Colector solar

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Un colector solar o captador solar es cualquier dispositivo diseñado para recoger (colectar) la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de un fluido con vistas a su aprovechamiento. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción, agua caliente sanitaria y climatización de piscinas, fundamentalmente, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir vapor que mueve una turbina que generará energía eléctrica.

Tipos[editar]

Colectores de baja temperatura[editar]

Colectores solares planos.

Son aquellos que, por una inversión moderada, permiten obtener energía térmica para usos habituales en la construcción.

Colector solar plano[editar]

También llamado panel solar térmico, consiste en una superficie plana por la que discurre, embebida o pegada, una tubería por la que discurre el agua que se ha de calentar. El conjunto de la superficie (panel) y tubería son o están pintados, de color negro, que absorbe la radiación solar. Hay dos tipos fundamentalesː

  • Colector plano protegido: cuentan con un vidrio fino en la cubierta que limita las pérdidas de calor y aumenta la captación por efecto invernadero. El resto de caras están aisladas térmicamente. Son los más utilizados por tener la relación coste-producción de calor más favorable. El captador está en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de espesor (aunque no están normalizados). Dentro de la caja, expuesta al sol, hay una placa metálica. Esta placa está unida o soldada a una serie de conductos por los que circula un caloportador —generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos—. A dicha placa se le aplica un tratamiento superficial selectivo para que aumente su absorción de calor, o simplemente se la pinta de negro. El sistema funciona por efecto invernadero.
El rendimiento de los colectores depende de varios factores. Naturalmente de la insolación (horas de sol y situación geográfica, de mayor o menor soleamiento) y de la buena colocación del colector (orientación, inclinación y ausencia de elementos que les de sombra); aunque la caja está aislada térmicamente, tiene pérdidas hacia el ambiente exterior, pérdidas que aumentan cuanto más frío esté el aire ambiente y cuanto mayor sea la temperatura del caloportador (mayor diferencia de temperaturas con el exterior) por lo que mejora el rendimiento cuanto menor sea la temperatura de trabajo. También, a mayor temperatura de la placa captadora, más energética será su radiación, y más transparencia tendrá el vidrio frente a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia del colector.
    • Funcionamiento del colector protegido
El Colector funciona por efecto invernadero, que no es exactamente el que así llama el artículo de ese nombre de Wikipedia, sino el que desde antes se llamaba así y que era el que se produce en los llamados invernaderos o estufas frías, de los jardines botánicos. Un invernadero consiste en un edificio cerrado con acristalamiento, cuyo interior se calienta porque el vidrio tiene un efecto selector de la radiación; es el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en verano. La luz visible calienta la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiación de onda larga. El vidrio actúa como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es poco transparente a la radiación infrarroja de mayor longitud de onda, por lo que, a pesar de las pérdidas por transmisión —el vidrio es un buen conductor térmico—, el recinto de la caja y, por lo tanto, el liquido que circula por los conductos, se calientan por encima de la temperatura exterior.
  • Colector plano no protegido: sistema más económico y de menor rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas. En este caso no dispone de vidrio protector, por lo que no aprovecha el efecto invernadero, y se calienta simplemente porque la radiación solar calienta mejor una superficie negra que otra de color claro. Dada la simplicidad de este tipo de colectores, existen multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales: conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan por su bajo coste.

Colector de tubos de vacío[editar]

Un colector solar de tubos de vacío consiste en una serie de tubos de vidrio de doble pared; la cámara intermedia está al vacio. Existen tres sistemas:

  • Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.
  • Flujo indirecto con heat pipe:[1]​ el calor evapora un fluido en el tubo, y este transmite su energía al condensarse en el extremo. y por el tubo interior discurre el caloportador
  • Flujo indirecto sin heat pipe La diferencia con el anterior es que es construido al 100 % con cristal de borosilicato, evitando la utilización de cobre, por lo que abarata aún más sus costos, además eleva el rendimiento un 30 % con respecto a los tubos de vacío con Heat-Pipe.[cita requerida]

Colectores de alta temperatura[editar]

Concentradores solares de espejo parabólico.
  • Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parabólicos. Pueden ser:
    • Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer una tubería situada en el foco de la parábola
    • Sistemas puntuales (disposición esférica): con forma de paraboloide de revolución, utilizado para concentrar más la radiación y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas.
  • Espejos planos o lentes Fresnel lineales,[2]​ con idéntica función que los concentradores solares lineales.

Colectores de muy alta temperatura[editar]

Llamada a veces horno solar, son sistemas para obtener muy altas temperaturas. Antiguamente se hizo con concentradores parabólicos fijos (horno solar de Odeillo) y actualmente se hace con campos de espejos planos orientables que dirigen su reflejo y lo concentran en un único punto situado en una torre, en la que se genera vapor de agua que suele servir para producir electricidad.

Tabla resumen de tipos de colector[editar]

Movimiento Tipo de colector Imagen Tipo de absorción Ratio de concentración Campo indicativo de temperaturas de funcionamiento (ºC)
Estacionario Captador solar plano Flatplate.png Plano 1 30-80
Estacionario Colector de tubo de vacío Vakuumroehrenkollektor 01.jpg Plano 1 50-200
Estacionario - Seguimiento en un eje Colector parabólico compuesto Solar Array.jpg Tubular 1-15 60-300
Seguimiento en un eje Reflector lineal de Fresnel - Tubular 10-40 60-250
Seguimiento en un eje Colector cilíndrico - Tubular 10-40 60-300
Seguimiento en un eje Colector parabólico - Tubular 10-40 60-400
Seguimiento en dos ejes Reflector de disco parabólico - Puntual 600-2000 100-1500
Seguimiento en dos ejes Colector por campo de heliostatos PS10 solar power tower 2.jpg Puntual 300-1500 150-2000

Aplicaciones[editar]

Los colectores solares tienen múltiples usos, entre los que se encuentran: preparación de agua caliente para usos sanitarios, climatización de piscinas, calefacción, frío solar, crear vapor, cocinar, esterilización, pasteurización, desalinización, lavado, secado, tintado, entre otras, tanto a nivel doméstico como industrial.

Dependiendo de la estación del año, tanto en viviendas unifamiliares como en edificios, las instalaciones de energía solar térmica pueden proporcionar entre el 30 % y el 100 % del agua caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-100 % (dependiendo de la zona geográfica), por lo que necesitan el apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente.[3]

Utilizados para calefacción solo son indicados para sistemas de baja temperatura, como el suelo radiante, donde se emplean para lás épocas en las que no hace falta demasiada calefacción. En la práctica no es económicamente rentable dimensionar la instalación para reducciones de consumo mayores a un 30 %. El problema con el uso para calefacción es que los días en que las necesidades de calefacción son mayores, la captación y el rendimiento de los colectores disminuyen. Mientras que cuando los paneles son más eficientes, las necesidades de calefacción son menores.

Para calefactar espacios se pueden utilizar otros tipos de colector como el que hace circular aire entre láminas metálicas pintadas de negro contenidas en un dispositivo semejante al de los colectores cerrados antes descritos, pero especialmente diseñados para ello (caja aislada cubierta de vidrio pero de mayor espesor), que proporcionan calefacción directa sin los riesgos operativos que presenta el agua (aunque con menos eficiencia, debido a la menor capacidad caloportadora del aire y a que el aire suele estar más sucio y al no circuar en circuito cerrado ensucia el vidrio).

El uso de colectores solares térmicos es particularmente adecuado para la climatización de piscinas,[3]​ pues la baja temperatura de trabajo requerida permite incluso tipologías de colectores sin vidrio protector, lo que abarata enormemente tanto los costes como el impacto ambiental de la instalación. Además, no necesitan acumulador puesto que es la propia agua de la piscina la que actúa como tal. En el caso de piscinas cubiertas que funcionan en invierno es un ahorro de energía y en el de piletas al aire libre permite prolongar la temporada de baños al tener más caliente el agua.

Está en desarrollo el empleo de colectores para refrigeración con máquinas de absorción, pues al contrario que en calefacción, la mayor demanda de refrigeración coincide con el mejor rendimiento de los colectores.

Instalación[editar]

La instalación de un colectar solar es relativamente fácil si se tiene en cuenta varios factores:

  • La orientación de la placa debe ser dirigida al sur con una tolerancia de ±10º (hemisferio norte)
  • Deben tener una inclinación sobre la horizontal igual a la latitud del lugar; también con ±10º de tolerancia.
  • No subestimar la fuerza del viento - el anclaje no solo debe que aguantar el peso sino también fuerzas en sentido contrario
  • No olvidar un vaso de expansión
  • El sensor térmico debe estar lo más cerca posible de la salida de agua del colector para obtener la temperatura máxima.

El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea el salto térmico, es decir, la diferencia de temperatura entre este y el exterior. Por lo tanto, la eficiencia disminuye al aumentar la temperatura de trabajo, y al disminuir la temperatura exterior —puesto que aumentan las pérdidas por transmisión en el vidrio—.

La regulación de un sistema de producción de ACS, que debe ser obligatoriamente por acumulación, se hace mediante un dispositivo llamado termostato diferencial. Dos sondas térmicas, una situada a la salida del agua caliente de los colectores y otra en el depósito de acumulación, envian sus mediciones al termostato; cuando este comprueba que la temperatura de salida del colector essuperior a la del depósito, pone en marcha la bomba de circulación del caloportador en caso contrario la para.

Es importante que la temperatura del depósito nunca supere la de ebullición del agua, para lo que hay que prevenir disposiciones adecuadas. Es muy importante en instalaciones de casas de vecinos, en las que las mayores temperaturas exteriores y más horas de sol (mayor rendimiento de los colectores) coinciden con el verano y, por lo tanto, con las vacaciones de los vecinos, lo que lleva a un menor consumo de agua.

Perspectivas de uso en calefacción[editar]

Se estima que el 80 % del consumo energético de una vivienda se produce en forma de agua caliente a baja temperatura (calefacción y agua caliente sanitaria).[4]

Los colectores solares planos no son tecnológicamente complejos, por lo que su margen de evolución es muy limitado. No obstante, actualmente consiguen captar en torno al 98 % de la energía recibida del sol (compárese con el 15-20 % de los paneles solares fotovoltaicos comunes).

Por ejemplo, en Ciudad de México, se obtienen 15 MJ/día/m² en verano, y 8-10 MJ/día/m² en invierno.[cita requerida]

Si bien hasta finales de 2006 su empleo en calefacción era económicamente discutible y su viabilidad dependía de subvenciones estatales, hoy en día y debido sobre todo al aumento del precio del petróleo, constituyen una interesante inversión.

Sin embargo, el principal escollo que tiene que superar esta tecnología es su escasa utilización a lo largo del año: la demanda anual de calefacción, a diferencia del agua caliente, no se reparte homogéneamente, sino que se concentra en los meses más fríos, que además coinciden con los de menos luz solar. Por este motivo, los paneles de calefacción permanecen inactivos la mayor parte del año, dificultando su amortización en el tiempo y produciendo un exceso de energía térmica que hay que disipar de algún modo por lo que, aun disponiendo de ellos para refrigeración, si no se disipa adecuadamente, el exceso de calor puede destruir los colectores, por lo que hay que dotarlos de sistemas de prevención tales como pequeños radiadores exteriores, que elevan el coste de la instalación. La utilización masiva de paneles solares térmicos dependerá por tanto de nuestra capacidad para dotarlos de uso en verano, por ejemplo para refrigeración.

Normativa[editar]

Para las pruebas de los captadores solares se utiliza la norma EN 12975.[5]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. «Energía solar con tubos de vacío». Consultado el 3 de febrero de 2009. 
  2. «Compact Linear Fresnel Reflector» (en inglés). Archivado desde el original el 13 de abril de 2011. Consultado el 10 de febrero de 2009. 
  3. a b En la tabla 2.1 de la DB-HE 4 del Código Técnico de la Edificación de España, se establecen las aportaciones solares medias anuales mínimas a la producción de ACS; dependiendo del tamaño de la instalación y de la zona climática, oscilan entre el 30 y el 70 %. En la tabla 2.2, se listan las aportaciones mínimas para piscinas cubiertas.
  4. Mo Rosa. «como hacer un panel solar». Como Hacer Un. Consultado el 15 de marzo de 2018. 
  5. Understanding EN 12975.

Enlaces externos[editar]