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Reportaje temático sobre la evolución de las instalaciones de energía solar térmica

Evolución desde la experiencia y la normativa
Manuel Morcillo Rigaud
Product Manager

Provocado por un lado por la mayor competitividad del mercado y por otro lado por las normativas aprobadas recientemente con respecto a las instalaciones de energía solar (Código Técnico de la Edificación y Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios), este tipo de instalaciones están evolucionando hacia una mejora en cuanto a rendimiento y a sus condiciones de trabajo, aumentando de esta manera su vida útil.
Si se observa la evolución de cada uno de los elementos que componen una instalación de energía solar, se puede observar que parte de esta evolución viene como consecuencia del análisis de la experiencia de más de veinte años aportada por países como Alemania, Austria y Grecia. Esta experiencia la debe aprovechar el mercado español siempre teniendo en cuenta las diferencias climatológicas de cada país.
Otro factor que está influyendo en el desarrollo de los componentes de una instalación solar térmica son las normativas españolas, las cuales, en algunos conceptos técnicos, son diferentes a las de estos países, lo que está provocando modificaciones en el diseño y la fabricación de estos componentes.
Teniendo en cuenta estos dos factores, podemos analizar en líneas generales el desarrollo que han sufrido y están sufriendo cada uno de estos componentes que forman la instalación de energía solar térmica:
Captador solar
El colector solar es el elemento fundamental del sistema en una instalación de energía solar, el cual transforma la energía solar radiante, en alguna otra forma de energía útil.
Los captadores se pueden clasificar según diferentes características como la forma, el recubrimiento de los absorbedores, el diseño hidráulico interno, tipo y número de conexiones, espesor y calidad de aislamiento, proceso de fabricación, etc., siendo la primera clasificación más habitual en función de su configuración entre captadores planos y tubos de vacío.
El captador de tubos de vacío está formado por un haz de tubos en el cuál, se elimina el aire a fin de reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio. El grado de vacío desempeña un papel fundamental para la disminución de las pérdidas térmicas.
Todos los diseños de captadores solares tienen como objetivo el, por un lado, convertir con el mayor rendimiento posible la radiación que incide sobre el captador en calor transmitido al fluido caloportador, y por otro lado, buscar una mayor resistencia y durabilidad física acorde a las condiciones climáticas que va a tener que soportar el captador.
En cuanto al tamaño, la superficie más habitual en los modelos comercializados hasta ahora está en torno a los 2 m². Debido a las coberturas exigidas en el Código Técnico de la Edificación junto con el objetivo del abaratamiento de las instalaciones, el mercado español está tendiendo a áreas próximas a los 2,5 m².
Estos diseños varían considerablemente en cuanto a calidad, rendimiento, construcción y coste, que analizando cada uno de los componentes, vemos la evolución del captador en su conjunto.
Los elementos que componen un captador solar plano son: el absorbedor, la carcasa, la cubierta transparente y el aislamiento térmico.



Absorbedor
Hoy día, se usa el cobre en la mayoría de los captadores para los tubos distribuidores y los tubos finos del absorbedor al igual que para la lámina absorbedora. Se suele usar acero inoxidable o plástico sólo en aplicaciones en las que un medio agresivo fluya directamente a través del absorbedor, como por ejemplo, el agua de las piscinas.
Por razones técnicas de fabricación, así como en la aplicación del recubrimiento, se empleaban principalmente los absorbedores de aletas. Actualmente, tanto los absorbedores tipo parrilla como los de tipo serpentín se fabrican predominantemente empleando láminas metálicas del tamaño del absorbedor completo, en vez de con aletas individuales.
Debido a que las superficies de metal reflejan la luz en un grado relativamente elevado y esto influye notablemente al rendimiento del captador, es necesario proveer a los absorbedores de metal de un recubrimiento de manera que no se produzca esta reducción de rendimiento. En los inicios de la tecnología solar térmica se usaban pinturas solares negras sin propiedades selectivas, especialmente desarrolladas para este propósito.
Posteriormente, empezaron a usarse los denominados recubrimientos selectivos. Estos presentan la ventaja con respecto a las pinturas de tener una emisividad (e) muy reducida para las longitudes de onda larga en que se emite el absorbedor y, por consiguiente reducen las pérdidas térmicas del captador. Actualmente, los recubrimientos selectivos de mayor rendimiento están formados por óxidos de metal en una matriz cerámica, caracterizados por una alta absortancia en las longitudes de onda corta de la radiación solar (hasta 0,97) y, al mismo tiempo, una baja emisividad en las longitudes de onda larga (hasta un 0,05).

Carcasa o caja del captador
La carcasa es el elemento del colector sobre el que descansan cada uno de los elementos que componen el captador. La carcasa a su vez protege a cada uno de los elementos de agentes externos tanto climatológicos como físicos.
La carcasa ha de tener la suficiente rigidez para resistir la fuerza del viento así como los diferentes agentes climatológicos que puedan crear presión sobre el catador. Ha de ser resistente a las variaciones de temperatura que pueda sufrir tanto en verano como en invierno al encontrarse a la intemperie. La corrosión debida a la intemperie y a las impurezas que se encuentran en la atmósfera, y especialmente en ambientes marinos, es la mayor causa de corrosión en las carcasas metálicas, sobre todo en el acero. Hoy día, las carcasas que se fabrican para los captadores son principalmente de aluminio principalmente debido a estos problemas de oxidación que se encontraron cuando se empleaban chapas embutidas de acero galvanizado.

Cubiertas transparentes del captador
La cubierta de un captador cumple principalmente dos funciones, por un lado, como sistema de protección del absorbedor y el aislamiento térmico dentro de la carcasa frente a objetos externos que puedan caer sobre el absorbedor.
Por otro lado, gracias a sus características físicas, el captador es diseñado de tal manera que se crea un efecto invernadero dentro del captador de manera que permite la entrada de radiación solar de onda corta y no deja salir la radiación de onda larga, constituyendo de esta manera el aislamiento térmico. Actualmente se consigue con vidrios con bajo contenido en hierro.
Las cubiertas de plástico eran muy frecuentes en los inicios de la tecnología solar. Con frecuencia se combinaba con una segunda cubierta también de plástico con el fin de conservar mayor calor en el interior del captador. Este diseño de doble cubierta se ha ido abandonando, al irse expandiendo en el mercado los recubrimientos selectivos de calidad mejorada.
En la actualidad, las cubiertas son fabricadas de vidrio transparente con bajos contenidos de hierro y las siguientes características:
• Absorber la mínima cantidad posible de radiación en su interior, para evitar la pérdida de calor debido a los puentes térmicos.
• Mínimos coeficientes de reflexión, evitando de esta manera pérdida de radiación entrante al captador.
• Robustez y resistencia de los efectos causados por el medio ambiente (lluvia, granizo, viento, radiación ultravioleta, etc.), y a las grandes fluctuaciones térmicas.

Aislamiento térmico
El aislamiento del colector se sitúa entre la carcasa y la placa absorbente reduciendo las pérdidas de calor por trasmisión, en la parte posterior y lateral del colector.
Inicialmente, el aislamiento más utilizado para los captadores solares consistía casi exclusivamente en paneles de poliuretano rígido expandido.
Los aislantes para un colector han de cumplir unos requisitos mínimos en función de las condiciones en que han de trabajar:
 Resistencia a la alta temperatura: hay que tener en cuenta que alrededor de la placa absorbente se van a alcanzar altas temperaturas (»150°C) y por tanto, el aislamiento debe resistir esas temperaturas sin deteriorarse ni degradarse por envejecimiento.
 Vapores: algunos aislante, debido a las altas temperaturas, pueden llegar a desprender vapores de las sustancias de que están compuestos. Estos vapores pueden llegar a ser muy negativos en el rendimiento del colector si consiguieran depositarse sobre el absorbedor o sobre la cubierta transparente.
 Humedad: los aislantes han de ser resistentes a la humedad que se puede crear dentro de un colector. Esta humedad puede entrar dentro del captador por los orificios de ventilación o por la rotura de alguna junta de estanqueidad. La lana de vidrio, por ejemplo, pierde una gran parte de sus cualidades aislantes mientras está impregnada de humedad. Tales aislantes deben ser protegidos cuidadosamente contra la penetración accidental de agua y contra las condensaciones que puedan humedecerlos.
Hoy día, además de lana de vidrio y lana mineral para la mayoría de los modelos del mercado, se suelen emplear resina de melanima y espumas de poliuretano.
Acumulador solar
El objetivo del acumulador solar es el de almacenar la energía solar disponible en forma de agua caliente durante los períodos de poca demanda, para después poder suministrar esa energía de la manera más eficaz cuando se necesite.
Los requisitos que se exigen de un acumulador solar son:
• Pérdidas térmicas bajas (pequeña superficie del acumulador y buen aislamiento).
• Buena estratificación.
• Bajos costes.
• Materiales aptos para la aplicación.
• Debe ser capaz de soportar las presiones y temperaturas de trabajo previstas.
Los materiales utilizados para el caso de acumuladores de agua caliente sanitaria son el acero inoxidable y los de acero vitrificado. En el caso de acumuladores que no trabajen con agua de consumo, el material más frecuentemente utilizado es el acero negro.

El uso de los llamados interacumuladores bivalentes es muy común en las instalaciones de energía solar con volúmenes de acumulación hasta unos 1.500 l.
Este tipo de acumuladores se caracterizan porque tanto el calentamiento con energía solar como el del apoyo se realizan sobre el mismo acumulador. En la parte inferior del acumulador se encuentra el serpentín mediante el cual se cede la energía obtenida en el campo solar al agua del acumulador. Al estar situada la entrada de agua fría en la parte inferior del acumulador, se consigue que la parte más fría del acumulador sea calentada con la energía solar. Este serpentín se caracteriza por tener mayor superficie de intercambio que los convencionales de calefacción ya que, en el circuito primario de energía solar, se trabaja con una temperatura media de trabajo inferior.
En la parte superior del acumulador se encuentra el calentamiento con la energía de apoyo que se hace mediante otro serpentín o bien mediante otro pequeño acumulador interior, realizándose el intercambio de energía mediante el proceso "al baño maría".
Con este tipo de acumuladores bivalentes, se consiguen grandes ventajas sobre la instalación solar:
 Reducción de espacio y costes: de otra manera, se necesitaría la instalación de dos acumuladores para conseguir el mismo rendimiento y nivel de confort.
 Mayor rendimiento sobre el sistema solar-apoyo: al tener sobre el mismo acumulador las dos fuentes de energía, mediante una regulación apropiada, se pueden establecer programaciones tales como horarios de funcionamiento sobre el apoyo, programaciones antilegionela, etc., con los que se consigue mayor rendimiento sobre la instalación en su totalidad.
Para este tipo de acumuladores, debido a que tenemos ambos calentamientos, es muy importante la estratificación térmica del acumulador para conseguir un gran rendimiento en la instalación y ahorro en la instalación convencional.
A pesar de ser ese tipo de acumuladores bivalentes lo más utilizados hasta ahora para las instalaciones pequeñas de energía solar, el CTE no los permite, especificando que el acumulador que es calentado mediante energía solar no puede ser calentado con el apoyo, teniendo que irse a un segundo acumulador con el apoyo o bien directamente al generador de apoyo. Por lo tanto, este tipo de acumuladores en el mercado español ha quedado para el mercado de vivienda existente.
Resto de elementos
El resto de elementos que forman la instalación de energía solar tales como tuberías, aislamientos, vasos de expansión, bombas, intercambiadores, etc., actualmente son diseñados de manera que:
• Cumplan con sus funciones correspondientes tales como aislar, impulsar el fluido, absorber el aumento de presión, etc.
• Han de ser diseñados de manera que puedan trabajar con las altas temperaturas y presiones características del circuito de energía solar.
• Han de estar preparados para trabajar con el fluido caloportador sin que por ello se produzca una importante pérdida de rendimiento en la instalación.
Muchos de estos elementos son los utilizados habitualmente en las instalaciones de calefacción y agua caliente sanitaria ya que cumplen con estos requisitos específicos de las instalaciones de energía solar.
Evolución desde la necesidad
Como dijimos anteriormente, las condiciones climáticas en España pueden llegar a ser muy diferentes a los de otros países con mayor experiencia en instalaciones de energía solar. Esto repercute también en el diseño de las instalaciones en las cuales se busca dar soluciones a problemas que estos otros países no tienen.
Para toda instalación de energía solar, los puntos críticos a resolver a la hora de su diseño son las condiciones extremas a las que van a estar sometidas, tanto en época de invierno por problemas de heladas como en verano por problemas de exceso de temperatura.
Las dos formas de realizar una instalación de energía solar por circulación forzada son mediante sistemas presurizados y mediante sistemas drain-back.
Los sistemas presurizados son sistemas que trabajan normalmente con mezcla de anticongelante y agua a una presión de 2-6 bar de presión en el circuito primario.
En los sistemas presurizados, el problema de heladas se resuelve utilizando como fluido de trabajo una mezcla de anticongelante y agua, en una proporción tal que las propiedades de la mezcla se ajuste a las necesidades extremas de la zona.
El problema de exceso de temperatura en períodos de estacionamiento, en este tipo de instalaciones se resuelve de diferentes maneras siendo las más comunes mediante la utilización de grandes volúmenes de expansión, disipadores térmicos, tapado del campo de captadores o llenado automático desde depósitos con fluido de mezcla.
Los sistemas drain-back son sistemas que además de trabajar con mezcla de anticongelante y agua, contienen aire en su circuito primario y trabajan a 0,5 bar.
A continuación, se expone como resuelven cada uno de los dos sistemas estos problemas de congelación y exceso de temperatura:

Problemas de heladas
En un sistema presurizado que vaya a trabajar en condiciones de riesgo de heladas, la solución más común es trabajar en el circuito primario con mezcla de anticongelante y agua en una proporción que asegure el no llegar a la temperatura de congelación de la mezcla. El riesgo que se corre con esta solución es el que si se llegaran a condiciones superiores a las previstas, se destruirían elementos de la instalación que estuvieran a intemperie como las tuberías o los captadores solares.

Problemas de exceso de temperatura
Como ya hemos comentado anteriormente, otro de los mayores problemas de las instalaciones de energía solar son las condiciones extremas que se pueden llegar a alcanzar en época de verano.
Cuando se diseña una instalación de energía solar térmica, se debe hacer una estimación de la energía sobrante en los meses más favorables, de manera que no se alcancen condiciones extremas en el circuito primario por exceso de esta energía sobrante.
El problema de un exceso de energía sobrante con respecto a lo calculado inicialmente puede ser debido a diversas causas como un menor consumo de lo previsto en los meses más favorables, debido normalmente a la ausencia por vacaciones, unos datos climatológicos erróneos de partida, variaciones en las condiciones extremas previstas inicialmente, etc. Este exceso de energía normalmente se traduce en un aumento de temperatura del fluido del circuito primario y por lo tanto, al tratarse de un circuito cerrado, un aumento de la presión.
Normalmente, el aumento de temperatura del circuito no suele ser el principal problema, siempre y cuando se trabaje con materiales preparados para trabajar con alta temperatura. El problema suele ser el aumento de la presión del circuito, ya que al llegar a las presiones límite de los elementos de seguridad, estos van a ir haciendo que el circuito vaya perdiendo anticongelante y por lo tanto pérdida de rendimiento de la instalación. Incluso se corre el riesgo de rotura de elementos del circuito como las bombas al trabajar éstas en vacío.
Un sistema drain-back (auroSTEP), al trabajar con aire además de con mezcla de anticongelante y agua, cuando la instalación está parada, por diferencia de peso, el aire va a tender a ir a la parte más alta de la instalación y por lo tanto adentro de los captadores. Al coger altas temperaturas el captador solar, no habrá los problemas de exceso de presión que tienen presurizados ya que el aire se comprimirá y por lo tanto ningún elemento de la instalación sufrirá los aumentos de presión.
Los sistemas drain-back no trabajan por lo tanto con vasos de expansión al no tener problemas de presión ni purgadores.
Los sistemas drain-back (auroSTEP) son un avance en la tecnología de la energía solar térmica en países como España ya que resuelven los problemas críticos de estas instalaciones haciéndolas más duraderas, más baratas en su mantenimiento y más rentables.
Bibliografía
• Fundamentos y Aplicaciones de la Energía Solar Térmica. J.I. Prieto. Ed. Servicio de Publicaciones. Universidad de Oviedo.
• Sistemas Solares Térmicos. Dr. Felix A.Peuser. Kart-Heinz Remmers. Martin   Schnauss. Ed. Progensa 2004.
• Solar Energy Termal Processes, Ed. Interscience, 1980.
• Código Técnico de la Edificación.

Fuente: Vaillant

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