors solars:

1. Elevat coeficient de transmissió de la radiació en la banda de 0,3 a 3μm. 2. Estabilitat en el temps (cosa que no passa en els plàstics). 3. Baix coeficient de transmissió de l'infrarroig llarc. 4. Baix coeficient de conductivitat tèrmica. 5. Resistència al trencament per cops. 6. Baix coeficient de dilatació. 7. No adherència de la brutícia

El vidre, deix passar les radiacions d'ona curta procedent del sol i paren les emissions d'ona llarga procedents de la placa absorbidora). Hi ha alguns plàstics que tenen un comportament similar al vidre, com ara el Policarbonat. El material que es fa servir habitualment en captadors solars plans és el vidre de baix contingut en ferro pera poder-ne millorar la transmissivitat.

La coberta fa l'efecte hivernàcul i minimisa l'intercanvi de calor per convecció entre l'interior i l'exterior del captador.

Cos negre

El cos negre és un atre principi físic que permet el funcionament d'un captador solar tèrmic, una superfície negra i mate, captà millor l'energia que qualsevol atre color. És per això, que les superfícies fosques són les millors com a captadors de l'energia radiada pel sol.

L'absorbidor està format per una superfície metàlica que permet l'intercanvi de calor en l'aigua o fluït que volem calfar. En l'absorbidor impacta la radiació que ha travessat el vidre de la coberta.

Per tal d'aprofitar al màxim este principi els fabricants de captadors enfosquixen l'absorbidor dels seus models seguint principalment dos tècniques:

• Pintures calòriques (que resistixen les temperatures de treball superiors als 100ºC).
• Tractaments selectius (basats en deposicions electroquímiques o pintures en òxits metàlics que tenen la virtut de, a més de ser bons captadors de la radiació, tenir una baixa emissivitat).

A les nostres latituts, la majoria dels fabricants opten per l'opció de pintar l'absorbidor, ya que l'augment de cost dels tractaments selectius no queda compensat per l'augment de rendiment dels captadors.

Si fem passar aigua a través de l'absorbidor, este va prenent la calfor captada i arriba a una temperatura més baixa que la d'equilibri estàtic. Esta cessió de calor serà per conducció.

Aïllament

El tercer dels principis físics que intervenen en el funcionament dels captadors és l'aïllament del conjunt respecte l'exterior, format normalment per un revestiment intern de la capsa contenidor.

Sistema auxiliar o de soport

És aquell sistema que s'activa quan l'aigua no arriba a la temperatura desijada degut a la poca radiació Solar. Este pot ser:

• Un sistema de soport integrat a l'acumulador (resistència elèctrica).
• Bascanviador amb un sistema de soport (com una caldera).
• Calderes de gas conectades al circuit secundari.

Aventages i desaventages del procés

L'energia tèrmica a partir del Sol és l'energia més neta que existix, és a dir, no repercutix sobre el mig ambient i a més a més, no requerix cap mena de transformacions ni produccions adicionals.

Presenta molts aventages entre els quals destaquen:

• Gran qualitat energètica.
• No presenta quasi impacte ecològic.
• Es considera una font inagotable.
• Contribuïx a reduir el CO₂.

D'atra banda, en l'energia solar s'estalvia:

• Combustibles fòssils.
• Emissions atmosfèriques com són les de CO₂, SO₂ i NO₂.
• Atres contaminants com cendres, composts radioactius, entre d'atres.
• L'us d'instalacions de transport i pèrdues energètiques durant este.

En definitiva, l'energia solar favorix:

• L'autogeneració de l'energia.
• L'autosuficiència.
• La qualitat de vida.

Respecte als desaventages de la dita instalació es destaquen els següents:

• El major inconvenient és l'impacte visual, és a dir en l'estètica del mig. Pero tot i així, els panels posseïxen propietats adaptables que poden conseguir que estiguen el més integrats possible al mig que els envolta.
• L'energia Solar és intermitent (no està present de nit) i les variacions atmosfèriques (pluja, núvols, neu, boira) afecten el seu rendiment.
• Un atre inconvenient és la inversió inicial que poques persones s'atrevixen a realisar (tot i que ara ya comença a ser obligatori en les instalacions de nova construcció). Per això és necessari brindar la suficient informació per demostrar que la inversió inicial s'amortisa a mijà termine, i després genera una zona d'estalvi que s'allarga la resta de la vida útil d'estes sistemes, que va de 15 a 20 anys.

Rendiment de la instalació

Els mesos de major rendiment són els mesos d'estiu, ya que són els millors a nivell solar (inclinació, orientació). Quan interessa aumentar el rendiment a l'hivern (en perjuí del rendiment a l'estiu), se solen posar inclinacions per sobre del grau de latitut.

El rendiment dels colectors, es pot calcular en l'equació següent:

η = η₀ - [K₁×∆T/I] - [K₂×(∆T)²/I]

On:

η: rendiment del colector

η₀: rendiment òptic (segons fabricant)

K₁, K₂: coeficients de pèrdua de calor expressats en [W/(m²·K)], [W/(m²·K²)] respectivament (dades segons fabricant)

∆T = (Tª dels colectors després de calfar-se [K]) – (Tª ambient [K])

I = Irradiació [W/m²]

Manteniment de la instalació

La garantia de funcionament d'este tipo d'instalacions és de tres anys. Tot i això, un cop passats estes tres anys, el manteniment que cal fer-hi és bastant reduït. A continuació es mostra la taula del manteniment necessari que es requerix:

• Neteja: La superfície de captació requerix que estiga neta.
• Anticorrosió: Les estructures han de portat la protecció adequada davant la corrosió i rovell.
• Aïllaments: Vigilar que els elements de la instalació (canonades, captadors i acumuladors), tinguen els respectius aïllaments en bon estat.
• Manòmetres i termòmetres: Ajustar les pressions i temperatures dels circuits que es desigen i vigilar que funcionen en bon estat.
• Sobrecalfaments: Assegurar l'adequat funcionament dels sistemes perqué no hi haja sobrecalfaments

Cal fer també revisions generals de la instalació, com són revisions de les fixacions dels captadors i d'altres, fer un bon manteniment de la caldera i controlar tot tipo de pèrdues que hi puga haver al circuit de consum.

Centrals solars tèrmiques

En una central tèrmica es produeix energia elèctrica aprofitant l'energia del Sol per escalfar un fluid. Aquest fluid calent entra en contacte amb aigua dins de l'intercanviador de calor i produeix vapor que mou una turbina acoblada a un alternador. L'electricitat produïda és transforma a alt voltatge i es bolca a la xarxa elèctrica. A l'exemple de sota hi ha la planta d'Andasol. En esta planta el fluït és un oli mineral (òxit de difenil) que se calfa en els concentradors a elevada temperatura, es bombejat fins els dipòsits de sal i cedeix una part del calor que s'emmagatzema durant el dia, cosa que permet produir energia elèctrica durant 7,5 hores de nit en el calor acumulat als depòsits de sal. El fluid (oli) que surt dels depòsits de sal es dirigix a uns atres intercanviadors de calor on passa per uns tubos per fora dels quals circula aigua que se calfa, es transforma en vapor i mou la turbina.

Aventages de les centrals solars tèrmiques

• No presenten quasi impacte ecològic.
• Es considera una font inagotable.
• Contribuïx a reduir el CO2.
• Pot funcionar produint electricitat 24 hores al dia sempre que no estiga nuvolat durant el dia.

Desaventages de les centrals solars tèrmiques

• L'energia solar tèrmica encara no arriba al nivell de rendabilitat de la eòlica ni de la fotovoltaica i li caldran ajudes durant 10 anys.

Índex de Radiació Solar

No tota la radiació provinent del Sol pot ser aprofitada, ja que una bona part no arriba a la superfície terrestre. La radiació que incidix per unitat de superfície, és el que s'anomena irradiància. Aquesta, varia segons la situació geogràfica. A l'equador, poden obtenir-se valors de 300 W/m², mentre que als pols, els valors acostumen a moure's al voltant dels 100 W/m². Pel que fa als valors corresponents a la franja del territori Espanyol, aquests oscil·len entre els 150 i els 200 W/m².

Els valors de radiació solar que incideix a Catalunya estan publicats a l'Atles de Radiació Solar de Catalunya

L'índex de radiació solar és un paràmetro a tenir en compte a l'hora de plantejar la instal·lació de panels solars (afecta al rendiment).

Estadístiques

El fet d'instal·lar plaques solars encara és un sistema escàs, ja que les estadístiques realitzades al 2002 mostren que a Espanya existeixen 282.300 m² de panells solars tèrmics, valor força inferior als 12.844.900 m² totals d'Europa.

Tot i en això, en els últims anys, s'ha produït un notable aument d'instalacions d'est tipo, degut a la major sensibilitat de la població en general, a la disminució dels costs d'estos equips i a l'entrada en vigor del nou Còdic Tècnic de l'Edificació (CTE), el qual obliga a les noves construccions a instalar sistemes d'aprofitament d'energia solar tèrmica.

Enllaços d'interés

• Proyecte energia solar tèrmica
• Portal Solar
• Solar Web