Componentes y Funcionamiento de Sistemas Solares Térmicos para Aprovechamiento Energético

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Introducción a la Energía Solar Térmica

La energía solar, procedente del sol, presenta principalmente dos tipos de utilización: la Energía Solar Térmica (EST) y la Energía Solar Fotovoltaica (ESF). Este documento se centrará en la EST.

La energía solar es una fuente de energía fuerte, limpia, con nulo impacto ecológico e inagotable. Su principal desafío radica en la variabilidad de su intensidad en las diferentes regiones geográficas y según las condiciones atmosféricas.

Aprovechamiento de la Energía Solar Térmica (EST)

La Energía Solar Térmica (EST) consiste en el aprovechamiento y utilización de la energía del sol para generar calor. Esto se logra fundamentalmente mediante un captador solar.

Componentes Clave de una Instalación Solar Térmica

Captadores Solares

El captador solar es un intercambiador térmico que convierte la radiación solar en energía térmica utilizable. Su función es absorber la radiación solar mediante superficies especialmente diseñadas y transmitirla en forma de calor a un fluido caloportador (generalmente agua con anticongelante) que circula por unos tubos colectores, a menudo dispuestos en forma de parrilla.

Existen diversos sistemas de captación solar (ScapS), entre los que destacan:

Captador de Placa Plana

Este tipo de captador consiste en una cubierta plana, usualmente de vidrio templado. Sobre esta cubierta inciden los rayos solares, permitiendo el paso de la radiación de onda corta (luz visible e infrarrojo cercano) e impidiendo la salida de la radiación de onda larga (infrarrojo térmico emitido por el absorbedor caliente). Este fenómeno, conocido como efecto invernadero, aumenta significativamente el aprovechamiento de la radiación solar.

Está constituido por tubos conectores por donde circula el fluido caloportador, diseñados para maximizar la absorción de radiación solar y minimizar las pérdidas de calor al exterior.

Elementos del Captador de Placa Plana:
  • Caja o carcasa: Estructura que contiene y protege los demás componentes.
  • Cubierta transparente: Generalmente de vidrio templado, permite el paso de la radiación solar y reduce pérdidas por convección y radiación.
  • Placa absorbente: Superficie metálica (cobre o aluminio) con tratamiento selectivo para maximizar la absorción de radiación solar y minimizar la emisión de calor.
  • Tubos o conductos: Por donde circula el fluido caloportador, en contacto directo con la placa absorbente.
  • Aislante térmico: Material (lana de roca, poliuretano) en la parte posterior y laterales para reducir pérdidas de calor.
  • Colector: Sistema de tuberías que recoge el fluido calentado.

Captador de Tubos de Vacío

Este captador se compone de un doble tubo cilíndrico de vidrio. El tubo interior actúa como superficie captadora (con un recubrimiento absorbente) y el tubo exterior como cubierta protectora. El espacio entre ambos tubos se encuentra parcialmente evacuado (al vacío), lo que reduce drásticamente las pérdidas de calor por convección y conducción.

Ventajas y Tipos de Tubos de Vacío:
  • Ventajas:
    • Permiten una incidencia de los rayos solares en ángulos más perpendiculares respecto a la superficie cilíndrica del absorbedor, lo que reduce las pérdidas por reflexión.
    • Facilitan una mayor homogeneidad en la captación de radiación a lo largo del día.
    • Ofrecen un excelente aislamiento térmico, resultando en un mayor rendimiento a altas temperaturas o en climas fríos.
  • Tipos principales:
    • Tubos de flujo directo: El fluido caloportador circula directamente por el interior del tubo absorbedor.
    • Tubos de calor (heat pipe): Contienen un fluido secundario que se vaporiza al calentarse en el extremo inferior del tubo y transfiere el calor al fluido caloportador principal en un cabezal colector. Son considerados superconductores térmicos debido a su baja capacidad calorífica y excepcional conductividad térmica efectiva.

Acumuladores

Los acumuladores son depósitos encargados de almacenar la energía térmica generada por la radiación solar y captada por los colectores. Esta energía se almacena en forma de calor, generalmente en agua caliente sanitaria (ACS) o agua para calefacción.

Dentro del acumulador, el agua a mayor temperatura tiende a situarse en la parte superior (estratificación), mientras que el agua a menor temperatura permanece en la parte inferior. Esta estratificación es crucial para la eficiencia del sistema. Si se utiliza más de un acumulador, se suelen colocar en serie para optimizar el calentamiento progresivo del agua.

Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren calor de un fluido a otro sin que estos se mezclen físicamente. En los sistemas solares térmicos, intercambian la energía térmica captada por el fluido primario (que circula por los captadores) al fluido secundario (generalmente el agua de consumo o del sistema de calefacción).

Tipos de Intercambiadores:

  • Según su ubicación:
    • Interiores: Se encuentran dentro del propio acumulador (ej. un serpentín).
    • Exteriores: Son unidades separadas, fuera del acumulador.
  • Según su forma constructiva:
    • De serpentín: Un tubo enrollado por el que circula uno de los fluidos, inmerso en el otro.
    • De doble envolvente (o camisa): El acumulador tiene una segunda pared, y el fluido primario circula por el espacio entre ambas.
    • De placas: Compuestos por múltiples placas delgadas que forman canales alternos para los dos fluidos, ofreciendo una gran superficie de intercambio en un volumen compacto.

Bombas de Circulación

Las bombas de circulación son aparatos accionados mediante un motor eléctrico. Su función es proporcionar al fluido caloportador la energía necesaria para circular a través del circuito primario (captadores-intercambiador/acumulador), venciendo las pérdidas de carga (resistencia al flujo) inherentes al sistema.

Los sistemas de circulación de fluido que emplean bombas se denominan sistemas de circulación forzada, en contraposición a los sistemas por termosifón (circulación natural).

Vaso de Expansión

El vaso de expansión es un componente de seguridad esencial en los circuitos cerrados de fluidos, como el circuito primario de una instalación solar térmica. Su función principal es absorber las dilataciones del fluido caloportador que se producen debido a los aumentos de temperatura.

Estos dispositivos suelen contener una membrana de material flexible (plástico o elastómero) que separa el fluido del sistema de una cámara de gas (generalmente aire o nitrógeno a una presión determinada). Esta cámara de gas actúa como un colchón elástico, amortiguando las variaciones de volumen y, por tanto, de presión, causadas por la expansión térmica del fluido, evitando así sobrepresiones peligrosas en la instalación. Generalmente, se colocan en la aspiración de la bomba de circulación.

Termostato Diferencial

El termostato diferencial es un elemento clave de regulación y control en la instalación solar térmica. Su función principal es optimizar la captación de energía solar, permitiendo que el fluido caloportador solo circule (y, por tanto, la bomba de circulación funcione) cuando la temperatura en los captadores solares sea suficientemente superior a la temperatura del agua en el sistema de acumulación.

Para ello, utiliza sondas de temperatura que miden continuamente la temperatura en puntos estratégicos, típicamente en la salida de los captadores y en la parte baja o media del depósito de acumulación. Cuando la diferencia de temperatura (ΔT) entre el captador y el acumulador alcanza un valor preestablecido (conocido como diferencial de arranque o histéresis de conexión), el termostato activa la bomba de circulación. Esto inicia el flujo del fluido caloportador y la transferencia de energía térmica. La bomba se detiene cuando esta diferencia de temperatura disminuye por debajo de otro valor preestablecido (diferencial de parada o histéresis de desconexión), evitando que el sistema enfríe el agua acumulada.

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