S. L. Innovación y Cualificación - Replanteo de instalaciones solares térmicas. ENAE0208

Dentro de este tipo de instalaciones, las que han conseguido mayor desarrollo son las centrales torres, las cuales están formadas por un campo de espejos (helióstatos), que hacen un seguimiento del Sol en todas las direcciones para así reflejar la radiación sobre una caldera que se sitúa en la parte superior de la torre central, y los sistemas cilindro parabólicos, que reflejan los rayos solares en un tubo situado a lo largo de la línea focal del espejo. En España, se han puesto en marcha últimamente varios proyectos para la construcción de plantas solares con las características que estamos describiendo, y cuentan con muy buenas expectativas para el futuro.

Para la obtención de estos sistemas, es necesario recurrir a colectores especiales, llamados de concentración, cuya función es la de aumentar la radiación por unidad de superficie.

El rendimiento de una instalación solar, tanto térmica como fotovoltaica, es una de las magnitudes más importantes a tener en cuenta a la hora de evaluar si una instalación solar es eficiente o no. Dicha magnitud generalizada viene dada por la siguiente expresión:

Donde:

Eu = Energía térmica útil o extraída por el fluido durante un tiempo determinado.

A = Área del captador

I = Irradiación solar que incide sobre el captador en el mismo intervalo de tiempo.

Su valor depende directamente de las pérdidas ópticas y térmicas que tenga el captador. Las primeras se refieren a la proporción de irradiancia solar no absorbida. Este valor está sujeto a varias propiedades, unas son las propiedades absorbentes del absorbedor y otras las propiedades transmisivas de la cubierta. Por ello, dicho factor óptico es equivalente al producto de ambos términos. Las pérdidas térmicas dependen de varios factores: de la irradiancia incidente y de la conductividad térmica de los materiales que constituyen el captador y de la diferencia de temperatura entre el absorbedor y el ambiente.

Cuanto más baja sea la temperatura del fluido de entrada a los captadores y mayor la radiación solar incidente sobre ellos, mayor será la producción energética de los captadores dentro de una instalación solar térmica.

Sabía que...

Los sistemas solares pueden suponer ahorros en el coste de preparación del agua caliente de aproximadamente entre un 70 y un 80 % respecto a los sistemas convencionales.

A la hora de calcular la eficiencia de un captador solar es necesario el cálculo de una serie de magnitudes que vienen dadas por las siguientes que se presentan a continuación.

Rendimiento de un captador solar por unidad de tiempo

Es la relación existente entre la potencia útil aportada por el captador solar y el producto de la radiación solar total que incide sobre el captador. Dicha magnitud se calcula mediante la siguiente expresión:

η = Q u/ (l · A)

Donde:

1 η = Es el rendimiento por unidad de tiempo

2 A = Área del captador (m2)

3 I = Radiación solar que incide sobre el captador (W/m2)

4 Qu = Potencia térmica útil generada (W)

Potencia térmica útil generada

Es la diferencia existente entre la potencia térmica total absorbida por el captador solar y las pérdidas térmicas del captador. Dicha potencia se calcula mediante la siguiente expresión:

Q u= A · l abs− Qt

Donde:

1 Qu = Es la potencia térmica útil generada

2 A = Área del captador

3 Iabs = Radiación disponible en el absorbedor (W/m2)

4 Qt = Pérdidas térmicas (W)

La radiación disponible en el absorbedor “Iabs”se calcula mediante la expresión:

l abs= l · t · α

Donde:

1 I = La irradiancia incidente sobre el captador

2 t = Transmisividad de la cubierta

3 α = Absortancia del absorbedor

Las pérdidas térmicas se calculan con la siguiente fórmula:

Q t= K1 · Δt · A

Donde:

1 K1 = Coeficiente lineal de pérdidas térmicas (W/(m2 · K))

2 ΔT = Diferencia de temperatura entre el absorbedor y el ambiente

3 A = Área del captador

Sustituyendo todo lo anterior en la ecuación del rendimiento de un captador solar por unidad de tiempo, η = Qu / (l · A), se obtiene finalmente la siguiente expresión:

η = ((A · I · t · α) − (K1 · ΔT · A)) / (I · A)

Que finalmente se expresa de la siguiente manera:

η = η o– (K1 · ΔT / I)

Recuerde

El rendimiento de una instalación solar es una de las magnitudes más importantes a tener en cuenta a la hora de evaluar si una instalación solar es eficiente o no.

Curvas de rendimiento de captadores solares

En la siguiente figura se muestra la curva características de rendimiento de los distintos tipos de captadores solares:

Sabía que...

En la mayoría de los casos, tanto en viviendas unifamiliares, como en edificios, las instalaciones de energía solar térmica proporcionan entre un 50 y un 70 % del agua caliente demandada, por lo que siempre necesitan un apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente (caldera de gas, caldera de gasóleo, etc.).

Existen diferentes tipos de colectores adaptados a cada uso y necesidad. Los más usuales se explican a continuación junto a sus características.

La inmensa mayoría de los captadores solares planos disponibles a la venta tiene una cubierta transparente, de material aislante térmico en la parte posterior y en los laterales, de un absorbedor metálico y de una carcasa exterior rectangular donde se ubican los elementos anteriores. Posee dos o cuatro conexiones hidráulicas, que se sitúan en el exterior. Estas son por las que entra y sale el fluido.

Un captador plano al que le quitamos la cubierta de cristal puede variar su peso entre 8 y 12 kg por metro cuadrado. Sin embargo, si no le quitamos la cubierta de cristal, el peso varía de 15 a 20 kg/m 2.

Otro elemento fundamental del captador solar plano es el absorbedor. Este consta de una lámina o de varias aletas metálicas, las cuales poseen muy buena conductividad térmica. También posee unas tuberías metálicas por las que circula el fluido caloportador. Para mejorar el traspaso de calor, dichas tuberías metálicas deben presentar un buen contacto con la lámina metálica. Las láminas o aletas tienen revestimientos exteriores, cuyo objetivo es el de aumentar la relación entre el flujo de radiación absorbida y reducir la emisividad del absorbedor.