ENERGIA SOLAR TERMICA

BREVE MANUAL (http://www.unicsun.es/esolartermica.php)
Índice de Contenido
1.EL SOL, LA IRRADIANCIA Y LA CONSTANTE SOLAR
2.EL SOL
3.LIMITACIÓN DE LA RADIACIÓN POR LA ATMÓSFERA
3.1.¿Qué es la energía solar?
3.2.Energía solar térmica
3.3.Energía solar térmica pasiva
3.4.Energía solar térmica activa
3.5.Aspectos medioambientales
4.ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
5.EFECTO INVERNADERO
6.CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS
7.TIPOLOGIAS DE CAPTADORES SOLARES
7.1.PLACA PLANA
7.2.CAPTADOR DE TUBOS DE VACÍO
7.3.HEAT PIPE



1.EL SOL, LA IRRADIANCIA Y LA CONSTANTE SOLAR
El sol es una energía abundante y gratuita además de constituir una alternativa a la crisis energética de los combustibles fósiles como el propano, gasóleo,.... y la posibilidad de alcanzar los términos impuestos por el tratado de Kyoto.

2.EL SOL
El Sol es una esfera de gases, principalmente hidrógeno y helio a alta temperatura, de 1,39 x 109 m de diámetro y situada a una distancia media de 1.49 x 1011 m de la Tierra, es decir, a unos 8 minutos de la Tierra a la velocidad de la luz. De forma que cualquier objeto expuesto a la influencia directa del Sol recibe calor y aumenta de temperatura. La principal superficie emisora de energía del Sol es la fotosfera.

Esto implica que la longitud fe onda de la radiación solar es esencialmente entre las 0,3 y las 0,4 µm aunque recibamos pequeñas cantidades de energía de otras zonas de espectro.

Nuestro planeta recibe una energía de unos 5,4x1024J al año aproximadamente, aunque debido a las condiciones de la atmósfera y el ángulo de incidencia que dependen de los ciclos diarios y anuales del sol, no podemos aprovechar dicha energía al 100%.

La radiación se simboliza (Is) y se expresa en Wm², esta radiación contiene los rayos infrarrojos, la luz y los rayos ultravioletas, en proporciones del 46%, 47% y 7%, respectivamente y que tienen la funcionalidad de transportar la energía. Si nos orientemos al Sol, es decir, ángulo de incidencia de 0º y nos situamos encima de la atmósfera, tendremos un valor de radiación bastante constante conocida como constante solar y que se ha evaluado con una radiación de 1.353 Wm².

3.LIMITACIÓN DE LA RADIACIÓN POR LA ATMÓSFERA
Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera está sufre distintos procesos de absorción. refracción y reflexión, disminuyendo su valor de 1353Wm². De está forma la constante solar se ve reducida en nuestro entorno a una radiación de 1.000 Wm², en una superficie que este orientada hacia el Sol.

Los captadores recogen dos tipos de radiación, generalmente: la radiación directa y la radiación difusa. La radiación directa son los rayos que llegan a la superficie en la misma dirección que salen del sol. La radiación difusa procede del resto de rayos que vienen en otras direcciones. Además de poderse añadir una tercera radiación en los captadores solares inclinados que nombraremos como radiación reflejada que es la radiación que nos llega de la luz reflejada en los elementos cercanos al captador.

Podemos decir que la radiación máxima de un captador solar instalado en el tejado será de 1000 Wm², siempre que el día sea limpio y el captador este oriento en perpendicular a los rayos del sol.

Condiciones meteorológicas Radiación (Wm²) Componente difusa (%)
Sin nubes 750-100 10-30
Parcialmente nublado 200-500 30-85
Nublado 50-150 85-100

Fig. Tabla de radiación global y difusa en diferentes condiciones meteorológicas

3.1.¿Qué es la energía solar?
La energía solar, también supera ampliamente a otras fuentes de energía como la geotérmica, la energía de las mareas, nuclear o combustibles fósiles. Además, los rayos de sol conducen a otros tipos de energía como son la hidráulica, eólica, la de las mareas, biomasa, etc.

Paradójicamente, otro indicador de la abundancia de energía solar es el propio cambio climático. El incremento de las concentraciones de los gases de efecto invernadero en la atmósfera procedentes de la combustión de los combustibles fósiles. Esto supone un aumento de la capacidad de la atmósfera de retener la energía radiante procedente de los rayos del sol, actuando como un colector solar gigante.

Entre los beneficios de la energía solar se encuentran: ser una energía renovable, gratuita e inagotable. La energía solar implica un suministro seguro, igualdad y desarrollo, mejora en la salud, superación de las fluctuaciones del precio del petróleo, suministro de agua limpia, mitigación del cambio climático.

Los inconvenientes de la energía solar son bien conocidos: la radiación llega a la tierra de forma dispersa, intermitente (disponible únicamente durante las horas del día) e inadecuadamente distribuida sobre la superficie terrestre. Existen, sin embargo, varias tecnologías que pueden superar estas dificultades y hacer que la energía solar sea útil para todos los propósitos.

Podemos diferenciar dos formas de aprovechamiento de la energía solar: térmica y fotovoltaica. En adelante, trataremos únicamente la energía solar térmica.

La energía solar térmica designa todas las tecnologías que recogen los rayos del sol y transforman su energía en calor utilizable para satisfacer directamente cualquier necesidad calorífica (calentamiento del aire, del agua y enfriamiento del aire) o para producir electricidad o combustibles. Finalmente, se pueden incluir las tecnologías que concentran la energía solar, y otros conceptos como las centrales de torre y la energía térmica de los océanos.

3.2.Energía solar térmica
La energía solar térmica supone la mayor aportación solar a las necesidades de energía, utilizando la energía aportada por el sol en forma de calor. Esta energía se puede aprovechar de forma activa y pasiva.

La energía solar pasiva está relacionada con el diseño de construcciones que recogen y transforman la energía solar para que sea usada para un calentamiento pasivo, así como para proporcionar luz y ventilación natural.

La energía solar activa se relaciona con el uso de colectores solares cuyo propósito es calentar agua y aire, refrigeración solar activa, bombas de calor, desalación y calentamiento industrial de alta temperatura.

3.3.Energía solar térmica pasiva
La energía solar pasiva es una forma de aprovechamiento de la energía solar basada en sistemas de captación de la energía solar, almacenamiento y distribución, sin la mediación de elementos mecánicos. Este tipo de aprovechamiento depende de las características de los materiales empleados y de la utilización de los fenómenos naturales de circulación del aire. Existe, por tanto, una estrecha relación entre la energía solar pasiva y la arquitectura ya que los sistemas de aprovechamiento de esta energía se construyen sobre la estructura de un edificio. Su principal uso es para calefacción y refrigeración.

A través del uso combinado de sistemas de alto rendimiento, sistemas y dispositivos eficientes, así como un aprovechamiento de todas las posibilidades de la energía solar pasiva, entre el 50 y el 75% de las necesidades energéticas de una construcción edificada con las prácticas habituales pueden ser eliminados o satisfechos. La energía solar pasiva implica elementos como el acristalamiento, muros que actúan como acumuladores de calor, ventanas para la circulación del aire, tubos enterrados para el precalentamiento del aire, etc.

La eficiencia de la arquitectura para el aprovechamiento de la energía solar pasiva es más un arte que una ciencia. Cada edificación requiere una cuidadosa adaptación al ambiente y clima, así como las necesidades de sus habitantes.

3.4.Energía solar térmica activa
A pequeña escala, los sistemas de energía solar de baja temperatura pueden reemplazar las necesidades caloríficas para calentar agua, calefacción en casas, centros comerciales, instituciones, escuelas, hoteles, piscinas, desalación, etc.

Las principales tecnologías incluyen concentradores planos vitrificados y no vitrificados así como tubos de evacuación. La tecnología puede considerarse madura, sin embargo, continúa mejorando. La eficiencia de estos colectores depende del diseño del mismo así como de los sistemas de los que forma parte.

3.5.Aspectos medioambientales
La energía solar térmica de baja temperatura es una de las tecnologías energéticas más respetuosas con el medio ambiente. Además, tiene la ventaja de que su aplicación física suele ser el entorno humano, en donde las emisiones contaminantes de combustibles fósiles son importantes, consiguiéndose así una disminución de las emisiones gaseosas originadas por los sistemas convencionales de generación de agua caliente.

El impacto más importante de esta energía sobre el medio físico es el impacto visual, por lo tanto, es importante la integración respetuosa con el entorno.

Así mismo, es importante destacar los beneficios de esta energía en sectores como el hostelero e industrial ya que proporciona una imagen de respetuosa con el medio ambiente y les da un valor añadido frente a los clientes.

4.ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
A través de la experiencia y de cálculos se ha obtenido la conclusión de que la captación máxima anual en captadores fijos, es situando los captadores solares orientados hacía el sur y con una inclinación igual a la latitud de la localidad siempre y cuando no se pretenda maximizar el rendimiento del captador en una estación concreta. Si necesitamos el máximo rendimiento en invierno se ha de aumentar unos 15º la inclinación. Para una mayor determinación se la inclinación óptima de los captadores se puede estudiar de forma teórica en los trabajos de Liu y Jordan.

5.EFECTO INVERNADERO
Este efecto se basa en la transparencia relativa de la atmósfera a la radiación solar y la opacidad a la radiación infrarroja térmica que emiten los cuerpos a temperatura ambiente, es decir, deja entrar los rayos que forman la luz pero no deja salir los rayos emitidos o reflejados desde la superficie terrestre.

Un ejemplo sería imaginarnos la atmósfera como la tapa de una olla a presión, su misión o efecto es elevar la presión y la temperatura dentro del recipiente.

Un captador plano sin cubierta tiene perdidas de calor por convección, transmisividad y radiación de forma que la temperatura que puede alcanzar el agua que circula no superará normalmente los 40ºC.

Si el captador dispone de tapa este material dejará pasar la radiación solar y absorberá las emisiones infrarrojas de la placa que actúa de captador, creándose así, el efecto invernadero dentro del captador. Se reducirán las perdidas de energía y aumentará la temperatura de trabajo.

La tapa del captador reducirá las perdidas térmicas por convección y radiación pero seguirá teniendo perdidas a causa de su transmisividad por debajo del 100% que limita la energía solar que llega a la placa provocando perdidas ópticas, la cubierta refleja y absorbe una parte de la radiación solar que ya no entrará en la caja del captador.

El captador de tubo de vacío reducirá aún más dichas perdidas a través de su absorción y su disminución de las pérdidas por convección como pasaremos a detallar más adelante.

6.CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS
Entre los captadores solares térmicos existen importantes variaciones desde los captadores planos sin cubierta a los más eficientes de tubo de vacío. Así mismo encontramos en el mercado colectores que en unas condiciones ambientales determinadas calientan el agua que entra a 50º hasta 60º, hasta 55º y algunos dispositivos donde el agua tendría una perdida calorífica, enfriándose y saliendo a 45º. Para facilitar la comprensión de la energía solar térmica al consumidor pasamos a detallar a continuación los diferentes tipos de captadores solares térmicos que se pueden encontrar en el mercado.

7.TIPOLOGIAS DE CAPTADORES SOLARES:
7.1.PLACA PLANA
La placa plana esta constituida por una placa metálica, térmicamente protegida por un elemento o elementos aislantes, que capta la energía solar y una tapa transparente que deja traspasar los rayos solares. Una caja rígida da consistencia y resistencia mecánica al conjunto facilitando su anclaje en cubiertas y fachadas. La placa captadora se encuentra en contacto con los tubos que conducen el fluido, los tubos, generalmente, se encuentran dispuestos en forma de parrilla.

La caja, abierta por la zona superior puede incorporar diferentes aislantes como la fibra de vidrio, el polietileno,…. La cubierta de la caja suele ser de vidrio templado con un grosor de 4 mm, suficientemente transparente a la radiación solar pero capaz de crear el efecto invernadero y no dejar salir la radiación infrarroja térmica.

Los CPP aprovechan tanto la radiación solar directa como la difusa en todo su espectro solar y su mantenimiento anual es mínimo

7.2.CAPTADOR DE TUBOS DE VACÍO
Los captadores formados por tubos de vacío no concentran la radiación de una gran superficie , sino que basan su funcionamiento a elevadas temperaturas en un mejor comportamiento óptico por la curvatura del vidrio tubular y en minimizar las pérdidas energéticas por las buenas condiciones de aislamiento del vacío que hay en el interior del tubo vidriado.

El elemento captador se encuentra insertado en un tubo al que se le ha practicado vacío, éste reduce las pérdidas y los riesgos de corrosión y deterioro, con lo que la durabilidad es mayor y también el rendimiento. Existen dos tipos de colectores tubulares de vacío:

Fluido directo – Tienen en su interior una placa absorbedora a la que hay adherido un tubo coaxial. Por este tubo circula el líquido caloportador.
Con tubo de calor (Heat pipe) – Consiste en un tubo hueco cerrado en sus extremos y en el que hay una pequeña cantidad de fluido vaporizante. Al calentarse el tubo, el líquido absorbe el calor y se evapora, subiendo hacia la parte alta del tubo. El líquido retorna a la parte baja del tubo por la gravedad, repitiéndose de nuevo el ciclo evaporación-condensación


7.3.HEAT PIPE:
Heat pipe (tubería de calor), es un tubo con alta conductividad usado como disipador de calor.

El colector de tubos de vacío o colector concentrador se basa en el “principio de concentración.” Requiere una superficie reflectante curva donde recibir la radiación , por efecto de esta curvatura los rayos son proyectados hacia la parte central del colector donde se concentran y alcanzan una temperatura elevada. El circuito de calentamiento consiste en unas cámaras de vidrio cilíndricas y rectilíneas, por cuyo interior pasa un fluido caloportador.

Este colector es el llamado Heat Pipe, en el que los tubos de vacío llevan un fluido vaporizante que no puede salir del interior del tubo y que funciona como caloportador. Este fluido se evapora por efecto de la radiación solar, asciende hasta el extremo superior del tubo que se encuentra a temperatura inferior, esto hace que el vapor se condense, ceda su energía y retorne a su estado líquido cayendo por acción de la gravedad a la parte inferior del tubo, donde al recibir más radiación, vuelve a evaporarse y comienza un nuevo ciclo.

Entre las características principales de los colectores de vacío con tubo de calor, caben destacar las siguientes:

Unión seca: el intercambio de calor se realiza en seco, es decir, sin contacto directo de los líquidos, lo que los hace particularmente adecuados en áreas con cualidades desfavorables del agua.
Función diodo: la transferencia de calor se realiza siempre en un solo sentido, desde el absorbedor hacia el agua, y nunca al revés.

Limitación de la temperatura: el ciclo de evaporación-condensación tiene lugar mientras no se alcance la temperatura crítica del fluido vaporizante, evitando así los riesgos de un aumento incontrolado de la temperatura en el interior de los tubos.


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