COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA

     Tal como se puede observar en la figura, una instalación fotovoltaica básica, cuya finalidad sea el suministro eléctrico de una pequeña instalación aislada de la red eléctrica (viviendas rurales, instalaciones de comunicaciones, alumbrado público, etc.) constan de los siguientes elementos específicos: regulador de carga, baterías, e inversor.

Regulador de carga                                                                                                                    Tiene por misión regular la corriente que absorbe las baterías a fin de evitar cargas excesivas que puedan les puedan ocasionar daños, y también aprovechar al máximo la corriente generada en los paneles. Para ello, el regulador, mediante dispositivos electrónicos, mide constantemente el voltaje, que será un indicador del estado de carga de las baterías. Cunado llega al valor máximo admitido por las baterías, las desconecta de los paneles. A partir de este momento los receptores consumen corriente de las baterías hasta que la tensión baja hasta un valor previamente consignado, reconectandose de nuevo a los paneles para mantener lo que se llama una corriente «de flotación»  que mantenga siempre las baterías cargadas. Entre los valores de voltajes máximo y mínimo; es decir, cuando las baterías tienen un voltaje intermedio, el regulador únicamente permite que circule una facción de la corriente generada en los paneles a las baterías, menor cuanto mas se acerque el voltaje entre bornes de las baterías y el voltaje máximo de regulación.

Baterías                                                                                                                                        Como es sabido, la energía solar es intermitente; es decir, sólo podemos aprovecharla durante el día, siempre que no esté el cielo cubierto con abundante nubosidad. De manera que salvo algunas aplicaciones como puede ser el bombeo de agua, en el que las bombas se pueden conectar directamente a los paneles sin necesidad de instalar baterías, o en  instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, diseñadas para  para volcar a la red la energía sobrante diurna para absorberla durante la noche (sistema de balance neto), lo cierto es que, en la mayoría de las utilizaciones la energía se requiere precisamente cuando no hay radiación solar (Por ejemplo, cualquier sistema de iluminación o aparatos que funcionan continuamente como los frigoríficos).                             Por tanto queda claro la necesidad de acumular la corriente generada en los periodos de mucha radiación solar para utilizarse cuando dicha radiación es débil o inexistente.           Las baterías son acumuladores electroquímicos  cuyo fundamento damos por conocido, y que además de acumular energía, cumplen también con dos importantes misiones:

1. Suministrar una potencia instantánea, en un momento dado, muy superior a la que puedan entregar los paneles solares. Tal es el caso de los frigoríficos, en los que en el momento de arranque del compresor, el consumo es varias veces superior al de su normal funcionamiento. Igualmente ocurre con cualquier motor eléctrico si carece de variador de velocidad.
2. Mantener un nivel de tensión estable. Como vimos en el artículo publicado «características eléctricas de los paneles fotovoltáicos» , la tensión de salida de un panel varía con la intensidad radiante, lo cual puede no ser adecuado para el funcionamiento de muchos aparatos.

      Tipos de baterías.-  Las dos grandes clases de baterías adecuadas para una instalación fotovoltaica son las de niquel-cadmio y las de plomo-ácido.                                        Las primeras son mas caras pero son muy fiables. Soportan descargas de hasta un 90% de su capacidad teórica, recuperándose totalmente. También tienen la propiedad de soportar temperaturas extremadamente bajas. No producen gases corrosivos y su mantenimiento es mínimo.                                                                                                               Las de plomo-ácido se utilizan más que las anteriores por razones económicas. Las baterías de Pb-Sb (plomo-antimonio) de placas tubulares es el más utilizado en instalaciones medias o grandes. Suelen suministrarse en celdas o elementos de polipropileno translúcidos, cada uno de ellos con una tensión de 2 voltios, uniéndose en serie de 6 o 12 elementos para conseguir las típicas y usuales tensiones de 12 y 24 voltios. Este tipo de baterías se caracteriza por admitir descargas moderadamente altas (hasta del 80%), razón por las que  se les denomina de «cilco profundo».

          Ciclos de carga-descarga de una batería.- Supongamos una típica instalación fotovoltaica que suministra corriente a una vivienda aislada de la red eléctrica. Durante el día, estando el cielo despejado, los paneles generarán energía para satisfacer la demanda de la vivienda y la sobrante la almacenará en las baterías. Posteriormente, durante la noche, normalmente aumentará el consumo, ya al que había, hay que añadir el alumbrado. Durante todo este periodo la instalación consumirá la energía almacenada en las baterías durante las horas diurnas, disminuyendo el nivel de carga de las mismas y recargándose de nuevo al día siguiente.

            Así, el ciclo de carga-descarga se repite diariamente siempre que los días sean claros o parcialmente nubosos.                                                                                                                Puede ocurrir que se presenten varios días consecutivos nubosos o cubiertos, entonces prácticamente todo el consumo se realiza a expensas de la energía almacenada en las baterías (la instalación deberá estar diseñada con un número de baterías tal que permita un determinado días de autonomía, en función de la región geográfica donde se encuentre y del consumo estimado).                                                              Una vez que termine el periodo de días nublados, la intensidad radiante volverá a cargar las baterías en un determinado tiempo. Se completa de esta manera el llamado ciclo autónomo, llamado así porque las baterías dependen solo de su propia capacidad útil para satisfacer la demanda energética durante dicho periodo.                                                  La vida de una batería se mide en ciclos de carga-descarga en lugar de tiempo, al igual que la vida de un automóvil se mide en kilómetros recorridos en lugar de años. Por eso, una batería que se le someta a varios ciclos diarios de carga-descarga, probablemente no durarán mas que unos pocos meses, mientras que las que se mantienen cargadas y solamente se utilizan de cuando en cuando, tendrán una vida útil de muchos años.                                                                                                                                A modo orientativo se puede decir que una batería para uso fotovoltaico que tenga una media de un ciclo por día, la vida útil que cabe esperar sería de unos 10 años.                       En la vida de la batería también influye la profundidad de descarga que se produce en cada ciclo. Si ésta es muy grande, se acortará la vida de la batería; de ahí la necesidad de instalar este elemento con capacidad suficiente (Amperios-hora) para que la profundidad de descarga no suponga más que un moderado porcentaje de dicha capacidad (del orden de 10 o 15 %) .                                                                                            En ningún caso deben emplearse baterías de automóviles para instalaciones fotovoltaicas, debido a  la poca profundidad de descarga que proporcionan. Téngase en cuenta que este tipo de baterías están diseñadas para funcionar siempre a plena carga, pues así las mantiene el alternador del automóvil y en el momento de arranque del motor no suelen descargarse más del 1 % de su capacidad.

         Factores que influyen en el comportamiento de las baterías.- Son los siguientes:

       1) Nivel de carga.                                                                                                              A medida que una batería se va descargando disminuye el voltaje; de manera que una de 12 V. nominales suele tener unos 14 V. cuando está totalmente cargada y 12 V. o algo menos cuando está descargada.                                                                                                   Para tomar una medida correcta la batería debe de estar desconectada, ya que si está en proceso de carga o descarga, falseará su valor real. Como desconectarla no siempre es factible, también se puede obtener la medida de carga con un densímetro, midiendo la densidad relativa del electrolito. Para valores de 1,3 de densidad se considera que la batería está cargada, y a 1,05 o por debajo, estará totalmente descargada.

       2) Velocidad de descarga.                                                                                               Como ya se ha dicho, una de las funciones de las baterías en una instalación fotovoltaica es la de proporcionar, durante cortos  periodos de tiempo, una corriente más elevada que la generada en los paneles. A falta de indicaciones del fabricante, el límite máximo de la intensidad es 5 veces el valor de la capacidad  en Ah.

       3) Temperatura.                                                                                                               Las reacciones químicas que tienen lugar en el electrolito están influenciadas por la temperatura de manera de manera directamente proporcional; es decir, al disminuir ésta, las reacciones se hacen con mayor dificultad, de manera que se requiere mayor energía en el proceso de carga de la batería. Por contra, al aumentar la temperatura, también aumentan las pérdidas por autodescarga.                                                                                      Por ambos motivos (opuestos entre sí) es conveniente que las baterías estén ubicadas en un lugar donde las temperaturas no sean extremas.

Convertidores                                                                                                                               Como sabemos, la corriente generada en los paneles y almacenada en las baterías es corriente continua (generalmente de 12 o 24V.). Sin embargo, la más utilizada es alterna a 220 V; de ahí la necesidad del  convertidor (a veces llamado «inversor»), que viene a ser un dispositivo que permite transformar la corriente continua en alterna. De esta manera, en una instalación fotovoltáica podremos usar los aparatos eléctricos  habituales diseñados para funcionar con corriente alterna.                                                         Dadas las transformaciones que tiene que realizar el convertidor (transformar una corriente continua en alterna o siusoidal, y mediante un transformador, elevar la tensión a 220 voltios, acarrea todo esto una inevitable pérdida de energía que resta eficiencia al conjunto de la instalación. Estas pueden llegar a valores del 20%.                                                 Hay dos tipos de convertidores: los que generan una corriente de onda senoidal pura, tal como produce la corriente alterna, y los de onda cuadrada. Los primeros son más caros, por lo que solo se justifica su instalación si las cargas que a satisfacer lo requiere; tal es el caso de arranque de motores de cierta importancia. Si las cargas son pequeños electrodomésticos, alumbrado, etc, será mas económico instalar un convertidor de onda cuadrada.

     En resumen, de los elementos descritos (reguladores, baterías y convertidores), los más caros, con diferencia son las baterías; sobre todo si se precisa una instalación de gran autonomía. En estos casos una instalación solar no suele ser rentable respecto al suministro de corriente de la red eléctrica. No obstante  se puede justificar por motivos no económicos, como es el caso de viviendas, instalaciones agrícolas o ganaderas ubicadas en zonas rurales donde no halla tendido eléctrico.                                                             Por este mismo motivo si que resultaría muy rentable las instalaciones llamadas de balance neto, ya que carecen de baterías y la función de acumulación de energía lo cumple la red eléctrica. Por su importancia, este tema requiere un capítulo aparte.                                                                                                                                                                                                                                                        

MECANISMOS DE SEGUIMIENTO SOLAR

    Antes de entrar en materias sobre mecanismos de seguimiento solar, hay que definir las coordenadas solares que determinan la posición del sol respecto a la Tierra.  Para ello retrocedamos seis siglos de historia y consideremos la devota idea de que la Tierra es el centro del Universo y que el Sol gira alrededor de la Tierra. Sabemos que no es así y que Galileo Galilei tenía razón, pero así todo, mantengamos la vieja creencia para entender mejor la explicación de los movimientos relativos entre la Tierra y el Sol considerando a la Tierra como objeto fijo y al Sol como el móvil que sale por este, recorre la bóveda celeste y se oculta por el oeste a lo largo de cada día.

En la figura se representa al Sol en un determinado momento. Su posición está determinada por:                                           Altura solar: es el ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal (h).                                                    Cuando amanece parte de el valor cero para aumentar progresivamente hasta el mediodía solar, donde alcanza su valor máximo. Luego comienza de nuevo a disminuir has llegar de nuevo a cero en el ocaso. A veces también se usa el llamado ángulo cenital, que el que forma el rayo solar con la vertical; es decir, el ángulo complementario con la altura solar, representado en la figura como «θ». La altura solar va variando a lo largo del año; siendo mínima en el solsticio  de invierno y máxima en el solsticio de verano en el hemisferio norte y viceversa en el sur.

    Azimut (A) o ángulo azimutal: es el ángulo de giro del Sol medido sobre el plano horizontal mediante la proyección del rayo sobre dicho plano y tomando como origen el sur. Por convenio, se considera negativo cuando el Sol está hacia el este (por la mañana) y positivo cuando está hacia el oeste (por la tarde).                                                                      El ángulo de Azimut representado en la figura como «A» tiene un valor positivo, puesto que la trayectoria del Sol ha pasado la vertical del sur, camino del ocaso.                                    Cuando amanece el Azimut tiene un valor cercano a – 90º, (este valor sólo  se cumple en el trópico, por tanto, en cualquier otro paralelo tendrá un valor menor a -90, que irá disminuyendo a medida que nos acerquemos a los polos). A lo largo de la mañana se irá reduciendo el ángulo hasta llegar a las 12 horas (hora solar) donde su valor es cero. En ese punto estamos en la dirección del eje norte-sur. A partir de ese momento empieza de nuevo a aumentar el ángulo de Azimut (el representado en la figura viene ser de unos 45º) hasta llegar al ocaso, donde tendrá un valor próximo a +90º.

    En resumen, vemos que si queremos mantener la superficie de un panel perfectamente orientado hacia el sol, este debe girar sobre dos ejes. Uno sería en dirección este-oeste, de manera si estamos en el hemisferio norte el ángulo «h» tendrá su valor mínimo en el solsticio de invierno (21 de Diciembre), y su valor máximo en el solsticio de verano (21 de Junio). En el hemisferio sur será lo contrario.                                                   El otro eje sería perpendicular al primero; de manera que el panel irá girando a lo largo del día de este a oeste siguiendo la trayectoria solar. En este caso, el ángulo «a» existente entre el panel y la dirección norte-sur, el cual, viene a ser el ángulo de Azimut.

     Según el tipo de movimiento de rotación que los mecanismos de rotación producen, se dividen en sistemas de rotación de un solo eje o de dos ejes.                                                     Los primeros, que son los más simples, permiten a la estructura y a los paneles rígidamente unidos a ella girar en torno a un eje horizontal, vertical o inclinado. Mediante este giro  se puede llevar a cabo un seguimiento del ángulo de azimut del Sol, o de su altura, pero no de ambas coordenadas simultáneamente.                                                              En los sistemas de dos ejes, además del movimiento de giro este-oeste alrededor del primer eje, también es posible un segundo movimiento rotatorio alrededor de un eje horizontal.                                                                                                                                        La combinación de movimientos alrededor de ambos ejes hace posible que los rayos del sol incidan en todo momento perpendicularmente a la superficie del panel, captándose así la mayor cantidad posible de energía solar.                                        En esta figura puede observarse claramente los engranajes, uno horizontal encargado de mover el panel durante el día siguiendo el ángulo azimutal, y otro vertical encargado de mover el panel a lo largo del año siguiendo la altura solar.

      El sistema para conseguir el movimiento en una estructura de movimiento solar es el siguiente:                                                                                                                                         Utilizando dos pequeños módulos fotovoltaicos iguales (representados en la figura de la izquierda),cuya corriente pueda alimentar un motor reversible de corriente continua que acciona el mecanismo de rotación.                                                                                               Entre ambos módulos se instala un separador opaco, de manera que cuando el panel está perfectamente orientado al sol (posición central de la figura derecha) ambos paneles reciben la misma radiación, produciendo la misma intensidad de corriente, anulándose entre si y no pasa corriente alguna a través de la rama central que acciona el motor.                Si alguno de los dos paneles de control recibe sombra (posiciones laterales de la figura derecha), sólo un panel producirá una corriente que circulará por la rama central que alimenta el motor, el cuál se pondrá en marcha durante unos momentos girando el panel o grupos de paneles hasta que desaparezca el desajuste.

      La elección o no de un sistema de seguimiento solar dependerá de la relación entre la ganancia esperada de energía respecto a un sistema fijo (entendiendose por este aquel inatalado sobre el suelo con orientación fija) y el sobrecoste que representa dicho sistema. A modo orientativo, la ganancia media suele oscilar entre el 20% y el 40 %, que, en determinados casos, puede ser suficiente para justificar la instalación de un sistema como el desctrito.

INTERCONEXIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS

      A efectos de las necesidades del servicio, cada instalación requiere una  tensión y corriente determinada. Por eso los paneles forman una estructura modular con el fin de combinarlos entre si de diversas maneras: en serie, paralelo, o de forma mixta.     El resultado de las tres combinaciones es el mismo que obtendríamos si acoplásemos pilas; es decir, si el acoplamiento es en serie, se suma el voltaje de cada elemento, mientras que la intensidad permanece constante.                                                                               Si el acoplamiento se efectúa en paralelo, se suman los valores individuales de intensidad, permaneciendo constante la tensión.

      Algo muy importante tener en cuenta es que los paneles que se interconexionan  deberán tener siempre la   misma curva i-v,             Los  más utilizados suelen ser los de 12 voltios. Si se quiere funcionar con esta tensión, no hay más calcular la intensidad necesaria para la potencia que necesitamos, dividirlo entre la que nos proporciona un panel y obtendremos el número de paneles a instalar en paralelo.

      En un grupo de paneles acoplados en serie, puede ocurrir que falla uno de ellos, bien por avería interna o por quedar a la sombra. Entonces, dicho módulo se convierte en una carga resistiva, dificultando o impidiendo totalmente el paso de la corriente generada por el resto de los paneles, de manera que toda la hilera de módulos conectados en serie quedaría fuera de servicio.

La manera de prevenir este problema es dotar a los módulos con un pequeño elemento llamado diodo de by- pass, conectado en paralelo entre sus terminales, tal como se indica en la figura. Esto no es más que un «camino» alternativo a la corriente generada en los demás módulos en el caso de que no pueda fluir por el propio módulo.

El diodo de by – pass suele estar instalado en la caja de conexiones del módulo con su cátodo unido al terminal positivo del mismo.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

 

      La representación  estándar de un panel fotovoltaico es la curva  corriente – tensión representado en la figura.              Dicha curva está determinada por todods los valores de corriente y voltaje para un dispositivo fotovoltaico bajo unas condiciones ambientales determinadas de temperatura y radiación solar ( 25º C y 1000 W/m2)

El punto en concreto de corriente y voltaje en el que el dispositivo fotovoltaico trabajará vendrá determinado por la carga a la que esté conectado. A mayor resistencia, menor intensidad y nos moveremos al lado derecho de la curva y viceversa.                                            Hay que reseñar que cada modelo de panel fotovoltaico, tiene su propia curva. Así, el representado en la figura trabaja a 16 voltios (válidos para cargar baterías de 12 V.), dando una intensidad máxima de algo más de 3 amperios.

Parámetros de la curva I-V:                                                                                                         – Corriente de cortocircuito (Isc).- es la máxima corriente que producirá el dispositivo bajo unas condiciones definidas de iluminación y temperatura, correspondientes a un voltaje igual a cero; es decir, cortocircuitando las bornas del dispositivo.                                 – Voltaje a circuito abierto (Voc).- Es el máximo voltaje del dispositivo bajo unas condiciones definidas de iluminación y temperatura, correspondientes a una corriente igual a cero, o sea, en condiciones de circuito abierto.                                                                  -Corriente (I) a un determinado voltaje (V).- Los paneles trabajan en circunstancias comprendidas entre los dos extremos anteriores determinado por su resistencia exterior que define la curva I-V. Caso del ejemplo anterior.                                                                         – Potencia máxima (Pm).- Es la potencia alcanzada cuando la resistencia del circuito externo es tal que determina unos valores  de IM y VM tales que su producto sea el máximo. (Damos por sabido que la potencia es el producto de ambos valores). Normalmente un panel no trabaja en condiciones de potencia máxima, ya que la resistencia exterior viene dada por las características propias de cada circuito. En el mercado existen unos dispositivos electrónicos conocidos como » seguidores del punto máximo de potencia», pero ello supone un coste adicional que sólo se justifica en grandes instalaciones.                                                                                                                                 -Eficiencia total del panel .- Es el cociente entre la potencia eléctrica producida por éste y la potencia de radiación incidente sobre el mismo.                                                               – Factor de forma (FF).-  Es el valor correspondiente al cociente entre Pmax y el
producto de Isc x Voc. Puede venir expresado en tanto por ciento o tanto por 1,siendo el valor 100% el que corresponderá a un hipotético perfil de cuadrado, no real. Nos da una idea de la calidad del dispositivo fotovoltaico, siendo éste tanto mejor cuánto más alto sea su factor de forma.
FF = Pmax / Voc x  Isc

Estos parámetros o algunos de ellos los da el fabricante en las características eléctricas del módulo.

·Comportamiento de un panel en función de las condiciones exteriores.                             Las variables exteriores que determinan las prestaciones de un panel fotovoltaico son la radiación solar incidente sobre el mismo y la temperatura ambiente.

En la curva   vemos que la intensidad de corriente eléctrica es aproximadamente proporcional a la radiación incidente.             El estandard internacionalmente aceptado para medir respuestas de paneles fotovoltaicos establece una intensidad radiante de 1000 W/m2, conocida como intensidad de «un sol» a una temperatura ambiente de 25ºC. De manera que cuando decimos, por ejemplo, que un panel proporciona 180 wattios pico, queremos decir que genera esa potencia siempre que se cumplan las condiciones de radiación y temperaturas descritas. Para cualquier otra condición, la potencia generada será menor.

    En cuanto a las variaciones de la temperatura, vemos como varía la tensión de forma no lineal. Se ve claramente que al aumentar la temperatura disminuye la tensión.

      Experimentalmente se ha demostrado que la potencia del panel disminuye en torno a un  0.5%  por cada grado de aumento de la temperatura de la célula por encima de los 25ºC.                                     Hay que tener en cuenta que la temperatura de la célula no coincide con la temperatura ambiente, y que la célula, al ser un cuerpo receptor de radiación ubicado  bajo una cubierta trasparente, se calentará al incidir la radiación solar.                                   Para no entrar en cálculos innecesarios, en la mayoría de los casos, basta suponer que la temperatura media de trabajo de las células es 20ºC superior a la de ambiente. Por este concepto, a efectos de proyectos, el rendimiento de un panel se multiplica por 0.9.

    Este gráfico muestra las variaciones de la intensidad de corriente (i), potencia (P) y tensión (v) en función de la temperatura de la célula ( a 25º C se le ha asignado el valor arbitrario de 100). Obsérvese que el efecto de la variación de temperatura es muy pequeño para la corriente (i), pero mucho mayor para la potencia y tensión.                        Extremos pues la conclusión de que en los climas fríos mejora el rendimiento de un panel, pero la influencia de las latitudes extremas, por su baja radiación importa mucho más que la temperatura.

 En éste gráfico se representan las potencias generadas en un panel para diferentes irradiaciones (curvas amarillas).             Obsérvese que la potencia es mayor cuanto mayor es la irradiancia, pero en cada caso es máxima para voltajes comprendidos entre 15 y 18 V.                                   Uniendo los máximos de cada curva, se obtiene la curva de variación del punto máximo de potencia (curva verde).

EFECTO FOTOVOLTAICO

    Este efecto se fundamenta que cuando la radiación solar incide sobre un material semiconductor, tratado previamente, los fotones contenidos en la luz solar comunican energía a los electrones del semiconductor, siendo expulsado del mismo a través de un circuito exterior, estableciéndose así una corriente eléctrica.                                                     El material semiconductor debe de tratarse previamente, pues de no ser así, la energía cedida por el fotón a los electrones de dicho material se convertiría en calor. A fin de que la conversión de la energía no sea en calor sino en electricidad, los materiales semiconductores deben de doparse con elementos como el boro para alterar sus propiedades intrínsecas que permitan la generación de la corriente eléctrica.

    No todos los fotones se comportan del mismo modo en la producción de electricidad por efecto fotovoltaico. Unas frecuencias son más apropiadas que otras para producir dicho efecto, según los tipos de materiales semiconductores utilizados. Por este motivo la eficiencia de un determinado material está en función de la frecuencia de a luz incidente.           La Física Cuántica predice una eficiencia máxima teórica, para la célula a base de silício de un 26%, valor cercano al obtenido en laboratorio. Para la células comerciales, este valor es más bajo (17- 20 %).                                                                                                                  En cualquier caso, aunque en el futuro se alcancen los máximos rendimientos teóricos, solo una pequeña parte de la energía solar incidente puede convertirse en energía eléctrica. Comparados con los colectores térmicos, éstos, en condiciones muy favorables, podrían conseguir unos rendimientos cercanos al 80%.

Células fotovoltaicas, tipos.                                                                                                       Una célula fotovoltaica es una unidad formada por materiales semiconductores capaces de producir, mediante una unión P-N una diferencia de potencial que haga posible el efecto fotovoltaico. Éstas suelen conectarse en serie entre si, a fin de lograr una diferencia de potencial para el circuito exterior adecuada a las necesidades prácticas, o sea, entre 6 y 24 voltios.

           Atendiendo a la naturaleza y características de los materiales semiconductores que forman las células fotovoltaicas, pueden clasificarse en los siguiente grupos:

Células monocristalinas. Éstas son el tipo más común y está formada por silicio puro monocristalino. Son los más eficientes y los más caros de producir. También son rígidos y deben ser montados en una estructura rígida para su protección.

Células policristalinas. Dado que en el proceso de fabricación y corte de las células de una pieza produce desperdicios de material semiconductor en forma de polvo, se introdujo otro método de fabricación con células diferentes, que consiste en producir una fina tira continua de material policristalino cortado en trozos rectangulares. Es menos eficiente y un poco menos costosa que las células monocristalinas. También deben de ser montados en un marco rígido.

Células amorfas , éstas son manufacturadas mediante la colocación de una fina capa de amorfo (no cristalino) de silicio sobre una amplia variedad de superficies. Estos son los menos eficiente y menos costoso de producir de los tres tipos, pero con un mayor espectro de utilización, dada su naturaleza flexible.

Panel solar                                                                                                                                 La tensión proporcionada por una célula es muy baja (en torno a medio voltio para las células de silicio) y de una potencia máxima inferior a dos watios. Como la mayoría de las aplicaciones eléctricas en corriente continua trabajan con tensiones de 12 o 24 voltios, se conectan entre si un número determinados de células para la construcción de los paneles solares fotovoltáicos. Así, por ejemplo, para producir un panel de 12 voltios nominales, se necesitan entre 30 y 40 células, según las características de las mismas.                                Una vez interconexionadas las células, son encapsuladas en una estructura tipo «sandwich», consistente en una lámina de vidrio templado, otra de acetato de etilen-vinilo  (EVA) que viene a ser un sustrato orgánico, otra lámina con las células, capa de «EVA» y por último, una cubierta posterior formada por varas láminas de polímeros u otro vidrio. La estructura concreta de cada modelo de panel varía entre diferentes fabricantes.                         Finalmente se procede a un sellado al vacío, introduciéndole en un horno especial para su laminación, haciendo estanco el conjunto. Por último se rodea el perímetro del panel con materiales, como el neopreno, que los proteja y se monta la caja de conexiones con los bornes positivo y negativo.

PRINCIPIOS PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

    Dado que las instalaciones de energía solar encajan en un grupo de tecnologías relativamente nuevas, muchas de éstas padecen de defectos de diseño que se traducen en unos malos o desastrosos resultados.                                                                                    Propongamos cuatro principios necesarios para el buen funcionamiento de una instalación:

Primer principio: Captar al máximo posible al energía solar                                                 Evidentemente, será preciso comprobar que se disponen del número suficiente de colectores para poder captar la energía necesaria. En Internet pueden encontrarse programas para ello recomendaría PROGRAMA FCHART SITIOSOLAR. Así mismo, hay que verificar que tangamos, tanto la inclinación como  la orientación idóneas para desaprovechar la mínima cantidad de energía solar posible en cada mes, pero además es preciso regular la captación de dicha energía para que realmente se convierta en energía útil. Como idea básica y orientativa, los colectores deben de estar orientados hacia el sur (si se está en el hemisferio norte, y viceversa), o con menos de 20º de desfase. La inclinación debe de ser la latitud del lugar + 10º .                                                                             Un buen aprovechamiento de la energía pasa por la regulación diferencial (tratado en la anterior publicación de este blog) que nos permita medir  y comparar permanentemente lasa temperaturas en los colectores y acumuladores para establecer la circulación de fluido sólo en los momentos que sean favorables para conseguir un aumento neto de la energía útil acumulada.

Segundo principio: Consumir prioritariamente la energía solar                                           Prácticamente la totalidad de las instalaciones solare térmicas disponen de un sistema auxiliar de caldeo para asegurar el servicio durante los meses más desfavorables a la radiación solar o tiempo nublado pertinaz.                                                         El diseño del sistema de almacenamiento debe ser tal, que favorezca el uso prioritario de la energía solar frente a la auxiliar y nunca al revés. Quiere decir esto que el termostato que acciona la energía auxiliar, debe de estar tarado a la mínima temperatura de utilización. De esta manera, siempre utilizaremos el calor acumulado si su temperatura es mayor que la fijada en el termostato.

Tercer principio: Asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la convencional                                                                                                                                  Este principio es consecuencia directa del segundo. Su realización presenta dos casos:

1. Producción instantánea de energía de apoyo.                                                                

Este sistema resulta muy práctico y recomendable para viviendas si se usan calentadores instantáneos de gas tipo domésticos, pero, esto es muy importante, que la potencia del calentador se regule automáticamente en función de la temperatura, ya que si se utiliza un calentador de gas corriente, de llama constante, se puede dar la situación de que la temperatura de entrada de agua precalentada por el equipo solar fuera ya bastante alta, originando temperaturas excesivas en la salida, e incluso la ebullición.

       2. Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente                                                                                                                                                                     
El acumulador auxiliar, generalmente más pequeño que el principal, se situará entre éste y los puntos de consumo. La válvula termostática de tres vías, en función de la temperatura de salida del agua, se encarga de utilizar el agua calentada en el acumulador solar, si tiene la temperatura solicitada por la válvula termostática, o bien, si no es así, mezclar agua de los dos acumuladores para alcanzar dicha temperatura. De esta manera siempre de dará prioridad a la energía solar sobre la auxiliar.

Cuarto principio: No juntar la energía solar con la convencional                                         Tal como se puede observar en la figura de la izquierda, hay riesgo de mezcla del agua calentada con energía solar y la calentada por un sistema auxiliar. La solución idónea para corregir este inconveniente lo representa la figura de la derecha. Es decir, la instalación de dos acumuladores instalados en serie en lugar de uno.                                    En grandes instalaciones, donde se hace circular el agua caliente sanitaria por un anillo (con retornos invertidos) a fin de mantener una temperatura caliente cuando se abra un grifo por alejado que esté del acumulador, también hay riesgo de mezcla de aguas.                

       En efecto, si en la representación esquemática arriba indicada, el agua de retorno, que estará a una temperatura relativamente caliente, es conducida al acumulador solar por la tubería (1) estaremos mezclando agua calentada con el sistema auxiliar con la solar. La instalación correcta es la representada a través de la tubería (2).

Conclusiones                                                                                                                                    Los cuatro supuestos expuesto, no constituyen ningún axioma. Hay que estudiar cada caso en su propio contexto. Por ejemplo, en una pequeña instalación por termosifón, típicas de las viviendas unifamiliares, asumiremos los riegos de mezcla en un único interacumulador, pues no sería rentable la solución descrita.                                                             Sin embargo estos criterios son muy útiles para detectar los errores de diseño, muy típicos de sistemas simples y baratos que no suelen cumplirlos.  

CONTROL DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

En la regulación y control de las instalaciones solares intervienen varios aparatos de control y elementos auxiliares que describiremos como paso previo al tema central de la regulación:

    Termostatos                                                                                                                          Su misión es la de mantener una temperatura constante dentro de pequeños márgenes. El control parte de la información que le da un sensor de temperatura para activar o desactivar un relé, contactor o cualquier otro dispositivo que haga funcionar una bomba, resistencia eléctrica, válvula, etc.

     Reguladores proporcionales                                                                                            Son aquellos en los que existe una relación de proporcionalidad lineal y continua entre el valor del parámetro sometido a control (por ejemplo la temperatura) y la potencia aplicada al elemento regulador(calefactor eléctrico, servoválvula, etc.)

     Sensores                                                                                                                             Los tipos más utilizados en energía solar son:

• Termopares: Convierten directamente una diferencia de temperatura en una fuerza electromotriz, cuya magnitud depende de dicha diferencia de temperatura.
• Termoresistencias: El principio sobre el que se basa es la variación de la resistividad con la temperatura, que algunos materiales presentan de modo especialmente acusado. La termoresistencia más ampliamente utilizada en la industria es la denominada PT100. hecha de platino y con una respuesta prácticamente lineal (100 ohmios a 0ºC y 138 ohmios a 100ºC).
• Termistores: Su funcionamiento se basa en la variación que experimenta la resistencia de un semiconductor en función de su temperatura. Su respuesta no es lineal y pueden ser de dos tipos, NTC (la resistencia disminuye al aumentar la temperatura) y PTC (la resistencia aumenta o disminuye con la temperatura)

Elementos actuadores                                                                                                            Son los que usa el dispositivo de control para accionar elementos de potencia elevada, o, simplemente, para servir de intermediarios entre el regulador electrónico y los dispositivos que éste controla. Los más usados son los relés y contactores.

Elementos de estado sólido                                                                                                   Son dispositivos semiconductores que toleran altas intensidades y permiten altas velocidades de conmutación, así como un periodo de vida largo.. Pueden sustituir con ventajas tanto a relés como a contactores y su empleo en instalaciones de energía solar, donde el número de conmutaciones al día podría ser elevado, presenta grandes ventajas.

Regulación de colectores por termostato
1.- Colector solar                                                                                                                       2.- Interacumulador                                                                                                                   3.-Bomba de circulación                                                                                                           4.-Termostato

      Funcionamiento: cuando el termostato alcanza la temperatura consignada, para la bomba y arranca al bajar la temperatura.                                                                                Este sistema de regulación se utiliza casi exclusivamente en el calentamiento de piscinas. Para otras aplicaciones este sistema no es recomendable, dado su desperdicio energético. Si la temperatura del acumulador supera el valor de consigna previamente ajustado en el termostato, la bomba sigue en marcha, incluso en ausencia de radiación solar y la energía del acumulador se disipa en el colector.                                                           El punto de corte del termostato debe de corresponder con la temperatura deseada para el agua de la piscina.

Regulación de colectores por diferencial de temperaturas                                                1.- Colector.                                                                                                                              2.- Intracumulador.                                                                                                                  3.- Bomba de circulación.                                                                                                        4.- Regulador diferencial («todo o nada»).                                                                                5.- Sonda del colector.                                                                                                              6.-Sonda del acumulador.                                                                                                       7.- Válvula de regulación de caudal.

 Este control constituye el sistema más empleado. En él, el regulador diferencial compara la temperatura del colector con la existente en la parte baja del interacumulador. Cuando la temperatura del acumulador menos la del interacumulador, mas el diferencial que pongamos, alcance su valor, dará orden de marcha a la bomba. De esta manera, si fijamos un diferencial de 6 o 7 grados, el calor siempre se trasportará del colector al acumulador. Nunca al revés. El diferencial se justifica por:

1. La pérdida de temperatura en el tramo de tubería colector-interacumulador puede ser de 1º C.
2. La tolerancia de la sonda y la del propio regulador es de 1 a 2 ºC.
3. El diferencial de temperatura en el inter cambiador de calor debe ser como mínimo de uno 4 º C.
4. La instalación sólo debe funcionar cuando pueda generar más energía útil que la consumida por la bomba, lo cual exige un diferencial mínimo de 3º C.

Lógicamente las cantidades descritas pueden variar para instalaciones de grandes magnitudes.

Instalación típica de una instalación completa de A.C.S.                                                       El primer control lo realiza el termostato diferencial TDI que, partiendo de la información que le proporciona el sensor S1 y S2, acciona o para B1 y B2. El termostato acciona B1 y B2 cuando la temperatura  se S1 es mayor que la de S2 en una cantidad prefijada. De esta forma el sistema siempre funciona cediendo calor de los colectores al acumulador, y no al revés.                                                                                                                 En determinados sistemas de gran tamaño puede utilizarse un segundo termostato diferencial como control de optimización de la instalación, que consiste en trasvasar agua del acumulador AC1 al AC2, siempre que la temperatura del primero supere al segundo en una cantidad predeterminada. Cuando el termostato diferencial TD2 detecta una determinada diferencia de temperatura prefijada entre las sondas S3 y S4, se acciona la bomba B3, iniciándose de esta forma el trasvase de agua, y por tanto, calor del acumulador AC! al AC2 .                                                                                                                   El tercer control de la instalación permite una acción sobre el calefactor auxiliar R1, normalmente alimentado con energía eléctrica. Su misión es mantener una temperatura constante en el acumulador auxiliar AC2. Se trata de un termostato clásico que, partiendo del sensor S5, activa o desactiva el elemento calefactor R1 siempre que la temperatura de este acumulador descienda por debajo del punto fijado.                                                             El último control es el encargado de mantener una temperatura constante del agua que se extrae para los servicios. Se trata de un control proporcional CP que usa una cadena de realimentación a través de un sensor y actúa sobre una servoválvula que regula la mezcla de agua caliente procedente de AC2 y agua fía tomada directamente de la red.                                                                                                                                         Generalmente todos los sensores y actuadores descritos se conectan a una centralita, microprocesador o sistemas informáticos encargados de controlar la instalación.

                                       

ACUMULADORES DE A.C.S. SOLAR

      En las imagines de instalaciones solares térmicas para producir agua caliente sanitaria vistas hasta ahora, hemos visto representados los acumuladores, donde se almacena el agua calentada en los captadores solares, debido a que no suele coincidir la producción (horas de mayor radiación solar) con la demanda.
La capacidad calorífica de cualquier material es la cantidad de calor que almacena la unidad de masa cuando su temperatura se incrementa un grado centígrado. Evidentemente, esa misma cantidad de calor será desprendida cuando el material se enfríe un grado.
El calor especifico del agua es 1Kcal/Kg.ºC. Muy superior a muchos otros materiales. Además de esta cualidad, el agua es barata, fácil de manejar, y al mismo tiempo es el elemento de consumo para el agua caliente sanitaria.
En cuanto a los materiales empleados para su construcción, el acero es más utilizado por su asequible precio, pero necesita protección interior contra la corrosión y la temperatura de almacenamiento no debe superar los 65º C. El acero inoxidable es mejor material, pero es muy caro. Últimamente se están empleando de fibra de vidrio y  los plásticos. Son resistentes a la corrosión y fáciles de mantener.                                                En cuanto a la forma, suelen ser cilíndrica . La dimensión vertical (altura) debe ser mayor que la horizontal (diámetro), con el fin de favorecer la estratificación.

 Como sabemos, el agua disminuye su densidad al aumentar la temperatura, por lo que cuanto mayor sea la altura, mayor será la diferencia entre la temperatura en la parte superior respecto a la inferior del depósito; es decir mayor será la estratificación. De la parte superior extraemos el agua para consumo, mientras que el calentamiento solar lo aplicamos en la parte baja, con lo que hacemos funcionar los colectores a la mínima temperatura posible, aumentando así su rendimiento.                                      Los acumuladores de A.C.S. pueden ser directos o indirectos. En los primeros, la fuente de energía está ubicada dentro del acumulador. Es el caso de esta figura.

 En los acumuladores indirectos la transferencia de calor al A.C.S. se realiza mediante un intercambiador de calor (generalmente de placas,por su alta eficiencia), como el indicado en la figura.

      Lo acumuladores directos (llamados interacumuladores) se caracterizan por su lentitud en el calentamiento, siendo aptos sólo para pequeñas demandas de consumos, como viviendas unifamiliares. Los acumuladores indirectos, en cambio, pueden satisfacer tanto picos de demanda como consumos prolongados, ya que el agua se puede calentar casi de forma instantánea. Normalmente son los empleados en edificios del sector terciario.

Dimensionado del acumulador                                                                                                   Según estudios teóricos y pruebas experimentales, se ha establecido una relación entre el volumen del acumulador y la superficie instalada de captadores solares. Así de manera aproximada, se puede decir que para obtener unos 45ºC en una zona de radiación media en España, se da la siguiente relación:

70 litros de capacidad de acumulación por cada metros cuadrado de colector

       Si la acumulación es menor, se consiguen mayores temperaturas en el acumulador en detrimento del rendimiento de la instalación y además hay peligro de vaporización del agua en los meses cálidos, si es mayor, aunque sube el rendimiento, se corre el peligro de no alcanzar la temperatura de uso necesaria. La capacidad de 70 litros indicada, habría que reducirla a 50 litros si queremos obtener agua a 60ºC.                                    Todas estas cifras son simplemente orientativas, pues cada instalación requiere sus parámetros propios a calcular por el proyectista,según las condiciones climatológicas del lugar, así como otros factores y requerimentos.

SISTEMAS DE OBTENCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (A.C.S.) CON ENERGÍA SOLAR

    El caldeo del A.C.S. ( Agua Caliente Sanitaria) viene a ser unas de las aplicaciones más amplias de la energía solar térmica, en parte porque los niveles de temperaturas requeridos (entre 40 ªC y 60 ºC) son los más apropiados para una buena eficiencia del colector, y también, porque su utilización abarca todo el año; es decir, no es un servicio estacional como la calefacción o el caldeo de piscinas. Por tanto, su rentabilidad es mayor.
Lo trataremos con cierto rigor y de manera minuciosa, ya que en esta aplicación veremos que en sus conceptos básicos son aplicables a otras muchas utilizaciones.
Toda instalación solar térmica consta de tres partes cuyas funciones están claramente diferenciadas:
Captación, acumulación y sistema auxiliar de distribución de agua. El primero lo constituyen los captadores solares; diríamos que es la zona de generación de calor. La segunda parte tiene por objeto acumular el agua caliente producida en los captadores mediante uno o varios acumuladores. La tercera parte es la red de tuberías, bombas, válvulas, grifos, etc que conforman la instalación de distribución de A.C.S. La distribución de estos elementos es lo que se llama definición del sistema, el cuál precisa claramente las partes de que va a constar la instalación, así como la función específica que cada parte realiza con el fin de obtener una aceptable eficacia global del sistema.

   Según el tipo de sistema de termotransferencia utilizado, las instalaciones se pueden clasificar en dos grupos: de transferencia térmica directa e indirecta.                                      En el primero de ellos comprende los casos en que el agua sanitaria pasa también directamente por los colectores. En el segundo grupo, donde entran la mayor parte de las instalaciones, existe un intercambiador térmico, de manera que existe un fluido caloportador primario – el que circula por los colectores- que aporta calor al intercambiador y un circuito de agua secundario, que recibe el calor aportado por el circuito primario.

     En uno y otro caso, para que la transferencia sea eficaz, es necesario asegurar la circulación del fluido. Esto se puede conseguir de dos formas diferentes: por termosifón (circulación natural) o mediante una bomba de circulación.

Circulación por termosifón sin intercambiador (sistema directo).                                                                                                   Tal como se observa en la figura, hay un solo circuito de agua que entra en el depósito, pasa por el captador cunado se requiere aumentar su temperatura y retorna al depósito. Cuando hay demanda de agua caliente (se abre el grifo), el agua almacenada en el depósito fluye hacia el servicio.                                                                    Cuando hay radiación solar, efecto termosifón se produce porque el captador está por debajo del depósito, al calentarse el agua contenida en el absobedor, pierde densidad, y por tanto, tiende a subir hacia el acumulador, estableciéndose así la circulación del fluido.

     Observando con detenimiento la figura, veremos que en la tubería de agua de retorno al captador hay dos elementos intercalados en la misma. El que está en el centro de la tubería es el símbolo representativo de una válvula de retención. Es muy importante su instalación, pues impide la circulación inversa del agua en la instalación. Efectivamente, esto puede ocurrir durante la noche, ya que el capatador solar se enfriará y cabe la posibilidad de que se invierta el circuito y el calor que teníamos almacenado se disipe por el captador solar. Ocurriría justamente lo contrario de lo que se persigue; o sea, tirar la energía por el captador.                                                                                                                En la misma tubería figura hay un símbolo de forma esférica, que representa un vaso de expansión cerrado. También imprescindible para absorber las dilataciones y contracciones del agua debido a los cambios de temperatura. Aunque no figure, también debe de haber un purgador de aire en la parte más alta del acumulador por razones obvias.

      Dentro de la energía solar térmica esta es la solución más simple y la que proporciona mejor rendimiento térmico, aunque presenta los siguientes inconvenientes:

• El circuito por donde circula el agua debe de estar hecho con materiales que no contaminen el agua.
• Riesgo de vaporización del circuito. Por tanto, necesidad de instalar en el punto más alto un dispositivo de evacuación de vapor.
• Todo el circuito, incluido los colectores, trabaja a la presión de la red. lo cuál no suele ser tolerado por la mayoría de los modelos. Luego sería necesaria la instalación de una válvula reductora de presión, pero hay que tener en cuenta que éstas no son de mucha fiabilidad.
• Al estar el acumulador a la intemperie hay riesgo de congelación y no se puede evitar mediante la adición de anticongelantes.
• Los riesgos de corrosión en el circuito son mayores, debido al alto contenido de aire en el agua de la red.
• Restricciones de tipo legal, al exigir algunas normativas que el agua de consumo no pase a través de los colectores.

Por todos estos motivos, esta solución es poco viable, sobre todo en climas muy fíos.

Circulación por termosifón con intercambiador.                                                                En esta solución hay dos circuitos hidraulicamente independientes: uno primario, cerrado (captador-acumulador-captador) que aporta calor al acumulador cuando hay radiación solar. El otro circuito es el secundario, abierto (red-acumulador-servicio) que absorbe el calor aportado por el circuito primario.                                                                             Respecto a la solución anterior, tiene las ventajas de poder utilizar aditivos anticongelantes en el circuito primario, ausencia de aire en el líquido, presión de trabajo mas baja que la de red y ubicación del acumulador dentro del edifico, con la consiguiente eliminación de las pérdidas por contactos con temperaturas exteriores. También conserva las ventajas del sistema directo, como la autonomía (independencia de alimentación eléctrica al carecer de bomba) y eliminación de riesgos de averías. El riesgo de incrustaciones queda minimizado salvo en el caso de frecuentes vaciados y renovaciones del circuito primario para prevenir la congelación.                                                                                                                                 También en este caso es preciso disponer de una válvula anti-retorno en el circuito primario para evitar la circulación inversa nocturna. Dicha válvula se situará en la tubería de ida de agua al colector solar y se utilizarán válvulas anti-retorno del tipo de clapeta vertical (nunca de muelle) u otro similar de baja pérdida de carga. Hay que tener en cuenta que el movimiento del fluido se genera por diferencias pequeñas de densidad, por lo que deben reducirse al máximo la pérdidas friccionales en las tuberías. precisamente este es una de las causas de disfución de una instalación de este tipo.                                   Suele ocurrir, que con el fin de ahorrar costes, o simplemente por desconocimiento, se instalen tuberías del circuito primaria con una sección demasiado baja. Esto impedirá la adecuada circulación del fluido por el circuito y por tanto, la transferencia de calor. En ningún caso deben instalarse tuberías inferiores a media pulgada ( D=25 mm) para superficies de colectores inferiores a  5 m2. Si la superficie de capatación es superior a 5 m2 , el diámetro nominal de la tubería estar entre 25 mm  y 40 mm , en función de la distancia entre colector y depósito horizontal (menor o mayor de 7 m) y vertical (menor o mayor de 3 m) .

Circulación forzada.-                                                                                                             Vemos en la figura como esta solución difiere de la anterior en que la circulación del fluido en el circuito primario lo genera una bomba. Este sistema tiene la ventaja de eliminar los defectos inherentes a los sistemas de circulación natural; es decir, los problemas de circulación del fluido. Los inconvenientes de este sistema son:                                                – Necesidad de disponer de energía eléctrica, lo cual puede ser un inconveniente en viviendas aisladas donde no hay tendido eléctrico.                                                              – Necesidad de regulación y control de la bomba.

El uso de la bomba es imprescindible  cuando el intercambiador se encuentre a un nivel inferior a los colectores.

    El caudal que debe impulsar la bomba estará normalmente comprendido entre 50 y 75 litros/hora por cada metro cuadrado  de superficie colectora.

    Esto es una representación esquemática de una instalación, algo más compleja que la anterior, propia de un edificio del sector terciario como pudiese ser una residencia, hotel,clínica,etc.                                                                                                                         Vemos como hay un primer intercambiador de calor (generalmente de placas) independiente; osea, no está dentro del acumulador como en los casos anteriores , a continuación un depósito de acumulación y un circuito de distribución con apoyo auxiliar individual (calentador de gas o eléctrico).

     El funcionamiento de cada bomba no es constante ni mucho menos. Estas deben de arrancar y parar cuando la instalación lo exija mediante un sistema de control. Éste se verá con detenimiento en una próxima publicación.

CONCEPTOS DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

    La energía solar térmica se fundamenta en aprovechar la radiación solar para calentar el agua. Para conseguir dicho objetivo, podemos  utilizar el colector de placa plana o colectores de vacío – en adelante, al panel solar térmico lo denominaremos colector o captador-.

Colector de placa plana:-

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   El típico captador está constituido por el despiece que se puede observar en la figura, gran parte de los rayos solares incidentes atraviesan la cubierta protectora -generalmente son de vidrio- para luego, calentar la placa absorbedora como consecuencia de la transformación de la energía electromagnética en térmica. El absorbedor suele estar construido por tubos de cobre o aluminio conectados al circuito de la instalación. La lámina reflactante tiene por objeto devolver parte de la radiación que ha traspasado el absorbedor hacia el vidrio de la cubierta protectora. Ahora es el propio vidrio quien se calienta y comienza también a emitir radiación, donde aproximadamente la mitad se difunde hacia el exterior. perdiéndose, pero la otra mitad vuelve hacia el interior y contribuye a calentar aún más la superficie del absorbedor. Este fenómeno es lo que se conoce como efecto invernadero.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La figura superior muestra la incidencia de la radiación total y el aprovechamiento efectivo trasmitido al absorbedor del captador solar. Los valores indicados son meramente orientativos, ya que éstos dependen de diversos factores (Transmitancia del vidrio, rendimiento, tipo de placa absorbente, etc.). De cualquier manera el rendimiento está en torno a un 40 %.-

Rendimiento de un colector:

      En la figura inferior se muestra la recta -realmente es una curva muy cercana a una recta- que define el rendimiento de un colector.

    En el eje de ordenadas figuran los rendimientos y en el de absisas la temperatura. La expresión matemática es: R = b – mX.= b – (Tm – Ta)/ I (1)

donde b= Rendimiento optico (en la figura tendría un valor aproximado de 0.78). Valor dado por el fabricante.

m= pendiente de la recta. Valor dado por el fabricante.

X= (Tm – Ta)/I ,

Tm = temperatura media del agua a su paso por el absorbedor. Viene a ser la misma que la temperatura de utilización.

Ta = temperatura del aire exterior.

I = radiación incidente total sobre el colector (W/m2).

      De la ecuación del rendimiento desprende que un colector será tanto mejor cuanto mayor sea el valor «b» y menor el de la pendiente «m», siendo este segundo factor más relevante que el primero pues representa la «facililidad» con que el capatador pierde su calor hacia el exterior. Para entender este concepto, observemos una comparación entre dos colectores A (color azul) y B (color naranja) dando valores a la ecuación del rendimiento :

    Por ejemplo,  las características técnicas de los captadores a comparar leemos que los valores de rendimiento óptico (algunos fabricantes lo llaman factor de ganancia o eficiencia) son 0.88 para el A y 0.67 para el B. Y el valor de m, denominado por los fabricantes como factor de pérdidas o coeficiente de pérdidas, son 9,2 y 3,1 respectivamente. Suponiendo que la temperatura ambiente es de 25ºC, la radiación solar es 800 w/m2 y que queremos obtener agua caliente sanitaria a 60ºC, llevamos todos esos valores a la ecuación (1) y quedaría:

Para A, R = 0,88 – 9,2 * (60 – 25)/800 = 0,48  y para B, R = 0,53                                          

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     Estamos en los puntos 1A y 1B respectivamente, donde vemos gráficamente que en ese punto el rendimiento del captador B es superior al A. Efectivamente, 0,53 > 0,48.

    Para una temperatura de utilización del agua de 53 ºC, estaríamos en el punto 2, donde se cruzan ambas rectas. El rendimiento es igual para ambos captadores. Si damos valores a la ecuación (1), veremos que ambos dan el mismo valor:

Para A, R = 0,88 – 9,2 * (53 – 25)/800 = 0,56                                                                           Para B, R = 0,67 – 3,1 * (53 – 25)/800 = 0,56

   Para una temperatura de utilización del agua de 45 ºC, estaríamos en los puntos 3A y 3B de las respectivas rectas. Gráficamente vemos como ahora el rendimiento del captador  A es superior al B. También lo podemos comprobar numéricamente aplicando la ecuación (1), dando el valr de 45 a Tm. Los valores de rendimientos serían 0,65 y 0,59 para A y B  respectivamente.

    Vemos pues que para instalaciones donde se precise temperaturas muy bajas – caldeo de piscinas y muy poco más- nos convienen captadores con alto rendimiento óptico. En cambio, para obtener temperaturas por encima de 40 ºC nos convienen captadores con bajo valor de «factor de pérdidas» – valor de «m» en la ecuación.

    Para mayor facilidad, sería conveniente hacer todas estas operaciones en una hoja de cálculo. Así podremos ver también como influye en el rendimiento todos los valores variables de la ecuación (Tm, Ta, e I). Por ejemplo, la radiación solar es máxima al mediodía, pudiendo tener valores cercanos a 1000, entonces el rendimiento del colector será alto, o radiación solar baja durante las primeras horas de la mañana y últimas de la tarde, momentos en que el rendimiento es bajo.

    Colectores de vacío:

    En el colector de placa plana hemos visto como, la conversión de la energía radiante del sol en energía térmica lleva asociada una pérdidas por radiación, convección y conducción, cuyo efecto es la progresiva disminución del rendimiento a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre la placa absorbedora y el ambiente, tal como hemos visto en los ejemplos numéricos en aplicación de la ecuación del rendimiento. En un colector de placa plana se pueden reducir éstas pérdidas poniendo una cubierta doble de vidrio o mediante tratamientos selectivos de la placa.

      Para obtener unas pérdidas térmicas notablemente bajas hay en el mercado los llamados tubos de vacío. Se fundamentan en reducir las pérdidas por convección y radiación haciendo un vacío en el interior del captador. Debido a la presión atmosférica, que produciría unas fuerzas muy grandes al aplicarse a toda la superficie de la cubierta, y a los problemas técnicos relacionados con el sellado de la carcasa del colector, la construcción de un colector de vacío con la forma de uno convencional de placa plana entraña gran dificultad. Sin embargo, la técnica del vacío empleada por los fabricantes de tubos fluorescentes, entre otros, se ha desarrollado hasta el punto de hacerlos rentables su producción en masa. Mediante la aplicación de esta tecnología, ha sido posible la construcción de los colectores solares de vacío que se comercializan en la actualidad. Debido a sus características geométricas, reciben el nombre de colectores tubulares de vacío.

El segmento rojo representa un colector de tubos de vacío, y el negro, un colector de placa plana.

     A la vista de esta tabla, se observa que los colectores de vacío encuentran su principal aplicación en los sistemas de temperaturas intermedias. Ideal para proporcionar calor a máquinas de aire acondicionado que empleen sistemas de absorción. También se emplean en instalaciones industriales donde se utilice agua caliente en torno a los 100 ºC y en lugares fríos con diferencias elevadas entre la temperatura del colector y la de el ambiente.                                                                                                                      Obsérvese en la tabla como el rendimiento óptico (valor «b» de la ecuación del rendimiento) disminuye a medida se aísla más el absorbedor del exterior; lo cual es lógico pues los rayos solares tienen que atravesar más elementos hasta llegar al absorbedor. Pero esta disminución del rendimiento óptico es ampliamente compensada por la disminución de pérdidas térmicas, tanto más cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura del absorbedor y la exsterior.

Colectores de vacío de flujo directo.

  En este tipo de colectores, en la placa absobedora , hay insertado un tubo coaxial de intercambio de calor, a través del cuál pasa el fluido caloportador., el cuál, entra por el interior del tubo coaxial y retorna por la cavidad exterior que está en contacto con la placa, elevando así su temperatura.                                                          Como se aprecia en la figura, los tubos se ensamblan de manera que cada uno de los intercambiadores coaxiales va conectado a las tuberías de entrada (fría) y salida (caliente).

Colectores de vacío con tubo de calor (» Heat Pipe»).

 En este tipo de colectores el intercambio de calor se realiza mediante la utilización de un tubo de calor (varilla de Heat Pipe). Consiste en un tubo hueco cerrado por los dos extremos, sometido a vacío y con una pequeña cantidad de fluido vaporizante (mezcla de alcohol) en su interior.                                                                                                    Cuando se calienta la parte del tubo donde se encuentra el fluido, este se evapora absorbiendo calor latente de vaporización . Este vapor se desplaza hasta alcanzar la parte del tubo que se encuentra a menor temperatura, produciéndose allí su condensación y la consiguiente liberación de calor latente asociado a este cambio de estado. El líquido retorna por capilaridad o debido a la acción de la gravedad (caso de los colectores solares), y el ciclo evaporación-condensación se repite.