Energía Solar Térmica

La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía procedente del Sol para transferirla a un medio portador de calor, generalmente agua o aire. La tecnología actual permite también calentar agua con el calor solar hasta producir vapor y posteriormente obtener energía eléctrica.

Energía Solar Térmica. Colectores solares

Aplicaciones de la Energía Solar Térmica

  • Producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS): la principal aplicación de la energía solar térmica es la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) para el sector doméstico y de servicios. El agua caliente sanitaria se usa a una temperatura de 45 °C, temperatura a la que se puede llegar fácilmente con captadores solares planos que pueden alcanzar como temperatura media 80 °C. Se considera que el porcentaje de cubrimiento del ACS anual es aproximadamente del 60 %; se habla de este porcentaje, y no superior, para que en la época de mayor radiación solar no sobre energía. La energía aportada por los captadores debe ser tal que en los meses más favorables aporte el 100 %. El resto de las necesidades que no aportan los captadores se obtiene de un sistema auxiliar, que habitualmente suele ser gasóleo, gas o energía eléctrica. Con este porcentaje de cubrimiento los periodos de amortización son reducidos.
  • Calefacción de baja temperatura: la energía solar térmica puede ser un complemento al sistema de calefacción, sobre todo para sistemas que utilicen agua de aporte a menos de 60 °C. Para calefacción con aporte solar, el sistema que mejor funciona es el de suelo radiante (circuito de tuberías por el suelo), ya que la temperatura del fluido que circula a través de este circuito es de unos 45 °C, fácilmente alcanzable mediante captadores solares. Otro sistema utilizado es el de fan-coil o aerotermos.
  • Calentamiento de agua de piscinas: otra de las aplicaciones extendidas es la del calentamiento del agua de piscinas. El uso de colectores puede permitir el apoyo energético en piscinas al exterior alargando el periodo de baño, mientras que en instalaciones para uso de invierno, en las épocas de poca radiación solar, podrán suministrar una parte pequeña de apoyo a la instalación convencional.
  • Aire acondicionada mediante máquinas de absorción: uno de los campos de máximo desarrollo de las instalaciones solares térmicas que se verá en un plazo breve de años será la de colectores de vacío o planos de alto rendimiento que produzcan ACS, calefacción en invierno y, mediante máquinas de absorción, produzcan frío en el verano. La utilización de la energía solar térmica para todos estos sistemas juntos es la mejor forma de aprovechar la instalación, debido a que el uso sólo para ACS y calefacción produce algún excedente en verano, provocando sobrecalentamientos en la instalación que es necesario evitar mediante algún sistema de los existentes. Las aplicaciones de la energía solar térmica se extienden también al sector industrial: agua caliente y precalentamiento de agua de proceso, calefacción, aire caliente y refrigeración.

Sistemas que forman una instalación solar térmica

Una instalación solar térmica esta formada por varios sistemas:

Esquema de un captador solar térmico

  • Sistema de captación: el sistema de captación está formado por captadores solares conectados entre sí. Su misión es captar la energía solar para transformarla en energía térmica, aumentando la temperatura de fluido que circula por la instalación. El tipo de captador más extendido es el captador solar plano que consigue aumentos de temperatura de 60 °C a un coste reducido. Estos captadores están indicados para la producción de agua caliente para diversas aplicaciones: Agua caliente sanitaria, calefacción por suelo radiante, etc. El captador plano está formado por una placa metálica que se calienta con su exposición al Sol (absorbedor); esta placa es de color negro de forma que no refleja los rayos del Sol. Normalmente la placa está colocada en una caja con cubierta de vidrio. Por el interior de la caja se hace circular agua a través de un serpentín o un circuito de tubos de forma que el calor se trasmite al fluido. El efecto que se produce es similar al de un invernadero, la luz del Sol atraviesa la placa de vidrio y calienta la placa ennegrecida. El vidrio es una “trampa solar”, pues deja pasar la radiación del Sol (onda corta) pero no deja salir la radiación térmica que emite la placa ennegrecida (onda larga) y como consecuencia, esta placa se calienta y trasmite el calor al líquido que circula por los tubos.

Para las aplicaciones de calentamiento de agua de piscinas se pueden emplear los captadores no vidriados. Estos están formados simplemente por una gran cantidad de diminutos tubos de metal o de plástico dispuestos en serpentín por los que circula el agua. No necesitan caja ni cubierta de cristal, por esta razón el aumento de temperatura es bajo, en torno a 30 °C. Las pérdidas de calor son grandes lo que limita su aplicación a otro tipo de instalaciones. Los tubos flexibles toleran bien el paso de aguas agresivas, como el agua de piscina clorada, pero aguantan mal las tensiones mecánicas que se producen al congelarse el agua y los rasguños superficiales. Son más económicos que los captadores solares planos.

Existen también en el mercado los captadores solares de vacío. Consisten en tubos de metal que recubren el tubo metálico que contiene el fluido de trabajo dejando entre ambos una cámara que actúa como aislante. Tienen un rendimiento muy elevado, pero su costo también es elevado.

Para aplicaciones de media y alta temperatura existen otros elementos de captación, provistos de sistemas concentradores de la radiación, sistemas de seguimiento de la posición del Sol a lo largo de día, etc.

  • Sistema de acumulación: consiste en almacenar la energía térmica en un depósito de acumulación para su posterior utilización. El agua caliente obtenida mediante el sistema de captación, es conducida hasta donde se va a utilizar. Puede ser directamente, como es el caso del calentamiento del agua de una piscina. En aplicaciones de ACS o calefacción la demanda no siempre coincide con el momento en el que hay suficiente radiación, por tanto si se quiere aprovechar al máximo las horas de Sol será necesario acumular la energía en aquellos momentos del día en que esto sea posible y utilizarla cuando se produzca la demanda.

El sistema de acumulación está formado por uno o más depósitos de agua caliente. La dimensión de los depósitos de almacenamiento deberá ser proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua caliente de uno o dos días.

  • Sistema de distribución: en este sistema se engloban todos los elementos destinados a la distribución y acondicionamiento a consumo: control, tuberías y conducciones, vasos de expansión, bombas, purgadores, válvulas, etc. También forma parte de este sistema el sistema de apoyo basado en energías convencionales (eléctricos, caldera de gas o gasóleo), necesarios para prevenir las posibles faltas derivadas de la ausencia de insolación y hacer frente a los picos de demanda.
  • Sistemas convencionales de apoyo: las instalaciones de energía solar térmica necesitan sistemas de apoyo convencional en previsión a la falta de radiación o a un consumo superior al dimensionado (gasóleo, gas o electricidad). En la mayoría de los casos tanto en instalaciones en viviendas unifamiliares, como en edificios de viviendas, las instalaciones solares se diseñan para proporcionar a las viviendas entre el 60-80 % del agua caliente demandada, aunque en zonas con gran insolación a lo largo del año, el porcentaje de aporte suele ser superior.

En los meses de más baja radiación (otoño e invierno) no se llega a cubrir el 60 % de las necesidades de  energía, mientras que en los meses de alta radiación (primavera y verano) se alcanza prácticamente el 100 % de las mismas. Así, el objetivo con el que se diseñan las instalaciones térmicas es cubrir un mínimo de un 60 % de las necesidades energéticas anuales dependiendo de la zona geográfica.

Pretender cubrir por encima de un 60 % o 70 % anual requeriría colocar un campo solar muy grande, por lo que resultaría un costo sumamente elevado que no se llegaría a amortizar nunca, además de provocar en los meses de mayor radiación, como son los de verano, un excedente de producción que no se podría utilizar y que provocaría problemas de sobrecalentamiento en toda la instalación.

Por este motivo, las instalaciones que mejor funcionan y antes se rentabilizan son las que necesitan ACS para todo el año, calefacción (mejor por suelo radiante) para invierno y cuentan con piscina para verano o incluso todo el año.

Aspectos económicos y sociales

La inversión inicial de un sistema solar térmico será mayor frente al sistema convencional, si bien su coste de funcionamiento durante los más de 25 de años de vida de la instalación será irrelevante comparado con el de compra de combustible o energía eléctrica, reparaciones, mantenimiento, etc asociado al sistema convencional. Así, la instalación de energía solar resulta económicamente más ventajosa, ya que toda la energía que obtengamos del Sol con los captadores solares térmicos, nos la ahorraremos de producirla (quemando combustible en una caldera) o consumirla (de la red eléctrica de distribución). De esta forma, una instalación de energía solar acaba rentabilizándose a lo largo de los años, ya que el ahorro energético que produce se materializa en ahorro económico, el cual permite acabar amortizando el coste de la instalación. Esta amortización puede oscilar entre los 5 y 12 años dependiendo del tamaño de la instalación, de las ayudas obtenidas a fondo perdido, del lugar donde se instale (mayor o menor radiación) y de las necesidades mayores o menores del usuario.

Se pueden enumerar toda una serie de ventajas que nos aporta un sistema solar térmico, empezando por las económicas, pues para unas mismas necesidades el sistema convencional precisará consumir menos combustible, lo que representará para el usuario un menor gasto anual. Podemos continuar resaltando las ventajas medioambientales, puesto que la generación de energía con sistemas convencionales posee unos costes ambientales muy importantes (emisiones de CO2, cambio climático, vertidos, residuos nucleares, lluvia ácida, etc.) en relación con los sistemas solares. Además, la energía solar es independiente del combustible convencional y su abastecimiento, dado que es compatible con cualquier sistema convencional e independiente de la variación del precio de compra del combustible.

Como término medio, un m2 de captador solar térmico es capaz de evitar cada año la emisión a la atmósfera de una tonelada de CO2. Y por último, la larga vida útil de las instalaciones solares, superiores a 25 años, con un mantenimiento que, si bien es necesario hacer, es de mucha menor entidad que en el caso de los sistemas convencionales.

La instalación de sistemas térmicos presenta un inconveniente: se precisa la instalación del mismo sistema convencional que el que resultaría si no se instalasen los captadores solares, y a veces resulta problemático su montaje en edificios existentes como consecuencia de su falta de previsión a nivel de proyecto.

Por otro lado, como consecuencia de la adaptación a los edificios ya construidos, existe la posibilidad de una imagen estética “negativa”, si bien éste es un aspecto subjetivo y cultural, ya que existen otras instalaciones (antenas parabólicas, de telefonía móvil, equipos de aire acondicionado, etc.) posiblemente más feas y sin embargo con mayor aceptación social. De todas formas, con voluntad y buen criterio, siempre existe la posibilidad de integrar arquitectónicamente cualquier instalación.

En cualquier caso, siempre se necesitará de un instalador que ejecute su trabajo adecuadamente, pues hay que ser conscientes de la existencia de instalaciones que no han dado los resultados esperados debido a que han sido realizadas por profesionales sin la experiencia y conocimientos suficientes.

Para edificios de viviendas se suelen instalar de media entre 1,5 y 2 m2 por vivienda dependiendo de parámetros tales como la superficie disponible, la zona geográfica, etc.

Amortización de las instalaciones de energía solar

depende del tipo de energía convencional que sustituya: 10-12 años en el caso del gas, y 5-6 años en el caso de energía eléctrica.

Estado de desarrollo de la energía solar térmica

Actualmente los sistemas solares térmicos de baja temperatura (inferior a 100 °C) han alcanzado la madurez tecnológica. Estos sistemas son suficientes para suplir aproximadamente dos tercios del consumo energético para agua caliente, tanto sanitaria como industrial. Son sistemas tecnológicamente sencillos, fáciles de instalar y que se amortizan en pocos años.

La aplicación más generalizada de los sistemas solares es la generación de Agua Caliente Sanitaria (ACS), tanto en servicios de hoteles como en viviendas, residencias, hospitales, campings, instalaciones deportivas y otros tipos de dependencias municipales. Sin embargo, no es todavía una aplicación extendida el uso de energía solar para calefacción, debido a que cuando las necesidades son máximas es cuando las condiciones meteorológicas resultan más adversas. De cara al futuro se están introduciendo mejoras técnicas mediante captadores solares especiales y avanzando en aspectos de diseño en la instalación de calefacción por “suelo radiante”.

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