En artículos publicados en nuestro blog meses atrás, hablamos sobre la historia de la energía solar fotovoltaica y profundizamos en los diferentes sistemas solares fotovoltaicos. Ya adelantamos que traeríamos nuevos contenidos sobre sistemas solares térmicos, para finalizar con una comparativa de ambos sistemas.
A continuación, te dejamos con el primer post sobre el sistema solar térmico.
Por qué Energía Solar Térmica?
La energía solar térmica es una tecnología más antigua que la de los paneles fotovoltaicos, y aunque esta última ha experimentado un enorme crecimiento en los últimos años, aún hay espacio en el sector para los paneles solares térmicos.
La energía solar térmica se utiliza habitualmente para calentar el agua que será utilizada posteriormente, y es particularmente eficiente en la conversión de la luz en energía. Además, es una solución energética versátil y verdaderamente renovable que puede utilizarse para acoplarse a los sistemas de energía renovable existentes o para ayudar a reducir las emisiones de una propiedad.
Como concepto, podemos utilizar la energía solar térmica para calentar cualquier tipo de fluido a temperaturas de hasta 150ºC. Existen sistemas de colectores solares parabólicos que permiten subir la temperatura por encima de los 400ºC, pero estos sistemas son caros, escasos y muy complicados de mantener debido a las altas temperaturas que deben soportar.
En los siguientes posts, veremos desde cómo funciona la tecnología hasta el coste de la instalación de los paneles, así como sus ventajas y desventajas en comparación con la ya conocida Energía Solar Fotovoltaica.
Historia del Sistema Solar Térmico
Antes de adentrarnos en los componentes y aplicaciones actuales del sistema solar térmico, haremos un breve resumen por la historia de la energía solar térmica. A lo largo de la historia de la humanidad, hay una gran constante: el sol. Una fuente de energía que se ha utilizado durante siglos y de la cual se han desarrollado métodos más sofisticados para aprovechar su poder.
Uno de los métodos de aprovechamiento de energía es el sistema solar térmico, que aprovechan la energía del sol para el calentamiento del agua. Este sistema es muy diferente al de los sistemas fotovoltaicos que utilizan los paneles solares para generar electricidad.
? Los primeros registros de calentamiento solar de agua se remontan a más de cien años, ya en 1896, cuando fue inventado en Estados Unidos.
Los primeros calentadores de agua en los Estados Unidos eran cajas pintadas de negro y llenas de agua. El principal inconveniente de estos calentadores era que el agua tardaba todo el día en calentarse, incluso al estar en condiciones ideales. Además, se producía una rápida perdida de calor por la noche, ya que no había ningún medio de aislamiento o retención de calor.
La primera mejora de la tecnología fue realizada por el inventor Clarence Kemp, que mejoraba el aislamiento del sistema permitiendo una mayor retención de calor. Este fue el primer sistema de calentador de agua por lotes que incorporaba almacenamiento y recolección de agua caliente, permitiendo que se volviera comercialmente viable por primera vez.
Fue en 1909, cuando William Berry creó un diseño más compacto y ergonómico. Fue el primer sistema de termosifón que ubicaba el tanque en la cubierta y los colectores por debajo de ella, permitía la conservación del agua caliente tanto de día como de noche.
Este sistema se había generalizado por California y Florida en la década de los treinta. A principios de la mitad del siglo XX, ya se disponían de sistemas de agua caliente sanitaria en cientos de hogares de Pasadena y California. Esta tecnología se limitaba a climas cálidos, ya que se congelarían en un clima más frío.
? Hubo grandes avances en la tecnología solar térmica durante los años setenta, cuando el precio del petróleo comenzó a subir y el uso de la energía solar en el programa espacial puso en marcha la investigación sobre la energía solar térmica.
Durante los años ochenta, ya era posible el uso de los sistemas solares térmicos en climas mas suaves, gracias a la integración de anticongelantes al sistema. Actualmente, se están realizando importantes avances sobre la energía solar térmica en todo el mundo.
¿Qué es un sistema solar térmico?
Un sistema solar térmico es un sistema que utiliza paneles o también llamados “colectores solares” para generar calor. Ese calor podrá ser utilizado para tres propósitos principales: convertirlo en electricidad, calentamiento del agua para todo tipo de instalaciones, así como edificios, polideportivos, colegios, hoteles o incluso calefacción para el interior de estas instalaciones.
Cada una de esas opciones requiere tecnologías distintas, pero todas aprovechan el poder del sol para compensar una parte de sus necesidades energéticas.
Los sistemas solares térmicos se diferencian de los solares fotovoltaicos en que las tecnologías solares térmicas utilizan el calor del sol para producir energía, mientras que la solar fotovoltaica aprovecha el “efecto fotovoltaico” de algunos semiconductores, como el silicio, para producir un flujo de electricidad directamente de los rayos del sol. Es una fuente completamente renovable producida directamente a partir de la luz solar, y sin producción de carbono en absoluto. Es una tecnología simple, confiable y que presenta varios beneficios de los que hablaremos más adelante.
Componentes de un Sistema Solar Térmico
Los sistemas de ACS (Agua Caliente Sanitaria) están formados por unos elementos principales:
1. Colector Solar
Los colectores solares son diferentes de los paneles solares fotovoltaicos, ya que, en lugar de generar electricidad, generan calor. Cuando la luz del sol (o “radiación solar”) atraviesa la cubierta de vidrio del colector, incide en un componente llamado absorbedor o placa absorbente, que tiene un revestimiento diseñador para captar la energía colar y convertirla en calor. Este calor generado se transfiere a un fluido caloportador que se encuentra en los tubos de los colectores. Principalmente, se destacan dos tipos:
Colectores de placa plana:
Consta de un absorbedor de placa plana con revestimiento selectivo, una cubierta transparente que permite el paso de la energía solar, además de reducir las pérdidas de calor, tubos para la circulación del fluido caloportador y una cubierta para proteger los componentes de los elementos nocivos del entorno. Generalmente se utilizan para la recogida de radiación solar en temperaturas ambientales bajas.
En esta imagen de Solar Bayer observamos las siguientes capas: 1) Cubierta; 2) Absorbedor; 3) Tubos; 4) Aislamiento; 5) Marco – perfil
Tubos de vacío:
Este tipo de colector tiene una mayor eficiencia que los de placa plana; esto se debe a que genera menores perdidas de calor en comparación con los anteriores, llegando a absorber hasta un 16% más de energía. Son especialmente eficientes en ambientes fríos.
Consta de tubos de vacío para minimizar las perdidas de calor, tubos de cobre para garantizar una rápida transferencia de calor y una carcasa de aluminio para soportar los demás componentes y mantener la integridad del sistema. Para más conocimiento sobre su funcionamiento, click aquí.
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Depósito o tanque de almacenamiento
Es el componente que almacena el agua caliente para después proporcionarla a la temperatura requerida en el consumo. Generalmente los depósitos de acero son los más utilizados debido a la facilidad de su instalación. Las pérdidas térmicas son el factor principal que indica la eficiencia del depósito acumulador.
Intercambiador de calor
Normalmente, se utiliza en sistemas cerrados. Sirve para transferir la energía solar absorbida en los colectores solares al agua potable del depósito acumulador. Se fabrican con material conductor y anticorrosivo para garantizar una buena transferencia de calor; se suele utilizar el cobre, aunque el acero inoxidable también es habitual en los intercambiadores de calor “compactos”.
Sistema de control o “centralita”
Su principal función es garantizar el funcionamiento optimo del sistema ACS. De manera que, controlando y regulando las temperaturas de los componentes del sistema mediante sondas instaladas en ciertos puntos, previene problemas futuros como sobrecalentamiento o heladas.
Fluido caloportador
Es el responsable de la transferencia de energía de calor a través de los colectores solares y del intercambiador de calor hasta los depósitos acumuladores. Se utilizan varios tipos de fluido caloportadores en los sistemas solares térmicos, así como el aire, agua, aceites hidrocarbonados, mezclas de glicol y agua o fluidos de silicona; aunque los mas utilizados son el agua y el aire, ya que son económicos y ecológicos, sin mencionar la alta capacidad térmica del agua y las propiedades no corrosivas del aire. Para más información, haz click aquí.
¿Cómo funciona un sistema solar térmico?
El funcionamiento de un sistema solar térmico es bastante sencillo, se puede resumir en dos simples circuitos: circuito primario y circuito secundario.
Circuito Primario
El circuito primario viene provisto de unos paneles o tubos de vacío diseñados específicamente para absorber la energía del sol, llamados “colectores”.
El colector solar utilizará la radiación solar para calentar el fluido caloportador contenido en su interior, que generalmente suele ser una mezcla de agua y glicol para evitar que se congele, y enviará hacia el intercambiador de calor.
En el intercambiador, el fluido liberará el calor obtenido y volverá de regreso a los colectores para empezar nuevamente el mismo proceso de recalentamiento.
Cabe decir, que todo el proceso es controlado por una “centralita” o sistema de control, para asegurar que el fluido caloportador circule hacia el colector cuando haya suficiente calor disponible.
Circuito Secundario
El intercambiador es el componente que separa ambos circuitos. En él se calentará el agua fría proveniente del deposito acumulador y la devolverá con temperatura hacia el mismo. Una vez el agua calentada en el depósito, se encuentra disponible para su consumo en el momento que sea necesario. El agua que no se haya consumido volverá de nuevo al depósito para su recalentamiento.
El elemento encargado de forzar esta circulación es la bomba de secundario, cuya activación está controlada por la centralita del sistema solar.
Aplicaciones de los Sistemas Solares Térmicos
Este sistema se puede utilizar para diferentes aplicaciones:
- El calentamiento de agua sanitaria es el uso más común de este tipo de sistema y en el que presenta altísima eficiencia ayudando a descarbonizar la instalación.
- Calefacción de espacios: los sistemas solares térmicos pueden contribuir a la calefacción de una vivienda, así como al calentamiento del agua de consumo.
- Piscinas: la calefacción de piscinas es una de las aplicaciones mejor establecidas para la energía solar térmica. En algunos casos se pueden alcanzar eficiencias de los colectores superiores al 78%.
- Para fines comerciales y agrícolas, incluyendo hoteles, casas de huéspedes, granjas, locales comerciales, polideportivos e industrias. Estos son candidatos ideales para la energía solar debido a la gran demanda de agua caliente que deben atender 24 horas al día, 365 días al año.
En definitiva, los sistemas solares térmicos presentan varias ventajas y aplicaciones, principalmente para el calentamiento del agua y calefacción. A pesar que solo hayamos hablado sobre el funcionamiento de una configuración simple, hay que mencionar que hay diferentes tipos de configuraciones para este sistema.
FAQs sobre sistema solar térmico
¿Qué es un sistema solar térmico y cómo funciona?
Un sistema solar térmico utiliza paneles o colectores solares para generar calor aprovechando la radiación solar. El calor generado se utiliza para calentar agua, fluidos o para otros fines, dependiendo de la aplicación.
¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de los sistemas solares térmicos?
Los sistemas solares térmicos se utilizan principalmente para calentar agua sanitaria, calefacción de espacios, piscinas y en aplicaciones comerciales e industriales que requieren agua caliente constante.
¿Cuáles son los componentes esenciales de un sistema solar térmico?
Los componentes clave incluyen colectores solares (ya sean de placa plana o tubos de vacío), un depósito de almacenamiento, un intercambiador de calor, una bomba de circulación, un fluido caloportador y una centralita de control.
¿Cuál es la diferencia entre los colectores de placa plana y los tubos de vacío en un sistema solar térmico?
Los colectores de placa plana son eficientes en temperaturas ambientales bajas, mientras que los tubos de vacío son más eficientes y adecuados para ambientes fríos debido a su capacidad para absorber más energía solar.
¿Cuál es la historia de la tecnología de sistemas solares térmicos?
Los sistemas solares térmicos tienen una historia que se remonta a más de cien años, con mejoras significativas a lo largo del tiempo, como el desarrollo de sistemas de termosifón y la integración de anticongelantes.
¿Cuál es la eficiencia de un sistema solar térmico en comparación con la energía solar fotovoltaica?
Los sistemas solares térmicos convierten la luz solar en calor, mientras que la energía solar fotovoltaica convierte la luz solar directamente en electricidad. Ambas son fuentes de energía renovable, pero su aplicación y eficiencia varían según el propósito.
¿Cuál es el papel del fluido caloportador en un sistema solar térmico?
El fluido caloportador es responsable de transferir el calor desde los colectores solares al intercambiador de calor y al depósito de almacenamiento. Puede ser agua, una mezcla de agua y glicol u otros fluidos.
¿Cómo se controla y regula un sistema solar térmico para garantizar su funcionamiento óptimo?
Un sistema de control o centralita supervisa y regula las temperaturas de los componentes del sistema, previniendo problemas como el sobrecalentamiento o las heladas.
¿Cuáles son los beneficios ambientales y económicos de utilizar un sistema solar térmico?
Los beneficios incluyen la reducción de las emisiones de carbono, el ahorro en costos de energía a largo plazo y la contribución a la sostenibilidad ambiental al utilizar una fuente de energía renovable y limpia.
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