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Después del artículo en el que publicamos la Calculadora de Rendimiento de paneles solares, en este artículo vamos a comparar el rendimiento entre solar térmica vs fotovoltaica a través de unos ejemplos de varios tipos de paneles solares con diferentes características.
Si te interesa el rendimiento de algún panel solar en concreto, puedes ir a su cálculo directamente haciendo clic sobre él en el Índice de contenidos.
⚠️ Al final del articulo podrás descargarte el material donde hemos recogido todos los ejemplos explicados.
Solar Térmica VS Fotovoltaica: ¿Cuáles son los rendimientos de cada tipo de panel solar?
ACS Solar Térmica: Rendimiento del Panel solar térmico o Captador solar
Antes de comenzar, queremos recalcar que para calcular el rendimiento en acs solar obviaremos el grupo de captadores solares con concentración, ya que centralizan la radiación solar en un único punto para así alcanzar temperaturas elevadísimas de entre 300º – 500º. Por lo tanto, no son los captadores solares comúnmente utilizados.
Analizaremos los captadores sin concentración destinados a calefacción y ACS, ya que pueden alcanzar temperaturas (temperatura de estancamiento) de entre 120°C y 239°C bajo condiciones de laboratorio. ¿Cuáles son estas condiciones?
- Tª ambiente: 30°C
- Irradiación solar incidente: la máxima teórica, que es 1000W/m².
¿Cómo calculamos el Rendimiento de captadores solares?
Fórmula de Rendimiento de paneles solares térmicos o captadores solares
Recordemos que la fórmula para calcular el rendimiento (η) en unas determinadas condiciones ambientales y térmicas de un captador solar sin concentración es la siguiente:
η = η0 – k1 x (Tm – Ta) / G
Dónde:
- η0: Rendimiento óptico (o Factor de ganancia o Factor de eficiencia)
- k1: Coeficiente lineal de pérdidas, en W/m²·K (o Factor de pérdidas)
- Tª media del captador, en °C = (Tª salida – Tª entrada) / 2
- Ta: Tª ambiente [en °C]
- G: Irradiancia [en W/m²]
Condiciones particulares escogidas para los casos prácticos
Para poder realizar el cálculo de los rendimientos de los diferentes captadores solares sin concentración, necesitamos unos datos de partida en cuanto a temperatura e irradiancia.
Por ello, vamos a suponer estas condiciones particulares para los casos prácticos:
- Tª media = 60°C. Para asegurar el ACS mínimo de servicio, supondremos como Tª de salida 70 ºC y como Tª de entrada, siempre inferior, 50 ºC.
- Si aplicamos la fórmula: (Tª salida-Tª entrada)/2 = (70°C + 50°C) / 2 -> Obtenemos los 60º C de Tª media.
- Tª ambiente = 30°C. Escogemos el momento caluroso del día.
- G(p) = 750 W/m². También escogemos un día muy soleado.
En estos momentos, ya hemos despejado 2 variables:
η = η0 – k1 x (60 – 30) / 750
η = η0 – k1 x 0,04
Una vez tenemos despejadas las variables respecto a las condiciones particulares de temperatura e irradiancia, veamos qué tipos fundamentales hay de captadores solares sin concentración.
Captador de placa plana
Los captadores de placa plana, a su vez, pueden ser de absorbedor con tratamiento selectivo, con determinadas aleaciones, y no selectivo, sólo con pintura negra. Las temperaturas alcanzadas por los captadores de placa plana oscilan entre:
=> Captadores de placa plana de absorbedor con tratamiento selectivo: 180-220°C.
=> Captadores de placa plana de absorbedor no selectivo: 120-160°C.
#1: Cálculo del Rendimiento ACS Solar: Captador solar selectivo
Datos de partida
Los captadores planos selectivos presentan unos datos de partida:
- η0: Presentan un Factor de ganancia (η0) típico de 0,8.
- k1: Sus factores de pérdidas oscilan entre 3,0 y 5,0 W/m²·K.
Cálculo
Para hacer el cálculo, tomaremos ambos factores de pérdida. Si despejamos todas las variables de la siguiente forma, obtenemos el rendimiento:
- Factor de pérdidas de 3,0 W/m2·K : η = 0,8 – 3,0 x 0,04 => η = 68%
- Factor de pérdidas de 5,0 W/m2·K : η = 0,8 – 5,0 x 0,04 => η = 60%
#2: Cálculo del Rendimiento ACS Solar: Captador solar no selectivo
Datos de partida
Los captadores planos selectivos presentan unos datos de partida:
- η0: Presentan un Factor de ganancia (η0) típico de 0,9.
- k1: Sus factores de pérdidas oscilan entre 6,0 y 8,0 W/m²·K.
Cálculo
Al igual que para los captadores de placa plana con tratamiento selectivo, para hacer el cálculo, tomaremos ambos factores de pérdida. Si despejamos todas las variables de la siguiente forma, obtenemos el rendimiento:
- Factor de pérdidas de 6,0 W/m²·K : η = 0,9 – 6,0 x 0,04 => η = 66%
- Factor de pérdidas de 8,0 W/m²·K : η = 0,9 – 8,0 x 0,04 => η = 58%
Captador de tubos de vacío
Con esta otra tecnología de captador solar se alcanzan las más altas temperaturas de estancamiento:
=> Hasta 200°C en el tipo “Heat-pipe”: un bulbo en la parte superior transmite el calor al circuito hidráulico)
=> Hasta 239°C en el tipo “en U”: por un tubo de pequeño diámetro y en forma de “U” circula el agua o fluido, en sentido descendente el de retorno algo enfriado y en sentido ascendente el que se vuelve a calentar.
#3: Cálculo del Rendimiento ACS Solar: Captador solar de vacío tipo Heat-pipe
Datos de partida
- Factor de ganancia típico (η0) típico de 0,6.
- Factor de pérdidas (k1) de 2,0 W/m²·K.
Cálculo
η = 0,6 – 2,0 x 0,04 => η = 52%
#4: Cálculo del Rendimiento ACS Solar: Captador solar de vacío tipo en U
Datos de partida
- Factor de ganancia típico (η0) típico de 0,6
- Factor de pérdidas (k1) de 3,1 W/m²·K.
Cálculo
η = 0,6 – 3,1 x 0,04 => η = 48%
Bajo las condiciones particulares planteadas:
- Tm = 60°C
- Ta = 30°C
- I = 750W/m²
Obtenemos que los rendimientos mejor y peor son respectivamente:
- Captador plano selectivo (η0 = 0,8 y k1=3,0) => η = 68%
- Captador de vacío en U (η0 = 0,6 y k1=3,1) => η = 48%
Finalmente, el captador de placa plana selectivo es el que proporciona un mejor rendimiento, desde un plano teórico.
Pero, por ejemplo, a pesar de que los captadores de vacío tipo Heat-pipe tengan peor rendimiento teórico que los captadores planos, es la tecnología de captador solar adecuada para climas fríos y con poca radiación, ya que en esas circunstancias siguen atrapando calor de la radiación solar y a mayor temperatura cuando unos planos ya no lo conseguirían.
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ACS Solar Térmica: Rendimiento del Panel solar Fotovoltaico
Un panel solar fotovoltaico lo componen células fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre ellas (en serie y paralelo) hasta conseguir en terminales una determinada tensión (V medida en voltios “V”) y corriente (I medida en amperios “A”).
¿Cómo calculamos el Rendimiento de paneles solares fotovoltaicos?
Fórmula de Rendimiento de paneles solares fotovoltaicos
Recordemos que la fórmula para calcular el rendimiento (η) de paneles solares fotovoltaicos era la siguiente:
η = Wp / (GCEM x S)
Donde:
- Wp: Potencia por Irradiancia (W) debida a la radiación sobre una superficie.
- GCEM: Irradiancia en condiciones estándar CEM (= 1000W/m²)
- S: Superficie irradiada (m²).
Para equiparar el cálculo del rendimiento máximo de la multitud de modelos diferentes de paneles solares fotovoltaicos que existen, se designaron unas CEM (Condiciones Estándar de Medida):
- 25°C en panel fotovoltaico
- Distribución “espectral estándar” (AM-1.5G)
- Radiación incidente sobre el panel (G; irradiancia) máxima teórica (GCEM = 1000W/m²).
Estas “CEM” (en inglés STC, Standard Test Conditions) se obtienen con flash en laboratorio. Compartimos contigo este vídeo donde puedes ver cómo obtenerlo a partir del min 3:40.
#5: Cálculo del Rendimiento ACS Solar: Panel fotovoltaico de silicio monocristalino de mayor calidad 2021
¿Por qué hemos escogido un panel fotovoltaico de silicio monocristalino para el ejemplo?
Cada célula fotovoltaica es un semiconductor de silicio tipo NP a cuya cara iluminada (parte N) se conecta el negativo y a la opuesta (parte P) el positivo.
Los átomos de silicio presentes pueden estar de 3 formas posibles:
- En forma NO cristalina, o lo que es lo mismo, silicio amorfo (sus átomos dispuestos aleatoriamente
- En forma SÍ cristalina, que a su vez, puede ser:
- Silicio policristalino (granulillos de cristal de silicio)
- Silicio monocristalino (un único cristal de silicio).
¿Qué condiciones de rendimiento plantea cada tipo de célula fotovoltaica?
- Las células fotovoltaicas fabricadas con silicio amorfo, a pesar de ser las de menor rendimiento (8-12%), pueden ser flexibles.
- Las células con silicio cristalino necesitan un soporte rígido
- Siendo las de mayor rendimiento las de silicio monocristalino (18-23%) y algo menos las de silicio policristalino (14-17%).
Ahora, comencemos con el cálculo del rendimiento.
Si quieres saber más sobre aspectos más particulares del cálculo del rendimiento en paneles fotovoltaicos ¡espérate al final del artículo!
Datos de partida
- Dimensiones: 1590x1053mm
- Células: 96 células de 132x132mm cada una
- Tensión para máxima potencia: 57.6 V
- Corriente para máxima potencia: 5.65 A
- Irradiancia (GCEM): 1000 W/m².
- Superficie irradiada: Para obtener la Superficie irradiada podemos calcularla de 2 formas:
- Mediante las dimensiones => S = Ancho x Largo = 1,053m x 1,590m = 1,674m²
- Mediante las células => S = Cantidad x Ancho x Largo= 96celulas x 0,132m x 0,132m = 1,672m²
Por lo general, como los rendimientos anunciados se refieren a las dimensiones del panel, tomaremos como superficie para el cálculo, la Superficie del panel = 1,674m².
- Potencia pico (Wp)= La potencia pica se obtiene multiplicando la Tensión Pico por la Corriente Pico. Por tanto, Potencia Pico = 57.6 x 5,65 = 325,44W.
<= Aquí puedes las características del Panel Panasonic HIT N325 (VBHN325SJ47)
Cálculo
η = Wp / (GCEM x S) = 325,44/(1000 x 1,674) = 19,4% (o lo que es lo mismo: 194W/m²)
*Este rendimiento coincide con el de la ficha técnica del producto)
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Una vez hemos aprendido a calcular el rendimiento a través de los ejemplos que hemos visto, te lanzamos la siguiente idea: ¿El rendimiento es el mismo sea cual sea el uso que le vayamos a dar? ¿Cuál es la mejor opción?
Te dejamos pensando la respuesta y en el siguiente post la resolveremos. ¿Qué te han parecido estos ejemplos? ¿Crees que nos ha faltado alguno importante? Te leemos en comentarios.
¿Sabías qué...?
¿Sabías que la irradiancia, sobre un determinado panel solar, es un parámetro fundamental que afecta a su rendimiento?
Es por esto que tanto su Ángulo de azimut (Desviación respecto del Sur) como su Ángulo de incidencia (desviación respecto de la perpendicular perfecta a la radiación solar), afectarán a la cantidad de irradiancia.
Existe un parámetro, el Factor de Forma (FF) que define particularmente a los paneles solares fotovoltaicos en relación a su comportamiento eléctrico y que por tanto también influye en su rendimiento.
- Los paneles compuestos por células de silicio amorfo presentan un FF típico de entre 0,5 y 0,6.
- Los paneles compuestos por células de silicio policristalino 0,7 y las de silicio monocristalino 0,8.
Conviene recordar los FF típicos ya que es un valor que se mantiene relativamente estable bajo la irradiancia en que se midan los valores eléctricos de un panel fotovoltaico.
El Factor de Forma (FF) es la relación entre:
- La Potencia pico (Wp = Vp x Ip)
- La imaginaria “potencia tope” (Wt = Voc x Isc) de una elemento fotovoltaico.
FF = Wp / Wt
FF = (Vp x Ip) / (Voc x Isc)
Donde:
- Wp: Potencia pico (W); la máxima potencia posible conectado a una carga.
- Vp: Tensión pico (V); la máxima tensión posible conectado a una carga.
- Ip: Corriente pico (A); la máxima corriente posible conectado a una carga.
- Voc: Tensión de circuito abierto (V); en inglés “Open Circuit Voltage”.
- Isc: Corriente de cortocircuito (A); en inglés “Short Circuit Current”.
(Wt es imaginaria porque un circuito no puede estar abierto y a la vez en cortocircuito)
Veamos un caso práctico de cálculo del Factor de Forma (FF) con el mismo panel que hemos utilizado para el ejemplo de cálculo del Rendimiento (η) de un panel fotovoltaico.
FF = (Vp x Ip) / (Voc x Isc)
FF = (57,6V x 5,65A)/(69,6V x 6,03A)
FF= 325,44W/419,69W
FF = 0,78
(Redondeando a 0,8 responde con el FF típico monocristalino)
FAQs sobre solar térmica VS fotovoltaica
¿Cómo se calcula el rendimiento de los captadores solares térmicos?
El rendimiento de los captadores solares térmicos se calcula utilizando la fórmula: η = η0 – k1 x (Tm – Ta) / G, donde η0 es el rendimiento óptico, k1 es el coeficiente de pérdidas, Tm es la temperatura media del captador, Ta es la temperatura ambiente y G es la irradiancia.
¿Qué condiciones se consideran para el cálculo de los rendimientos de los captadores solares?
Para el cálculo de los rendimientos de los captadores solares se suponen condiciones particulares, como una temperatura media de 60°C, temperatura ambiente de 30°C e irradiancia de 750 W/m².
¿Cómo se calcula el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos?
El rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos se calcula utilizando la fórmula: η = Wp / (GCEM x S), donde Wp es la potencia por irradiancia, GCEM es la irradiancia en condiciones estándar y S es la superficie irradiada.
¿Qué es mejor, solar térmica o fotovoltaica?
La elección entre energía solar térmica y fotovoltaica depende de tus necesidades y objetivos. Ambas tecnologías tienen aplicaciones diferentes:
Solar Térmica: Se utiliza principalmente para calentar agua, tanto para uso doméstico como comercial. Es ideal para sistemas de calefacción de agua y calefacción ambiente. Si tu objetivo es calentar agua para uso sanitario o calefacción, la energía solar térmica es más adecuada.
Fotovoltaica: Genera electricidad directamente a partir de la radiación solar y es adecuada para alimentar dispositivos eléctricos y sistemas de iluminación. Si deseas generar electricidad para alimentar aparatos, iluminación o incluso venderla a la red eléctrica, la energía solar fotovoltaica es la opción a considerar.
¿Qué diferencia hay entre placa solar y fotovoltaica?
Las “placas solares” a menudo se refieren a los paneles solares fotovoltaicos y a los paneles solares térmicos. Aquí hay una diferencia clave:
Placa Solar Fotovoltaica: También conocida como panel solar fotovoltaico, convierte la radiación solar directamente en electricidad. Utiliza células fotovoltaicas que generan una corriente eléctrica cuando la luz solar incide sobre ellas.
Placa Solar Térmica: Se utiliza para calentar agua mediante la absorción del calor de la radiación solar. No genera electricidad, sino que aumenta la temperatura del agua circulante a través de un sistema de tuberías y tanques.
¿Cuántos kW produce una placa solar térmica?
La cantidad de kW que puede producir una placa solar térmica depende de varios factores, como el tamaño del panel, la radiación solar en la ubicación y la eficiencia del sistema. En términos generales, una placa solar térmica bien diseñada puede producir entre 1 kW y 2 kW térmicos por metro cuadrado en condiciones óptimas de radiación solar. Es importante recordar que la energía térmica generada se utiliza para calentar agua y no se convierte en electricidad.
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