El Blog del Captador Solar Térmico

Para baja temperatura, se utilizan los llamados colectores de placa plana, el cual consta de los siguientes elementos:

Placa absorbedora la cual es la encargada de recibir y captar la radiación, y transmitirla a los conductos encargados de transportar, por medio de un fluido caloportador, la energía hasta el lugar deseado.

Elementos de transporte del fluido caloportador en la mayor parte de los colectores existentes en el mercado, se instalan tubos del mismo material que el absorbedor, de manera que el calor obtenido de la radiación se transmite al fluido caloportador que circula a través de los mismos.

Aquí debemos mencionar que la principal característica de las superficies absorbedoras, son sus correspondientes coeficientes de emisión y absorción, pues son los parámetros típicos de las pinturas y superficies selectivas. Para conseguir un buen rendimiento energético, se deberá encontrar un material con un equilibrio en sus coeficientes, de manera que tenga un coeficiente de absorción (absortancia) elevado para las longitudes de onda cortas, a la vez que tiene un coeficiente de emisión (emitancia) bajo para el campo del infrarrojo, esto es, para las longitudes de onda largas, ya que todos los cuerpos radian cierta cantidad de energía en función de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación.

Para rentabilizar la energía absorbida, se utilizan otras técnicas adicionales, como por ejemplo el aprovechar el Efecto Invernadero, instalando una cubierta transparente delante del absorbedor para evitar el escape de energía térmica al exterior. Debemos seleccionar bien las características del material de la cubierta, que bien podría ser de vidrio o de materias plásticas, de manera que sea buen transmisor de las ondas de radiación solar comprendidas entre 0.3 y 3 mm, tener un coeficiente de transmisión lo más bajo posible para las ondas emitidas a su vez por el absorbedor, esto es, para las ondas superiores a los 3 mm, y tener un coeficiente de conductividad térmica bajo, para evitar las pérdidas en la medida de lo posible. Cuando la temperatura exterior al colector sea muy baja, es conveniente el uso de colectores con doble cubierta, con lo que aunque disminuyamos la energía que llega al absorbedor, también disminuimos las pérdidas del colector.

También es imprescindible un buen aislamiento de la instalación, para evitar perder calor en su transporte desde el lugar de captación hasta el lugar de utilización, por lo que tanto la caja (carcasa) que contiene todos los componentes anteriormente citados, como las tuberías y componentes existentes a lo largo del circuito, deberán llevar su aislamiento correspondiente. Se suele colocar en la parte posterior al absorbedor una lámina reflectora de aluminio, con un grosor no inferior a 8 mm. Los materiales aislantes más utilizados, según las necesidades de cada instalación, son: Poliestireno, fibras minerales, espuma rígida de policloruro de vinilo, espuma rígida de poliuretano, espuma de vidrio, lana de roca, lana de vidrio.

Para conseguir una buena rentabilidad energética, y un ahorro notable, lo más importante no radica solamente en transformar energía térmica de forma económica y ecológica, sino en que la energía transformada en térmica, de un modo u otro, no se pierda por un mal aislamiento ó un uso ineficaz de la misma.

Respecto al sistema de aprovechamiento del potencial térmico, podemos distinguir dos formas de aprovechamiento térmico: Directo, si el fluido que pasa a través de los colectores es directamente el que se transporta hasta los puntos de consumo, que para los sistemas de calefacción y ACS es agua; Indirecto, si se utiliza un fluido caloportador distinto de agua, normalmente con mejores características térmicas que esta ante los problemas de la corrosión y congelación, que es el que pasará por los colectores, y este a su vez transferirá su energía térmica al fluido que se consumirá. En este sistema, debemos contar con unas pérdidas térmicas debidas al intercambio de energía entre uno y otro. Los fluidos más ampliamente utilizados, son el agua con anticongelante, fluidos orgánicos y los aceites de silicona.

Para la proyección de un sistema de calentamiento de agua por energía solar, se hace imprescindible conocer los rendimientos que se pueden llegar a alcanzar con las actuales tecnologías, en lo que a colectores de placa plana se refiere.

Para conseguir los rendimientos adecuados para cada tipo de instalación y de colectores, se hace imprescindible tener presente que el fin último de la instalación solar es el ahorro de energía auxiliar, que se traduce en ahorro económico a medio y largo plazo, ahorro que se hace más patente en instalaciones de uso todo el año que en instalaciones de uso en épocas predeterminadas. Lo fundamental es lograr que el uso de la energía auxiliar fuese sólo en los casos de evidente necesidad, y reduciendo al máximo su uso, de manera que la energía auxiliar complemente a la solar.

Es fundamental un correcto diseño y dimensionado del sistema solar, tanto en su captación como en el almacenamiento y transporte de la energía, por lo que se hace fundamental el detallado estudio de todos y cada uno de los componentes de la instalación, y de la interrelación entre ellos. Empezando por el sistema de colectores, se deberá elegir correctamente el número de los mismos, para no crear pérdidas ni malgastar energía indebidamente, además de dar a los colectores la inclinación adecuada, para así regular el sistema para que la energía captada se convierta realmente en energía útil. La experiencia nos demuestra que una inclinación 10º grados mayor que la latitud del lugar suele ser la apropiada para instalaciones de uso todo el año, teniendo en cuenta que si aumentamos la inclinación favoreceremos la captación en la temporada invernal, y si la disminuimos la captación será más favorable en verano.

Consiste en el aprovechamiento del efecto térmico de la radiación solar, produciendo una transferencia energética en forma de calor a ciertos fluidos, que bien puede ser agua (aprovechamiento directo), o bien otro tipo de soluciones (aceites, anticongelantes,…), para su aprovechamiento ya sea a nivel doméstico ó industrial, para el calentamiento de Agua Sanitaria, para calefacción, para llevar a cabo cualquier proceso que requiera agua a cierta temperatura,…

El proceso aprovechado para esta transformación térmica es el hecho conocido de que la radiación solar calienta los cuerpos sobre los que incide. Pero además de la incidencia de una mayor ó menor intensidad de radiación solar, influye el tipo de cuerpo, estado, color sobre el que incide. Es lo que se llama “superficie selectiva”, que aprovecha la radiación que nos interesa, y refleja la inservible. Así, los cuerpos metálicos pintados de negro mate, presentan dicha cualidad, ya que su superficie tiene una composición adecuada para absorber dicha radiación, así como para no reflejarla después de incidir. Al ser una superficie de alta conductividad térmica, el calor se transmite a través de ella hasta donde nos interese su aprovechamiento.

En la etapa actual, estamos en condiciones de plantearnos una utilización más avanzada de la radiación solar en forma térmica, pues en zonas de abundante soleamiento, ya sea por su situación geográfica, o por su utilización en ciertas etapas del año (los hoteles costeros, con utilización masiva en épocas estivales), ya que la tecnología actual permite rendimientos realmente aceptables en lo que se refiere a esta forma de aprovechamiento de la energía solar. En ciertos países, como pueden ser Israel, o el estado norteamericano de California, existente reglamentos y leyes que exigen la instalación de calentadores solares, y en España va aumentando poco a poco la oferta y la demanda en este sector.

Los sistemas activos, utilizan la radiación recibida para calentar un fluido caloportador, el cual será aprovechado como energía térmica para los fines que nos interese, con la ayuda de diversos sistemas mecánicos (colectores).

Según la temperatura y el uso que de la energía solar térmica se quiera dar, podemos distinguir entre las siguientes aplicaciones:

Baja Temperatura:

Es la aplicación más comúnmente utilizada en las aplicaciones domésticas de la energía solar térmica, tanto para calentamiento de piscinas, como para calefacción o agua caliente sanitaria (ACS).

Media Temperatura:

Es una tecnología indicada para aplicaciones que requieran temperaturas entre 80 ºC y 250 ºC, temperaturas con las que no se puede trabajar con colectores planos, por los bajos rendimientos que se obtendrían. Por tanto, se utilizarán “Colectores de vacío o Colectores de concentración”.

Alta Temperatura:

Se usa esta tecnología cuando se desea conseguir temperaturas superiores al 250 ºC, pudiendo llegar a conseguir temperaturas del orden de los 2.000 ºC, precisándose de una mayor concentración de radiación solar. Los dos sistemas principales de captación, son: a) Paraboloides reflectantes, en cuyo foco se dispone el receptor solar, en el que se calienta el fluido; b) Centrales de Torre, formadas por un campo de espejos que concentran toda la radiación recibida en un único punto, encima de la torre, donde se encuentra la caldera.

Una de las aplicaciones más importantes para altas temperaturas, aunque podríamos incluirla en el apartado dedicado a la energía Fotovoltaica, es la transformación de la energía térmica de alta temperatura en energía eléctrica, por medio de turbinas que se mueven debido a las altísimas temperaturas que se consiguen en el foco de la torre.

DOS PIONEROS EN NORTEAMÉRICA

Ocho años después de que Mouchot comenzara sus primeros experimentos (1868), un ingeniero sueco emigrado a EE.UU. en 1939, John Ericsson, proclamaba su esperanza de que la energía solar movería algún día las máquinas de la era industrial.

En 1870, Ericsson terminó de construir una máquina solar de vapor, erróneamente reivindicada como la primera máquina solar y relegando a la categoría de “mero juguete” el motor realizado por Mouchot 4 años antes. Este invento guardaba un asombroso parecido con el de Mouchot, ya que ambos sumaban tres elementos fundamentales: Espejo concentrador, caldera y máquina de vapor.

UNA MÁQUINA SOLAR DE AIRE CALIENTE

En 1872, Ericsson probó una vía totalmente diferente: Calentar el aire (en vez del agua) contenido en un cilindro situado en el foco de un reflector curvo. Ericsson quedó extasiado por el rendimiento de su motor. Pero tres años después, se templaron sus ánimos, al darse cuenta que el aparato concentrador es tan grande y tan caro que los motores activados por energía solar resultaban en la práctica más caros que sus análogos movidos por carbón.

UN REFLECTOR SOLAR BARATO

El siguiente intento de Ericsson, es la sustitución del espejo de plata por vidrio de acristalar plateado detrás.

Para mantener su reflectividad sólo será necesario eliminar el polvo depositado en la superficie del reflector, y no como ocurría antiguamente, que era necesario pulir la superficie del mismo, con el consiguiente ahorro tanto en el costo del mismo como en su mantenimiento.

MOTORES SOLARES DE BAJA TEMPERATURA

El ingeniero francés Carles Tellier (1885), sería la primera persona en desarrollar colectores solares de baja temperatura para impulsar máquinas. Mientras que los motores convencionales empleaban vapor de agua presión, los ingenios de Tellier utilizaban vapor presurizado en ciertos líquidos con temperaturas de ebullición muy por debajo de la del agua. Por ejemplo, el hidrato de amoníaco, hierve a -33º C, y el dióxido de azufre, a -10º C.

Llamado el “padre de la refrigeración”, Tellier transformó radicalmente el comercio internacional al acondicionar el barco Frigorifique para el transporte del primer cargo refrigerado del mundo.

EL PRIMER MOTOR SOLAR PRÁCTICO

Otro ingeniero americano, Frank Shuman, en los comienzos del siglo XX, se dio cuenta que las altas temperaturas con que se trabajaba, favorecían las pérdidas por conducción y convección, además del elevado coste de los espejos revestidos de plata. Por ello, retomó los estudios con las cajas calientes, afirmando la idea de Saussare, Langley,…, de que con estas cajas se podían conseguir temperaturas lo suficientemente altas como para hervir agua.

Su primer intento fue construir una caja caliente en cuyo interior dispuso los tubos pintados de negro que alojaban el líquido de bajo punto de ebullición (éter). Con este ingenio, Shuman consiguió alimentar favorablemente un motor de un octavo de caballo.

Shuman se dio cuenta que para atraer a los inversores debía construir un motor de exhibición capaz de ofrecer resultados positivos. Con el dinero dejado como beneficio por otras aventuras comerciales, construyó un motor solar de demostración en el jardín de su casa. En agosto de 1907, imprimió programas invitando al público a asistir a la demostración de la primera máquina solar práctica.

La planta de energía solar era una versión agrandada de los motores de baja temperatura probados anteriormente por Shuman. La caja caliente, que totalizaba 100 metros cuadrados, yacía plana sobre el suelo y contenía una serie de tubos negros por donde circulaba un líquido de bajo punto de ebullición. El vapor calentado por el sol, accionaba un motor de 3 caballos y medio.

COMBINANDO CAJAS CALIENTES CON REFLECTORES

Tras los éxitos conseguidos, Shuman forma la Sun Power Company, teniendo un importante objetivo a largo plazo, la construcción de una planta solar a gran escala en Egipto, ya que allí la mano de obra era barata, y el potencial solar enorme. Pero antes de aventurarse en Egipto, tenía que poner a prueba la planta en los Estados Unidos. La planta se alzó sobre 2.700 metros cuadrados en un terreno cercano a su a casa en Tacony, Pennsylvania. Para incrementar la cantidad de calor producida en los colectores, se sumaron a los colectores una serie de reflectores (espejos de vidrio), y se añadió un mecanismo para ajustar el ángulo de los colectores a su exposición óptima. Conectado a una bomba, el dispositivo podía elevar 12.000 litros de agua por minuto a 10 metros de altura, y podía producir un potencia máxima de 32 caballos.

Dispuestos ya para el inicio de la planta africana, en 1912 Shuman y su equipo de operarios llegan a Maadi, pequeña comunidad agrícola junto al Nilo. Se construyeron 5 colectores solares con reflector parabólico sobre un eje Norte-Sur, cada uno de 60 metros de largo por 4 de ancho, y separados 8 metros entre sí. A finales de 1913, y después de un intento fallido, la planta estaba nuevamente preparada para su inauguración. Se alcanzaron 55 caballos de potencia, captando el 40 % de la energía solar disponible, obteniendo resultados muy superiores a los de la planta de Tacony.

Pero a partir de 1909, coincidiendo con la Primera Guerra Mundial, se pierde el interés por la Energía Solar, y los ingleses comienzan a invertir en un nuevo combustible, el petróleo, invirtiendo cantidades descomunales en yacimientos del mismo por todo el mundo.

AGUA CALIENTE DÍA Y NOCHE

En el verano de 1909, en una pequeña tienda al aire libre del suburbio de Monrobia de Los Ángeles, un ingeniero llamado William J. Bailey comercializó un calentador solar de agua que revolucionaría la industria. No sólo suministraba agua calentada solarmente mientras lucía el Sol, sino asimismo durante las horas después de haber ya anochecido y también a la mañana siguiente.

Bailey descubrió que su médico, el doctor Remington, experimentaba con calentadores solares de agua en su clínica. Para ello, separaba el calentador solar en dos partes o unidades: un colector de calor solar, y un depósito de acumulación de agua. El colector consistía en un serpentín colocado en el interior de un cajón con tapa de vidrio, suspendido sobre el muro sur de su casa. El reducido volumen de agua contenido dentro del serpentín se calentaba rápidamente, para pasar a un depósito convencional situado en la cocina.

Bailey utilizó el mismo método que utilizara Remington, aunque metió algunos cambios en su instalación. Uno de esos cambios fue aislar el depósito a las inclemencias atmosféricas. El primer aislante que utilizó fue de polvo de piedra caliza. En estas circunstancias, el coeficiente de pérdidas no superaría 1º Fahrenheit por hora.

Otro punto importante para su buen funcionamiento, era el de instalar el acumulador en un punto más alto que el colector, para evitar tener que poner bomba para impulsar el agua entre el colector y el depósito acumulador, aprovechando el efecto termosifón (el agua caliente es menos densa que el agua fría, y por tanto tiende a elevarse por si sola por las tuberías).

UNA FLORECIENTE INDUSTRIA SOLAR

Cuando en los años veinte parecía que la industria solar llegaba a su fin, los grandes inversores y especuladores de la floreciente Miami buscaban una forma barata de obtener agua caliente. Fue cuando un constructor llamado H.M. Carruthers compra la patente del calentador Día y Noche a Bailey por 8.000 dólares, formando así la Solar Water Heater Company en 1923.

En 1931, y tras un debastador huracán, Carruthers confía sus asuntos financieros a su socio, Charles F. Ewald.

MÁQUINAS SOLARES

Para los primeros años del siglo XIX, se dispararon los avances tecnológicos y científicos, originando una Revolución Industrial total. El empleo de las máquinas como suplemento a la energía muscular de hombres y animales significó la posibilidad de facturar bienes a una escala sin precedentes. El carbón, junto con la madera, era el principal combustible de las recientemente inventadas máquinas de vapor(James Watt, 1769).

A pesar del buen momento por el que pasa la economía energética francesa (después de pasar por una serie de programas para acelerar la producción de carbón), había gente que no compartía el entusiasmo típico de una época gloriosa. En 1860, Agustín Mouchot, profesor de matemáticas del Liceo de Tours, ponía sobre aviso:

La respuesta de Mouchot era sencilla: ¡¡Cosecha los rayos del Sol!!. Y para demostrar que la energía solar podía aplicarse al funcionamiento de las máquinas de la Era Industrial, se embarcó en dos décadas de investigación pionera.

La investigación de Mouchot sobre el potencial de la maquinaría solar comenzó por un estudio de sus antecedentes históricos, encontrando que la idea de utilizar calor para las operaciones mecánicas venía de muy antiguo encontrando curiosos ingenios a lo largo de la historia.

Uno de estos ingenios, fue el construido por Herón de Alejandría en el Siglo I de la era cristiana. Herón inventó un sifón solar que podía transferir agua de un recipiente a otro. La energía solar calentaba el aire en el interior de una esfera cerrada, y éste, al expandirse, empujaba el agua contenida en la esfera, obligándola a salir.

Pero Mouchot acusaba que nadie se había preocupado de dar una utilidad práctica a esta energía, y no se contentaba con ver la energía solar empleada en artilugios lúdicos.

El objetivo de Mouchot en Tours (1860) era encontrar un modo de captación de la energía solar lo bastante eficiente como para mover económicamente máquinas de vapor industriales. Una caja caliente similar a la de Saussare parecía prometedora porque podía generar temperaturas lo bastante elevadas como para producir vapor de agua. Pero se dio cuenta de que una caja caliente lo suficientemente grande como para impulsar una máquina industrial ocuparía mucho espacio y sería demasiado cara.

El segundo intento, fue una caldera de cobre de forma de campana pintada externamente de negro de humo, recubierta por una serie de campanas de vidrio concéntricas, de forma que aprovechara el “Efecto Invernadero”. Mouchot se dio cuenta que al ser el área de captación de 360º, el aparato podía captar prácticamente todos los rayos que caen sobre la campana exterior. Aún así, se necesitaría un aparato demasiado grande como para resultar práctico si se deseaba producir calor suficiente para fines industriales.

La siguiente solución combinaba hábilmente dos ingenios solares que hasta entonces habían evolucionado separadamente: el retenedor solar de vidrio, y el espejo solar. Un reflector solar podría concentrar más luz del sol sobre el colector de la que este captaría por sí mismo. Sería posible entonces reducir el retenedor solar de vidrio a los límites de una dimensión manejable, produciendo aún suficiente calor como para impulsar máquinas. La unión de ambos enfoques condujo a varios inventos de éxito: un horno solar, un alambique solar y una bomba solar.

El horno solar constaba de un gran cilindro de cobre ennegrecido rodeado por otro de vidrio, separados ambos entre sí 2.5 centímetros. El alimento se introducía en el cilindro de cobre, luego cubierto con una tapa de madera. El espejo solar tenía forma de medio cilindro, orientada al sur y reflejaba una banda de rayos solares sobre el lado norte de los cilindros. En este aparato Mouchot cocinó excelentes comidas.

Pese a tales éxitos, Mouchot no había logrado todavía su objetivo principal: mover una máquina de vapor con energía solar. Mouchot, sustituyó la caldera por un tubo de cobre de 2.54 centímetros de diámetro, de manera que el menor volumen de agua allí contenido se calentase mucho más rápidamente. Para almacenar el vapor, soldó un depósito metálico al extremo superior del tubo.

“El mes de junio de 1866 lo vi funcionar maravillosamente tras una hora de exposición al sol. Su éxito superó nuestras expectativas, pues el mismo receptor solar bastó para impulsar una segunda máquina, mucho mayor que la primera.”

¡¡Mouchot acababa de inventar la primera máquina de vapor movida por energía solar!!

Continuamos esta línea de curiosidades remontándonos a los antecedentes de Captadores Solares y viendo como, desde siempre, la Energía Solar, ha estado entre nosotros.

CAJAS CALIENTES

El incremento habido en el uso del vidrio durante el siglo XVIII, permitió a mucha gente conocer la capacidad de este material para retener el calor solar.

El primer hombre que se preocupa en estudiar este fenómeno, fue Horace de Saussare (1767).

Su primer experimento fue la fabricación de un invernadero en miniatura de cinco paredes realizado con otras tantas cajas de vidrio, de planta cuadrada y dimensiones decrecientes de 30 cm de base por 15 cm de alto, hasta 10 cm por 5 cm. Estas 5 cajas, estaban abiertas por su base, para poder apilarse sobre una mesa de madera negra.

Después de varias horas de exposición directa de las cajas a los rayos solares, de Saussare midió la temperatura en su interior. La caja exterior era la más fría, llegando a una temperatura en la más interior de 87 ºC.

El fundamento de esta experiencia es bien conocido en el día de hoy, pero no por aquel entonces (2ª mitad del siglo XVIII).

La luz solar penetra la superficie de cristal, y es absorbida por la superficie negra de la mesa. En el transcurso de este proceso, la energía lumínica se transforma en calor, liberándose en el interior de las cajas como aire caliente y radiación térmica, impidiendo el cristal la radiación del calor al exterior, aunque es cierto que parte de dicho calor se pierde por conducción a través del vidrio.

Varios científicos del siglo XIX llevaron a cabo experimentos con cajas calientes y obtuvieron resultados análogos. Entre ellos, los dos que más destacan son Sir John Herschel y Samuel Pierpont Langley, que señalaron su utilidad para la vida cotidiana, como suministrar agua caliente y calefacción a edificios industriales y a edificios de viviendas.

LOS PRIMEROS CALENTADORES DE AGUA

Durante el siglo XIX, los requerimientos de la higiene, los avances tecnológicos, y el superior bienestar material se combinaron para producir una mayor demanda de agua caliente.

Desgraciadamente, calentar el agua seguía siendo una tarea laboriosa, ya que calentaban el agua en la cocina, lo cual suponía un auténtico suplicio en los meses de verano, ya que tenían que soportar tener el fuego de sus cocinas encendido durante las horas que tardaba en calentarse el agua, aunque más adelante se idearon sistemas de circulación por cañerías, que pasaban por el fogón calentando el agua y almacenándola en depósitos hasta el momento de su utilización.

Por este motivo se investigaban formas diferentes de calentar el agua, y así, en 1891, Clarence M. Kemp descubría una forma sencilla, que era un depósito metálico pintado de negro, que utilizaba el mismo principio científico que la caja caliente de Saussare, colocado donde daba más el Sol y menos la sombra, incrementando así la capacidad del depósito para captar y retener el calor solar. A este invento se le conoció como CLIMAX.

Estos depósitos estaban llenos de agua, que sería calentada después por el Sol, para descargarla después mediante un grifo instalado en el baño o en la cocina. Si la fontanería doméstica funcionaba por gravedad, la apertura del grifo desalojaba el agua caliente de los depósitos; estos volvían a cargarse a partir de un pequeño tanque situado por encima. Una válvula de flotador regulaba el llenado del tanque auxiliar.

Kemp anunciaba el Climax como “el colmo de la simplicidad”, evitando la dura tarea de encender la cocina para calentar el agua.

En lo que se refiere a aspectos técnicos de la energía solar, podemos observar dos vertientes:

Por un lado, tenemos la Energía Solar Fotovoltaica que, como veremos más adelante, es el aprovechamiento del efecto fotovoltaico para transformar la radiación solar en energía eléctrica. Por otro lado, la Energía Solar Térmica, que es la forma de aprovechar el calor solar directamente (sin transformaciones intermedias) para beneficio y disfrute del Ser Humano: calefacción, agua caliente, procesos industriales.

También hay que señalar la relevancia que tiene en nuestros días el aprovechamiento pasivo de la radiación que nos llega del sol, que consiste en aprovechar de una forma pasiva las cualidades tanto climáticas como lumínicas de la radiación solar para el acondicionamiento de espacios, con una visión arquitectónica y constructiva más respetuosa con el medio ambiente (y a la vez más inteligente), con la que se logrará ahorrar gran cantidad de energía.

Hay que anotar que hoy en día tiene un uso mucho más rentable la vertiente Térmica que la Fotovoltaica, pues la tecnología permite hacer más avances en este campo.

En su utilización a pequeña escala (instalaciones descentralizadas) es donde se puede encontrar más provechosa esta forma de generación energética, al no necesitarse grandes instalaciones ni vastos espacios disponibles para su ubicación.

La tendencia en los últimos tiempos respecto a las instalaciones descentralizadas, consiste en utilizar una segunda fuente energética adicional como energía de apoyo (normalmente se trata de alguna fuente de energía tradicional), que asegure el suministro incluso con largos periodos de tiempo desfavorables para el aprovechamiento de la energía renovable.

Antecedentes del uso de la Energía Solar

Lo que ahora entendemos como Energía Alternativa o Energía Renovable, fue la única fuente de recursos existente en épocas prehistóricas. Pensemos que hasta el descubrimiento del fuego en épocas prehistóricas el hombre se calentaba a través de la radiación solar, y se guarecía en cavernas protegidos de las inclemencias del tiempo, pero siempre en la cara de las mismas que estaba expuesta a la radiación solar. Se podría decir que este es el antecedente de la energía solar pasiva, o también conocido como “Arquitectura Solar”.

En épocas más avanzadas, el hombre empieza a utilizar y estudiar las propiedades de la radiación solar. Así, construye máquinas capaces de elevar agua desde un pozo a un depósito elevado, por medio del efecto sifón natural, empieza a calentar agua en depósitos elevados para su utilización a escala industrial, y más tarde para la higiene personal.

Cuenta la leyenda, que Arquímedes, durante el asedio de Siracusa (212 a.C.), utilizó concentradores de la luz solar, formados por una serie de espejos situados estratégicamente) para destruir varias naves romanas. Este principio fue utilizado también por Leonardo da Vinci para diseñar un concentrador solar.

Continuando con el anterior Post, en la siguiente figura se representa la curva de rendimiento del captador Isonox II, de la marca Isofotón. El punto en que la curva corta al eje de ordenadas se conoce como factor óptico, y la pendiente de la curva viene determinada por el coeficiente de pérdidas.

                           T_{e –} T_a

η = 0,76 – 4,50 ————–

                                G

El comportamiento del captador solar térmico se evalúa mediante la curva de rendimiento instantáneo que, según la normativa europea, se establece según los procedimientos de ensayo establecidos en la norma EN-12975-2.

El ensayo prevé la obtención de dos tipos de curva diferentes, a las que se puede realizar un ajuste lineal o cuadrático; una en la que interviene la temperatura de entrada en el captador, y otra en la que se tiene en cuenta la temperatura media en el mismo.

Se representa el rendimiento instantáneo frente a una temperatura adimensional, que suele presentar alguna de las dos formas

siguientes:

• Si consideramos la curva que considera la temperatura adimensional en función de la temperatura media del fluido en el captador, se obtendrá la siguiente expresión, para el ajuste lineal y para el ajuste cuadrático.

En la siguiente tabla puede observarse el significado de cada uno de los parámetros de la ecuaciones anteriores.

El principal campo de aplicación del tratamiento selectivo, donde obtiene prestaciones mucho mejores que en los tratamientos con pintura, es en aquellas circunstancias de bajas condiciones de radiación y/o altas temperaturas de utilización.

En otras circunstancias, un tratamiento con pintura negra puede ser también muy eficiente.

Los principales tratamientos selectivos que se encuentran en el mercado actual se describen a continuación.

- Cromo negro.

El material de base para este tratamiento suele ser el cobre. Los absorbedores con cromo negro se protegen de la oxidación por medio de una capa de níquel.

- Níquel negro.

En el proceso de producción, la banda de cobre suele pasar en continuo a través de diferentes baños con agentes limpiadores, como fase previa a la aplicación electrolítica del níquel (el cromo negro sigue un proceso muy similar).

El proceso productivo ha sido probado durante varios años, ofreciendo buenas características de absortividad y estabilidad con el tiempo.

- Cristal negro.

Una vez que la banda de cobre ha sido limpiada, una capa de níquel con cristales especiales es depositada, y cubierta con un spray a base de cristal líquido. Se requiere de medidas de protección adicionales que sean capaces de tratar el vapor de alcohol en el área donde el cristal líquido es pulverizado.

- PVD (Physical Vapour Deposition).

Un chorro de electrones es conducido directamente contra la superficie a tratar, en presencia de una cámara dónde se ha provocado el vacío. El material vaporiza y es depositado sobre la banda de cobre, mientras oxígeno y nitrógeno son introducidos a baja presión en la cámara al vacío.

En el caso de Tinox, una banda de cuarzo es depositada en la parte superior, para que se puedan ajustar los índices de refracción entre la capa de tratamiento y el aire.

- Sputtering.

Tiene lugar en una cámara rellena con argón. Se crea un campo entre un material conectado como ánodo y el material selectivo, tratado como cátodo. Debido al campo generado, los iones de argán son acelerados a través del cátodo, que es bombardeado, depositándose los iones sobre la banda de cobre.

- PECVD.

Se añade una capa adicional al proceso de PVD. Un compuesto químico volátil que contiene componentes del tratamiento requerido es situado en una cámara, para que reaccione con el absorbedor. El compuesto se descompone en la capa superior de la banda de cobre y deja una capa de elementos inorgánicos detrás de él.

Hoy en día, la mayoría de tratamientos selectivos tienen una absortividad de 0.95 o superior y una emisividad de 0,05 a 0,12.

Los tratamientos a base de pinturas negras tienen una absortividad de 0,9 a 0,95, similar a los tratamientos selectivos, pero su emisividad suele variar entre 0,85 y 0,95.

Como se ha indicado anteriormente, es fundamental realizar un buen tratamiento sobre la placa absorbedora, que permita la mayor absorción posible de la radiación incidente.

En función del tipo de tratamiento realizado, los captadores solares planos se clasifican en captadores con y sin tratamiento selectivo. De este modo, los absorbedores pueden ser tratados con pinturas negras especiales para aplicaciones solares o con tratamientos selectivos, que proporcionan una alta absortancia en longitudes de onda corta y una baja emisividad en longitudes de onda larga.

Debido a la propiedad que tienen los metales de reflejar la luz en un rango de longitudes de onda muy amplio, los absorbedores metálicos deben estar provistos de un tratamiento que absorba la radiación solar, de manera muy importante, en el rango de longitudes de onda en que la energía solar alcanza sus valores máximos. En consecuencia, en los primeros tiempos de la tecnología solar los captadores solares térmicos recibían un tratamiento con pintura negra

Pero, al mismo tiempo, hay que considerar que lo que caracteriza a un buen tratamiento selectivo es una alta absorción de la radiación solar y una baja emisión de calor por radiación en la zona de los infrarrojos. Estas dos regiones se presentan a longitudes de onda muy diferentes, de modo que puede emplearse un material que actúe como filtro en la zona de emisiones de calor, evitando las pérdidas, y que sea muy transparente en la zona del espectro donde se encuentra la radiación solar.

En concreto, en un cuerpo a 200°C, el 99% del calor emitido por radiación lo hace a unas longitudes de onda superiores a los 2.5 µm. Así se puede prescribir como tratamiento de la banda absorbedora un material que absorba, con un alto grado de eficiencia, la radiación solar por debajo de los 2.5 µm y que, al mismo tiempo, reduzca de forma muy eficiente, las pérdidas de calor por radiación no deseadas. La capacidad de separar estas dos funciones, es decir, de absorber, de modo importante, la radiación solar y de minimizar las pérdidas de calor por radiación es lo que se conoce como tratamiento selectivo.