Energía Solar Térmica

El Sol

Nuestro planeta recibe del sol una cantidad de energía anual de aproximadamente 5,4 x 10²⁴ J, cifra que representa 4.500 veces la energía que se consume. Incluso con su abundancia, el aprovechamiento de la radiación solar está condicionado principalmente por tres aspectos: la intensidad de radiación recibida por la Tierra (cantidad de energía por unidad de tiempo y superficie), los ciclos diarios y anuales (día y noche, y estaciones del año) a los que está sometida, y las condiciones climáticas (horas de sol anuales) de cada emplazamiento.

En general, el término “radiación solar” hace referencia a los valores de irradiación global, es decir, la cantidad de energía recibida por unidad de superficie en un tiempo determinado (medida en W/m²).

Estos valores, normalmente, hacen referencia a la energía que proviene directamente del disco solar (radiación directa) y a la energía que, difundida por la atmósfera, proviene del resto del cielo (radiación difusa*).

Las pérdidas en la atmósfera por reflexión*, absorción* y dispersión reducen el valor de la radiación solar que llega a la Tierra en un 30%. Así, la intensidad de radiación que se recibe en la superficie de la Tierra se sitúa alrededor de 1.000 W/m², siendo las condiciones climatológicas las que condicionan los valores de radiación finalmente recibidos.

 

Descripción de la tecnología

Podemos hablar de dos tipos de aprovechamiento de la energía solar: el que se utiliza para producir energía térmica (básicamente, agua caliente sanitaria y calefacción) y el que convierte la radiación solar en sus dos vertientes: electricidad mediante la denominada tecnología fotovoltaica y en calor mediante la tecnología termoeléctrica.

Finalmente, hay que considerar también la posibilidad de hacer un uso más global de la radiación solar en la construcción de edificios. Esta forma de aprovechar la energía solar recibe el nombre de arquitectura bioclimática y tiene en cuenta la luz natural y las condiciones climatológicas de cada emplazamiento para la construcción de nuevas viviendas.

La energía solar térmica

Las instalaciones solares térmicas consisten en un sistema de captación de la radiación que proviene del sol (el captador solar), un sistema de almacenamiento de la energía térmica obtenida (el depósito acumulador) y un sistema de distribución del calor y del consumo. Las aplicaciones más extendidas y conocidas son las de baja temperatura, es decir, las que proporcionan calor a temperatura inferior a 100ºC. A continuación, se describen los principales componentes de este tipo de instalaciones:

El captador solar térmico

El captador plano de cubierta vidriada es el tipo de captador que, hasta ahora, ha tenido más difusión. Su funcionamiento está basado en el efecto invernadero, es decir, capta la radiación solar en su interior, la transforma en energía térmica y evita la salida al exterior. Los principales elementos que configuran un captador solar con cubierta vidriada son:
·         Cubierta transparente
·         Superficie absorbente
·         Tubos de circulación
·         Material aislante

 

La radiación solar, al llegar al captador, atraviesa la cubierta transparente e incide en la superficie absorbente, que capta esta radiación y la transmite, en forma de energía térmica, al fluido que circula. Normalmente, este fluido es agua con un líquido anticongelante, aunque también puede ser aire, en los llamados captadores de aire, que normalmente se utilizan para la calefacción.

Como norma general, los captadores se tienen que instalar orientados al Sur para captar la máxima radiación solar, y su inclinación respecto al plano horizontal tiene que ser igual a la latitud del emplazamiento.

Depósito acumulador Sirve para acumular la energía en los momentos del día en que es posible y utilizarla cuando se produce la demanda. En instalaciones pequeñas, es posible incorporar el acumulador en la parte superior del captador: son los equipos llamados termosifones, que aprovechan la circulación del agua por diferencia de temperaturas (convección*).

Sistema de distribución del calor y del consumo

Consta de un sistema de control y gestión de las instalaciones, tuberías y conductos, bombas para hacer circular los fluidos, purgadores de aire y diversas válvulas.

Sistema de soporte

Para suplir posibles períodos sin sol, las instalaciones solares térmicas incorporan un sistema convencional de calentamiento de agua, que sólo se usa cuando la energía recibida en los colectores no es suficiente.

Las instalaciones solares térmicas se pueden hacer como circuitos abiertos o como circuitos cerrados, según si el mismo agua que circula por los captadores solares es agua de consumo o no.

Las instalaciones de circuito abierto son más simples, pero presentan el inconveniente del peligro de heladas, corrosiones o incrustaciones en el captador. En los sistemas de circuito cerrado no hay mezcla entre el líquido que circula por los captadores (circuito primario), al cual se añade un anticongelante, y el agua destinada al consumo (circuito secundario).

 

Energía Solar Termoeléctrica

La tecnología solar termoeléctrica tiene como objetivo la generación de electricidad bajo el esquema de una planta térmica convencional de ciclo Ranking (vapor de agua-turbina-alternador), con la diferencia de la fuente térmica empleada, ya que en vez de quemar combustibles fósiles, se calienta un fluido por concentración de la radiación solar.

Existen en la actualidad tres tecnologías termoeléctricas:

 ·         Colectores solares cilindro-parabólicos:

La concentración de la radiación se lleva a cabo mediante unos colectores de forma cilíndrica con superficie especular, siendo la superficie de calentamiento un tubo situado en el eje del cilindro (foco). Por el interior del tubo se hace circular un fluido (aceite) que se dirige a un intercambiador de calor en contracorriente con agua (vaporizador), donde se genera vapor de agua, siendo este vapor el que mueve una turbina. Esta turbina es la que produce electricidad gracias a un alternador acoplado a su eje. El seguimiento del sol se realiza por lo general en un eje y el factor de concentración es de 30-80.

Además, cabe la posibilidad de utilizar un sistema de almacenamiento térmico (mediante sales), que permite alargar las horas de funcionamiento de la planta.

·         Centrales de torre:

La concentración de la radiación se lleva a cabo mediante unos helióstatos que reflejan la radiación incidente sobre una superficie absorbedora situada en lo alto de una torre. Por esa superficie se hace circular un fluido que cumple las funciones de refrigerar por convección la superficie y transportar la energía térmica para producir vapor. El resto del ciclo es convencional de vapor. El seguimiento del sol se realiza por lo general en dos ejes y el factor de concentración es de 200-1000.

 

·         Disco motor:

La concentración de la radiación se lleva a cabo mediante un disco parabólico sobre una superficie situada en el foco. Esta superficie coincide con el foco caliente de un motor Stirling. El seguimiento del sol se realiza en dos ejes y el factor de concentración es de 1.000 – 4.000.

Aplicaciones de la energía solar térmica

Las principales aplicaciones solares térmicas a baja temperatura son la producción de agua caliente sanitaria (duchas, cocinas, etc.) y la calefacción de viviendas y piscinas. En general, en una misma instalación, estas aplicaciones no se suelen presentar individualmente, sino combinadas.

·         Producción de agua caliente sanitaria (A.C.S.)
Es la aplicación más rentable de la energía solar, porque la instalación está en servicio durante todo el año (al contrario de lo que pasa con la calefacción). Normalmente, las instalaciones no se dimensionan para resolver el 100% de las necesidades de agua caliente, ya que la superficie exigida en invierno, cuando hay menos radiación, daría lugar a la construcción de grandes instalaciones difícilmente amortizables.

 Lo más común es combinar la instalación solar con un sistema de calentamiento convencional (a gas, eléctrico…). Así, el dispositivo solar sólo resuelve una parte del consumo de energía para producción de agua caliente sanitaria (el que se denomina fracción solar).

·         Calefacción
 La calefacción de un local se puede hacer mediante la introducción de aire caliente en su interior o bien mediante elementos calefactores, por dentro de los cuales circula agua caliente. El aprovechamiento de la radiación solar para la calefacción de locales presenta la misma división: se pueden usar captadores de aire o captadores de agua.

En este último caso, no es adecuado utilizar radiadores convencionales, ya que necesitan agua a 80-90oC, mientras que los captadores solares planos trabajan en un rendimiento aceptable, dando agua a 50oC. Entonces, hay que utilizar otros sistemas de calefacción como:

·         Suelo radiante (circulación de agua por unas tuberías situadas bajo el pavimento de los locales).

·         Radiadores sobredimensionados (superficie del radiador mucho más grande que los convencionales, para poder ceder el mismo calor con caudal de agua a una temperatura inferior).

·         Fan-coils o convectores (grupo de tubos por donde circula el agua y que está atravesado por una corriente de aire que se calienta y que se distribuye por el ambiente).

 ·         Calentamiento de piscinas

El consumo de energías convencionales para el calentamiento de piscinas está permitido por ley sólo cuando están situadas en locales cerrados. Para piscinas al aire libre, la energía solar térmica es la opción más adecuada.

Se pueden usar sistemas de circuito cerrado (cuando se combina la generación de agua caliente sanitaria o calefacción con captadores solares planos), o circuito abierto (para usos sólo en época estival, se pueden usar captadores de caucho o plástico, más económicos que los planos).