Energía solar como fuente de energía alternativa: tipos y características de los sistemas solares

En la última década, la energía solar como fuente de energía alternativa se ha utilizado cada vez más para calefacción y suministro de agua caliente a edificios. La razón principal es el deseo de reemplazar los combustibles tradicionales por recursos energéticos accesibles, ecológicos y renovables.

La conversión de la energía solar en térmica se produce en los heliosistemas; la construcción y el principio de funcionamiento del módulo determinan la especificidad de su aplicación. En este artículo examinaremos las variedades de colectores solares y los principios de su funcionamiento, y también hablaremos de los modelos populares de módulos solares.

Viabilidad del uso del heliosistema

Un heliosistema es un conjunto para convertir la energía radiante solar en energía térmica, que luego se transfiere a un intercambiador de calor para calentar el portador de calor del sistema de calefacción o de suministro de agua caliente.

La eficiencia de la instalación heliotérmica depende de la insolación solar: la cantidad de energía que incide durante un día de luz sobre 1 m² de superficie orientada en un ángulo de 90° respecto a la dirección de los rayos solares. La unidad de medida del indicador es kWh/m², y el valor del parámetro varía según la temporada.

El nivel medio de insolación solar para una región de clima templado continental es de 1000-1200 kWh/m² (al año). La cantidad de sol es el parámetro determinante para calcular el rendimiento del sistema solar.

El uso de una fuente de energía alternativa permite calentar la casa y obtener agua caliente sin los costes energéticos tradicionales, exclusivamente mediante la radiación solar.

La instalación de un sistema de calefacción solar es una inversión costosa. Para que los gastos de capital se justifiquen, es necesario un cálculo preciso del sistema y el cumplimiento de la tecnología de instalación.

Ejemplo. El valor promedio de insolación solar para Tula a mediados del verano es de 4,67 kW/m²*día, con la condición de que el panel del sistema se instale con un ángulo de 50°. El rendimiento de un colector solar de 5 m² se calcula de la siguiente manera: 4,67*4=18,68 kW de energía térmica por día. Este volumen es suficiente para calentar 500 litros de agua desde una temperatura de 17 °C hasta 45 °C.

Como muestra la práctica, al usar una instalación solar, los propietarios de la casa de campo en verano pueden cambiar completamente del calentamiento de agua eléctrico o de gas al método solar.

Al hablar de la conveniencia de implementar nuevas tecnologías, es importante tener en cuenta las características técnicas del colector solar específico. Algunos comienzan a funcionar con 80 W/m² de energía solar, mientras que otros necesitan solo 20 W/m².

Incluso en un clima sureño, el uso de un sistema de colectores exclusivamente para calefacción no se amortizará. Si la instalación se utiliza solo en invierno, con escasez de sol, el costo del equipo no se cubrirá ni en 15-20 años.

Para aprovechar al máximo el sistema solar, es necesario integrarlo en el sistema de agua caliente sanitaria. Incluso en invierno, el colector solar permitirá reducir las facturas de energía para calentar agua hasta un 40-50%.

Según estimaciones de expertos, en uso doméstico, el sistema solar se amortiza aproximadamente en 5 años. Con el aumento de los precios de la electricidad y el gas, el período de recuperación del sistema se acortará.

Además del beneficio económico, la «calefacción solar» tiene ventajas adicionales:

1. Sostenibilidad. Se reduce la emisión de dióxido de carbono. Al año, 1 m² de colector solar evita que entre 350 y 730 kg de residuos lleguen a la atmósfera.
2. Estética. Se logra liberar el espacio de un baño o cocina compactos de voluminosos calentadores o calentadores de gas.
3. Durabilidad. Los fabricantes aseguran que, si se respeta la técnica de instalación, el sistema durará unos 25-30 años. Muchas empresas ofrecen una garantía de hasta 3 años.

Argumentos en contra del uso de la energía solar: estacionalidad marcada, dependencia del clima y alta inversión inicial.

Estructura general y principio de funcionamiento

Consideremos la variante de un sistema solar con un colector como elemento de trabajo principal del sistema. El aspecto exterior de la unidad recuerda a una caja metálica, cuyo frente está hecho de vidrio templado. En el interior de la caja se encuentra el órgano de trabajo: un serpentín con absorbedor.

El bloque absorbedor de calor calienta el fluido térmico; el líquido en circulación transfiere el calor generado al circuito de suministro de agua.

Componentes principales del sistema solar: 1 – campo de colectores, 2 – purgador de aire, 3 – estación de distribución, 4 – depósito de alivio de presión, 5 – controlador, 6 – tanque calentador de agua, 7,8 – resistencia eléctrica e intercambiador de calor, 9 – válvula termomezcladora, 10 – consumo de agua caliente, 11 – entrada de agua fría, 12 – desagüe, T1/T2 – sensores de temperatura

El colector solar siempre funciona en conjunto con un tanque acumulador. Como el fluido térmico se calienta hasta 90-130 °C, no se puede suministrar directamente a los grifos de agua caliente o radiadores de calefacción. El fluido térmico pasa al intercambiador de calor del calentador. El tanque de almacenamiento a menudo se complementa con un calentador eléctrico.

Esquema de funcionamiento:

1. El sol calienta la superficie del colector.
2. La radiación térmica se transfiere al elemento absorbente (absorbedor), que contiene el fluido de trabajo.
3. El fluido térmico que circula por los tubos de la serpentina se calienta.
4. El equipo de bombeo, la unidad de control y monitoreo aseguran la conducción del fluido térmico a través de la tubería hasta la serpentina del tanque de almacenamiento.
5. Se realiza la transferencia de calor al agua en el calentador.
6. El refrigerante enfriado regresa al colector y el ciclo se repite.

El agua caliente del calentador se suministra al circuito de calefacción o a los puntos de toma de agua.

Al instalar un sistema de calefacción o un suministro de agua caliente durante todo el año, el sistema se completa con una fuente de calentamiento adicional (caldera, resistencia eléctrica). Esta es una condición necesaria para mantener la temperatura deseada.

Los paneles solares en la instalación de viviendas particulares se utilizan con mayor frecuencia como fuente de respaldo de electricidad:

Tipos de colectores solares

Independientemente de la finalidad, el sistema solar se completa con un colector solar plano o tubular esférico. Cada una de las opciones tiene una serie de características distintivas en términos de especificaciones técnicas y eficiencia operativa.

Colector de vacío: para clima frío y templado

Estructuralmente, el colector solar de vacío se asemeja a un termo: tubos estrechos con refrigerante están colocados en ampollas de mayor diámetro. Entre los recipientes se forma una capa de vacío responsable del aislamiento térmico (retención de calor de hasta el 95%). La forma tubular es la más óptima para mantener el vacío y «ocupar» los rayos solares.

Elementos básicos de una instalación heliotérmica tubular: bastidor de soporte, cuerpo del intercambiador de calor, tubos de vidrio al vacío tratados con un recubrimiento altamente selectivo para la «absorción» intensiva de energía solar.

El tubo interno (térmico) está lleno de una solución salina con un punto de ebullición bajo (24-25 °C). Al calentarse, el líquido se evapora; los vapores ascienden por la ampolla y calientan el refrigerante que circula en el cuerpo del colector.

En el proceso de condensación, las gotas de agua escurren hacia el extremo del tubo y el proceso se repite.

Gracias a la presencia de una capa de vacío, el líquido dentro del termo puede hervir y evaporarse a temperatura exterior bajo cero (hasta -35 °C).

Las características de los módulos solares dependen de los siguientes criterios:

• construcción del tubo – de pluma, coaxial;
• dispositivo del canal térmico – «Heat pipe», circulación de flujo directo.

Termo de pluma – un tubo de vidrio que contiene un absorbedor de placas y un canal térmico. La capa de vacío recorre toda la longitud del canal térmico.

Tubo coaxial – un termo doble con un «inserto» de vacío entre las paredes de dos depósitos. La transferencia de calor se realiza desde la superficie interior del tubo. El extremo del termotubo está equipado con un indicador de vacío.

La eficiencia de los tubos de pluma (1) es mayor en comparación con los modelos coaxiales (2). Sin embargo, los primeros son más caros y difíciles de instalar. Además, en caso de avería, habrá que reemplazar todo el termo de pluma.

El canal «Heat pipe» – es la opción más común de transferencia de calor en los colectores solares.

El mecanismo de acción se basa en la colocación de un líquido de fácil evaporación en tubos metálicos sellados.

La popularidad del «Heat pipe» se debe a su costo asequible, bajo mantenimiento y facilidad de reparación. Debido a la complejidad del proceso de intercambio de calor, el nivel máximo de eficiencia es del 65%.

Canal de flujo directo – a través del termo de vidrio pasan tubos metálicos paralelos conectados en un arco en forma de U.

El refrigerante, al fluir a través del canal, se calienta y se suministra al cuerpo del colector.

Variantes de estructuras del colector solar de vacío: 1 – modificación con tubo central calefactor «Heat pipe», 2 – instalación solar con circulación de flujo directo del refrigerante.

Los tubos coaxiales y de pluma pueden combinarse de diferentes maneras con los canales térmicos.

Opción 1. Termo coaxial con «Heat pipe» – la solución más popular. En el colector se produce una transferencia de calor múltiple desde las paredes del tubo de vidrio al termo interno, y luego al refrigerante. El grado de eficiencia óptica alcanza el 65%.

Esquema del diseño del tubo coaxial «Heat pipe»: 1 – envoltura de vidrio, 2 – revestimiento selectivo, 3 – aletas metálicas, 4 – vacío, 5 – termo con sustancia de fácil ebullición, 6 – tubo interior de vidrio

Opción 2. El bulbo coaxial con circulación de flujo directo se conoce como colector en forma de U. Gracias a su diseño, se reducen las pérdidas de calor: la energía térmica del aluminio se transfiere a los tubos con el fluido caloportador en circulación.

Además de su alta eficiencia (hasta el 75 %), el modelo tiene desventajas:

• la complejidad de la instalación – los bulbos son una sola pieza con el cuerpo de dos tubos del colector (mainfold) y se instalan completos;
• se excluye la sustitución de tubos individuales.

Además, el equipo en forma de U es exigente con el fluido caloportador y más caro que los modelos «Heat pipe».

Estructura del colector solar en forma de U: 1 – «cilindro» de vidrio, 2 – revestimiento absorbente, 3 – «funda» de aluminio, 4 – bulbo con fluido caloportador, 5 – vacío, 6 – tubo interior de vidrio

Opción 3. Tubo de pluma con principio de funcionamiento «Heat pipe». Características distintivas del colector:

• altas características ópticas – eficiencia alrededor del 77 %;
• el absorbedor plano transfiere directamente la energía térmica al tubo con fluido caloportador;
• gracias al uso de una sola capa de vidrio, se reduce la reflexión de la radiación solar;

Es posible reemplazar un elemento dañado sin drenar el fluido caloportador del sistema solar.

Opción 4. Bulbo de pluma de acción de flujo directo – la herramienta más eficaz para el uso de la energía solar como fuente de energía alternativa para calentar agua o calefacción de viviendas. El colector de alto rendimiento funciona con una eficiencia del 80 %. La desventaja del sistema es la dificultad de reparación.

Diagramas de la estructura de los colectores solares de pluma: 1 – sistema solar con canal «Heat pipe», 2 – cuerpo de dos tubos del colector solar con movimiento de flujo directo del fluido caloportador

Independientemente de la configuración, los colectores tubulares tienen las siguientes ventajas:

• funcionamiento a baja temperatura;
• bajas pérdidas de calor;
• larga duración de funcionamiento durante el día;
• capacidad de calentar el fluido caloportador a altas temperaturas;
• baja resistencia al viento;
• facilidad de instalación.

La principal desventaja de los modelos de vacío es la imposibilidad de autolimpieza de la capa de nieve. La capa de vacío no deja escapar el calor al exterior, por lo que la nieve no se derrite y bloquea el acceso del sol al campo colector. Desventajas adicionales: precio elevado y necesidad de mantener el ángulo de inclinación de trabajo de los bulbos no menor de 20°.

Los dispositivos solares colectores que calientan el fluido caloportador de aire se pueden utilizar para la preparación de agua caliente si están equipados con un tanque de almacenamiento:

Para más detalles sobre el principio de funcionamiento del colector solar de vacío con tubos, lea a continuación.

Colector de agua: opción óptima para latitudes meridionales

El colector solar plano (panel) es una placa rectangular de aluminio cerrada por una cubierta de plástico o vidrio. Dentro de la caja se encuentra un campo de absorción, un serpentín metálico y una capa de aislamiento térmico. El área del colector está llena de tuberías de flujo por las que circula el fluido caloportador.

Componentes básicos de un colector solar plano: carcasa, absorbedor, cubierta protectora, capa de aislamiento térmico y elementos de fijación. En el montaje se utiliza vidrio esmerilado con un índice de transmitancia espectral de 0,4-1,8 µm.

La absorción de calor del revestimiento absorbente altamente selectivo alcanza el 90%. La tubería metálica de flujo está situada entre el «absorbedor» y el aislamiento térmico. Se utilizan dos esquemas de colocación de tubos: «arpa» y «meandro».

El proceso de montaje de los colectores solares que calientan el fluido caloportador líquido incluye una serie de pasos tradicionales:

Si el circuito de calefacción se complementa con una línea que suministra agua sanitaria al ACS, tiene sentido conectar un acumulador térmico al colector solar. La opción más simple será un tanque de capacidad adecuada con aislamiento térmico capaz de mantener la temperatura del agua calentada. Se debe instalar sobre una plataforma elevada:

El colector tubular con fluido caloportador líquido actúa como un efecto «invernadero»: los rayos solares penetran a través del vidrio y calientan la tubería. Gracias a la estanqueidad y el aislamiento térmico, el calor se retiene dentro del panel.

La resistencia del módulo solar depende en gran medida del material de la cubierta protectora:

• vidrio común – la cubierta más barata y frágil;
• vidrio templado – alto grado de dispersión de la luz y mayor resistencia;
• vidrio antirreflejo – se caracteriza por una capacidad de absorción máxima (95%) gracias a una capa que elimina el reflejo de los rayos solares;
• vidrio autolimpiante (polar) con dióxido de titanio – las impurezas orgánicas se queman con el sol y los residuos restantes son arrastrados por la lluvia.

El vidrio de policarbonato resiste mejor los impactos. Este material se instala en modelos caros.

Reflexión de los rayos solares y capacidad de absorción: 1 – revestimiento antirreflejo, 2 – vidrio templado resistente a impactos. El espesor óptimo de la cubierta exterior protectora es de 4 mm.

Características operativas y funcionales de los sistemas solares de paneles:

• en los sistemas de circulación forzada se incluye una función de descongelación que permite eliminar rápidamente la capa de nieve en el campo solar;
• el vidrio prismático capta un amplio rango de rayos en diferentes ángulos; en verano, el rendimiento de la instalación alcanza el 78-80%;
• el colector no teme el sobrecalentamiento – en caso de exceso de energía térmica es posible el enfriamiento forzado del fluido caloportador;
• mayor resistencia a impactos en comparación con los colectores tubulares;
• posibilidad de instalación en cualquier ángulo;
• política de precios accesible.

Los sistemas no están exentos de inconvenientes. Durante los períodos de escasez de radiación solar, a medida que aumenta la diferencia de temperatura, el rendimiento del colector solar plano disminuye significativamente debido a un aislamiento térmico insuficiente. Por lo tanto, el módulo de panel se justifica en verano o en regiones con clima cálido.

Heliosistemas: características de diseño y operación

La variedad de sistemas solares se puede clasificar según los siguientes parámetros: método de uso de la radiación solar, modo de circulación del fluido caloportador, número de circuitos y estacionalidad de funcionamiento.

Sistema activo y pasivo

En cualquier sistema solar de conversión de energía se incluye un receptor solar. Según el modo de uso del calor obtenido, se distinguen dos tipos de sistemas solares: pasivos y activos.

La primera variedad es un sistema de calefacción solar donde los elementos constructivos del edificio actúan como elemento absorbente de la radiación solar. Como superficie receptora solar actúan el techo, la pared colectora o las ventanas.

Esquema de un sistema solar pasivo de baja temperatura con pared colectora: 1 – rayos solares, 2 – pantalla semitransparente, 3 – barrera de aire, 4 – aire caliente, 5 – flujos de aire residual, 6 – radiación térmica de la pared, 7 – superficie absorbente de calor de la pared colectora, 8 – persianas decorativas

En los países europeos, las tecnologías pasivas se utilizan en la construcción de edificios energéticamente eficientes. Las superficies receptoras solares se decoran como falsas ventanas. Detrás del revestimiento de vidrio se coloca una pared de ladrillo ennegrecido con aberturas de luz.

Como acumuladores de calor actúan los elementos de la construcción – muros y forjados, aislados externamente con poliestireno.

Los sistemas activos implican el uso de dispositivos independientes que no pertenecen a la edificación.

En esta categoría se incluyen los complejos antes mencionados con colectores tubulares y planos: las instalaciones heliotérmicas, por lo general, se ubican en el tejado del edificio.

Sistemas termosifónicos y de circulación

En el equipo heliotérmico, el movimiento natural del fluido caloportador a través del circuito colector-acumulador-colector se produce por convección: el líquido caliente, de menor densidad, asciende, mientras que el enfriado desciende.

En los sistemas termosifónicos, el tanque de almacenamiento se coloca por encima del colector, asegurando la circulación espontánea del fluido caloportador.

El esquema de funcionamiento es propio de los sistemas estacionales de un solo circuito. No se recomienda utilizar un sistema termosifónico para colectores de área superior a 12 m².

Un sistema heliotérmico sin presión tiene una amplia lista de desventajas:

• en días nublados, el rendimiento del sistema disminuye, ya que se requiere una mayor diferencia de temperatura para el movimiento del fluido caloportador;
• pérdidas térmicas debidas al lento movimiento del líquido;
• riesgo de sobrecalentamiento del tanque debido a la falta de control del proceso de calentamiento;
• inestabilidad en el funcionamiento del colector;
• dificultad de ubicación del tanque acumulador: al instalarlo en el techo, aumentan las pérdidas térmicas, se aceleran los procesos de corrosión y existe riesgo de congelación de los tubos.

Ventajas del sistema «gravitacional»: simplicidad de construcción y asequibilidad.

Los costos de capital para la instalación de un sistema heliotérmico de circulación forzada son significativamente más altos que los de un sistema sin presión. En el circuito se inserta una bomba que asegura el movimiento del fluido caloportador. El funcionamiento de la estación de bombeo es controlado por un controlador.

La potencia térmica adicional generada en el sistema forzado supera la potencia consumida por el equipo de bombeo. La eficiencia del sistema aumenta en un tercio.

Este método de circulación se utiliza en instalaciones heliotérmicas de doble circuito durante todo el año.

Ventajas del sistema completo:

• elección ilimitada de la ubicación del tanque acumulador;
• funcionamiento fuera de temporada;
• selección del modo de calentamiento óptimo;
• seguridad: bloqueo del funcionamiento en caso de sobrecalentamiento.

Desventaja del sistema: dependencia de la electricidad.

Esquemas de circuito simple y doble

En las instalaciones de un solo circuito, circula un líquido que posteriormente se suministra a los puntos de toma de agua. En invierno, se debe drenar el agua del sistema para evitar la congelación y el agrietamiento de las tuberías.

Características de los sistemas heliotérmicos de un solo circuito:

• se recomienda «cargar» el sistema con agua purificada no dura, ya que la acumulación de sales en las paredes de las tuberías provoca la obstrucción de los canales y la avería del colector;
• corrosión debido al exceso de aire en el agua;
• vida útil limitada: entre cuatro y cinco años;
• alto rendimiento en verano.

En los sistemas heliotérmicos de doble circuito circula un fluido caloportador especial (un líquido anticongelante con aditivos antiespumantes y anticorrosivos) que cede calor al agua a través de un intercambiador de calor.

Esquemas de disposición de un sistema solar de un circuito (1) y de dos circuitos (2). La segunda opción se caracteriza por una mayor fiabilidad, posibilidad de funcionamiento en invierno y duración de vida útil (20-50 años)

Detalles de funcionamiento del módulo de dos circuitos: leve disminución del rendimiento (entre un 3-5% menos que en un sistema de un circuito), necesidad de reemplazar completamente el fluido caloportador cada 7 años.

Condiciones para el funcionamiento y mejora de la eficiencia

Es mejor confiar el cálculo y la instalación del sistema solar a profesionales. El cumplimiento de la técnica de instalación garantizará el funcionamiento y la obtención del rendimiento declarado. Para mejorar la eficiencia y la vida útil, hay que tener en cuenta algunos detalles.

Válvula termostática. En los sistemas de calefacción tradicionales, el elemento termostático rara vez se instala, ya que el generador de calor se encarga de regular la temperatura. Sin embargo, al instalar un sistema solar térmico, no se debe olvidar la válvula de seguridad.

Calentar el depósito hasta la temperatura máxima permitida aumenta el rendimiento del colector y permite utilizar el calor solar incluso en tiempo nublado.

La ubicación óptima de la válvula es a 60 cm del calentador. Si está demasiado cerca, el 'termostato' se calienta y bloquea el suministro de agua caliente.

Ubicación del depósito acumulador. El depósito de amortiguación de ACS debe instalarse en un lugar accesible. Al colocarlo en una habitación compacta, se debe prestar especial atención a la altura del techo.

El espacio libre mínimo sobre el depósito es de 60 cm. Este espacio es necesario para el mantenimiento del acumulador y el reemplazo del ánodo de magnesio.

Instalación del vaso de expansión. El elemento compensa la dilatación térmica durante el período de estancamiento. Colocar el depósito por encima del equipo de bombeo provocará un sobrecalentamiento de la membrana y su desgaste prematuro.

El lugar óptimo para el vaso de expansión es debajo del grupo de bombeo. El efecto térmico con esta instalación se reduce considerablemente y la membrana conserva su elasticidad durante más tiempo.

Conexión del circuito solar. Al conectar las tuberías, se recomienda organizar un bucle. El 'bucle térmico' reduce las pérdidas de calor, impidiendo la salida del líquido calentado.

Variante técnicamente correcta de implementación del 'bucle' del circuito solar. El incumplimiento del requisito provoca una disminución de la temperatura en el tanque acumulador de 1-2°C por noche.

Válvula de retención. Evita la «inversión» de la circulación del fluido caloportador. Cuando la actividad solar es insuficiente, la válvula de retención impide que se disipe el calor acumulado durante el día.

Modelos populares de módulos «solares»

Hay demanda de sistemas solares de empresas nacionales y extranjeras. Los productos de los siguientes fabricantes han ganado buena reputación: NPO Mashinostroyeniya (Rusia), Gelión (Rusia), Ariston (Italia), Alten (Ucrania), Viessmann (Alemania), Amcor (Israel), etc.

Sistema solar 'Sokol'. Colector solar plano, equipado con un recubrimiento óptico multicapa con deposición magnetrónica. La mínima capacidad de emisión y el alto nivel de absorción proporcionan una eficiencia de hasta el 80%.

Características de funcionamiento:

• temperatura de trabajo – hasta -21 °C;
• emisión inversa de calor – 3-5%;
• capa superior – vidrio templado (4 mm).

Colector SVK-A (Alten). Instalación solar de vacío con área de absorción de 0,8-2,41 m² (según el modelo). Fluido térmico – propilenglicol, el aislamiento térmico del intercambiador de calor de cobre de 75 mm minimiza las pérdidas de calor.

Parámetros adicionales:

• carcasa – aluminio anodizado;
• diámetro del intercambiador de calor – 38 mm;
• aislamiento – lana mineral con tratamiento antihigroscópico;
• recubrimiento – vidrio borosilicato de 3,3 mm;
• Eficiencia – 98%.

Vitosol 100-F – colector solar plano de montaje horizontal o vertical. Absorbedor de cobre con serpentín tubular en forma de arpa y recubrimiento de heliotitanio. Transmisión de luz – 81%.

Precio orientativo de los sistemas solares: colectores solares planos – desde 400 u.e./m², colectores solares tubulares – 350 u.e./10 tubos de vacío. Paquete completo del sistema de circulación – desde 2500 u.e.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Principio de funcionamiento de los colectores solares y sus tipos:

Evaluación del rendimiento de un colector plano a temperatura bajo cero:

Tecnología de instalación de un colector solar panel en el ejemplo del modelo Buderus:

La energía solar es una fuente renovable de obtención de calor. Teniendo en cuenta el aumento de los precios de los recursos energéticos tradicionales, la implementación de sistemas solares justifica la inversión de capital y se amortiza en los próximos cinco años si se respeta la técnica de instalación.

Si usted tiene información valiosa que desee compartir con los visitantes de nuestro sitio, por favor, deje sus comentarios en el bloque debajo del artículo. Allí también puede hacer preguntas sobre el tema del artículo o compartir su experiencia con el uso de colectores solares.