Energia termosolar

De Viquipèdia

Col·lector Solar

L'energia termosolar o energia solar tèrmica és la utilització de la radiació solar per a l'escalfament a baixa temperatura d'aigua (o eventualment altres fluids), destinada a l'ús com aigua calenta sanitària o calefacció. Addicionalment, pot emprar-se per a alimentar una màquina de refrigeració per absorció, que empra calor en lloc d'electricitat per condicionar l'aire.

Una instal·lació d'energia solar tèrmica consta d'un conjunt de plaques, generalment fixes en els seus tres eixos, per les quals discorren uns tubs que s'exposen d'aquesta forma a la radiació solar. Les característiques constructives responen a la minimització de les pèrdues d'energia una vegada escalfat el fluid que transcorre pels tubs, pel que es troben aïllaments a la conducció (buidor o uns altres) i a la radiació de baixa temperatura. El circuit es completa amb un sistema de circulació natural o forçada, un o diversos magatzems per a desacoblar el consum a la producció i generar inèrcia tèrmica en el sistema, i els mecanismes de control i conducció necessaris. En ocasions el sistema està hibridat amb una caldera de combustible fòssil o d'escalfament elèctric per a suplementar l'acció del sol.

A més del seu ús com aigua calenta sanitària, calefacció i refrigeració (mitjançant màquina d'absorció), l'ús de plaques solars tèrmiques ha proliferat per a l'escalfament de piscines exteriors residencials, en països on la legislació impedeix l'ús d'energies d'altre tipus per a aquesta fi.

[edita] Definició

L’Energia solar tèrmica o termosolar consisteix en l'aprofitament de la radiació provinent del sol per produir calor.

La intensitat d’aquesta radiació solar, es mesura mitjançant dos paràmetres físics: Insolació, que és l’Energia mitja diària, expressada en kWh/m² dia, i Radiació tèrmica, que és la potència instantània sobre la superfície horitzontal, expressada en kW/m².

La calor produïda, pot aprofitar-se per ús domèstic o bé per la producció d’energia mecànica i per tant, produir electricitat. Una de les aplicacions més esteses és el que es coneix com aigua calenta sanitària (ACS) que consisteix en l’aprofitament d’aquesta calor per escalfar un fluid (aigua) a temperatures inferiors a 80ºC.

[edita] Components de la instal·lació

Una instal·lació Solar Tèrmica està formada per captadors solars, un circuit primari i secundari, bescanviador de calor, acumulador, bombes, vas d’expansió, canonades i un panell de control principal.

[edita] Captadors solars

Els captadors solars són els elements que capturen la radiació solar i la converteixen en energia tèrmica, en escalfor. Com a captadors solars es coneixen els de placa plana, els de tub buit i els captadors absorbidors sense protecció ni aïllament. Els sistemes de captació plans (o de placa plana) amb coberta de vidre són els comuns majoritàriament en la producció d’aigua calenta sanitària ACS. El vidre deixa passar els raigs del Sol, aquests escalfen uns tubs metàl·lics que transmeten la calor al líquid de dins. Els tubs són de color fosc, ja que les superfícies fosques escalfen més.

El vidre que cobreix el captador no només protegeix la instal·lació sinó que també permet conservar l’escalfor tot produint un efecte hivernacle que millora el rendiment del captador.

Estan formats d’una carcassa d’alumini tancada i resistent a ambients marins, un marc d’alumini eloxat, una junta perimetral lliure de silicones, aïllant tèrmic respectuós amb el medi ambient de llana de roca, coberta de vidre solar d’alta transparència, i finalment per tubs soldats ultrasònics.

Els col·lectors solars es composen dels següents elements:

Coberta: És transparent, pot ser-hi present o no. Generalment és de vidre tot i que també s'utilitzen de plàstic ja que és menys car i manejable, però ha d'ésser un plàstic especial. La seva funció és minimitzar les pèrdues per convecció i radiació i per això ha de tindre una transmitància solar el més alta possible.

Canal d'aire: És un espai (buit o no) que separa la coberta de la placa absorbent. El seu espessor s'ha de calcular tenint en compte per tal d'equilibrar les pèrdues per convecció i les altes temperatures que es poden produir si es massa estret.

Placa absorbent: La placa absorbent és l'element que absorbeix l'energia solar i la transmet al líquid que circula per les canonades. La principal característica de la placa és que ha de tindre una gran absorció solar i una emissió tèrmica reduïda. Com els materials comuns no compleixen amb aquest requisit, s'utilitzen materials combinats per tal d'obtindre la millor relació absorció/emissió.

Tubs o conductes: Els tubs estan tocant (de vegades soldades) la placa absorbent per tal de què l'intercanvi d'energia sigui el més gran possible. Pels tubs circula el líquid que s'escalfarà i anirà cap al tanc d'acumulació.

Capa aïllant: La finalitat de la capa aïllant és recobrir el sistema per tal d'evitar i minimitzar pèrdues. Per què l'aïllament sigui el millor possible, el material aïllant haurà de tindre una baixa conductivitat tèrmica.

[edita] Circuit primari

El circuit primari, és circuit tancat, transporta l’escalfor des del captador fins a l’acumulador (sistema que emmagatzema calor). El líquid escalfat (aigua o una barreja de substàncies que puguin transportar l’escalfor) porta la calor fins l’acumulador. Un cop refredat, retorna al col·lector per tornar-se a escalfar, i així successivament.

[edita] Bescanviador de calor

El bescanviador de calor escalfa l’aigua de consum a través de la calor captada de la radiació solar. Es situa al circuit primari, al seu extrem. Té forma de serpentí, ja que així, s’aconsegueix augmentar la superfície de contacte i per tant, l’eficiència.

L’aigua que entra a l’acumulador, sempre que estigui més freda que el serpentí, s’escalfarà. Aquesta aigua, escalfada en hores de Sol, ens quedarà disponible pel consum posterior.

[edita] Acumulador

L’acumulador és un dipòsit on s’acumula l’aigua escalfada útil pel consum. Té una entrada per l’aigua freda i una sortida per la calenta. La freda entra per baix de l’acumulador on es troba amb el bescanviador, a mesura que s’escalfa es desplaça cap a dalt, que és des d’on sortirà l’aigua calenta per al consum.

Internament disposa d’un sistema per evitar l’efecte corrosiu de l’aigua calenta emmagatzemada sobre els materials. Per fora té una capa de material aïllant que evita pèrdues de calor i està cobert per un material que protegeix l’aïllament de possibles humitats i cops.

[edita] Circuit secundari

El circuit secundari o de consum, (circuit obert), entra aigua freda de subministrament i per l’altre extrem l’aigua escalfada es consumeix (dutxa, lavabo,...). L’aigua freda passa per l’acumulador primerament, on escalfa l’aigua calenta fins arribar a una certa temperatura. Les canonades d’aigua calenta de l’exterior, han d’estar cobertes per aïllants.

[edita] Bombes

Les bombes, en cas que la instal·lació sigui de circulació forçada, són de tipus recirculació (sol haver-hi dues per circuit), treballant una la meitat del dia, i la parella, la meitat del temps restant. La instal·lació consta dels rellotges que porten el funcionament del sistema, fan l’intercanvi de les bombes, per tal que una treballi les 12 hores primeres i l’altra les 12 hores restants. Si hi ha dues bombes en funcionament, hi ha l’avantatja que en cas que una deixi de funcionar, hi ha la substituta, de manera que així no es pot parar el procés davant de la fallada d’una d’aquestes. L’altre motiu a considerar, és que gràcies a aquest intercanvi la bomba no sofreix tant, sinó que se la deixa descansar, refredar, i quan torna a estar en bon estat (després de les 12 hores) es torna a posar en marxa. Això ocasiona que les bombes puguin allargar durant més el temps de funcionament sense haver-hi de fer cap tipus de manteniment previ.

En total i tal com es defineix anteriorment, sol haver-hi 4 bombes, dues en cada circuit. Dues al circuit primari que bombegen l’aigua dels col·lectors i les altres dues al circuit secundari que bombegen l’aigua dels acumuladors, en el cas d’una instal·lació de tipus circulació forçada.

[edita] Vas d'expansió

El vas d'expansió absorbeix variacions de volum del fluid caloportador, el qual circula pels conductes del captador, mantenint la pressió adequada i evitant pèrdues de la massa del fluid. És un recipient amb una cambra de gas separada de la de líquids i amb una pressió inicial la qual va en funció de l’altura de la instal·lació.

El que més s’utilitza és amb vas d’expansió tancat amb membrana, sense transferència de massa a l’exterior del circuit.

[edita] Canonades

Les canonades de la instal·lació es troben recobertes d’un aïllant tèrmic per evitar pèrdues de calor amb l’entorn.

[edita] Panell de control

Es disposa també d’un panell principal de control a la instal·lació, on es mostren les Temperatures en cada instant (un regulador tèrmic), de manera que pugui controlar-se el funcionament del sistema en qualsevol moment. Apareixen també els rellotges encarregats de l’intercanvi de bombes.

[edita] Tipus d’instal·lacions

Es coneixen dos tipus principals d’instal·lacions solars tèrmiques, la de circulació natural i de circulació forçada.

[edita] Sistema solar tèrmic de tipus circulació natural o Termosifó

En incidir la radiació solar al captador, transfereix la seva energia al fluid contingut en aquest, que augmenta la seva temperatura i disminueix així la seva densitat. S’origina, per tant, una diferencia tèrmica entre el líquid en el captador i el líquid en l’acumulador (situat a major altura), iniciant-se de forma natural una circulació del fluid calent en direcció a l’acumulador. És a dir, aquest sistema no requereix de bomba de recirculació i generalment treballa amb la pressió de la xarxa. Respecte als costos operatius és el més econòmic, el seu cost és zero.

[edita] Sistema solar tèrmic de tipus circulació forçada

En aquest tipus de sistema, la circulació del líquid tèrmic pel captador i per la resta de circuit s’aconsegueix mitjançant una bomba de circulació amb la regulació corresponent. Aquesta regulació s’aconsegueix sempre a través d’un termòstat diferencial, mitjançant el diferencial de temperatures.

La circulació forçada, en canvi, presenta un petit cost operatiu produït pel treball de la bomba. Els seus usos són en qualsevol tipus d’instal·lació tant residencial com industrial, especialment quan es requereix grans volums d’aigua.

[edita] Funcionament de la instal·lació

El procés tal i com s’ha descrit anteriorment es duu a terme en 2 circuits independents, un primari i un secundari. L’energia tèrmica (calor) procedent dels rajos solars arriba als captadors, escalfant el fluid que circula pel seu interior (aigua amb anticongelant). Aquesta energia en forma d’aigua calenta és intercanviada fins un altre circuit on és acumulada a un dipòsit acumulador fins poder ser utilitzada com a ACS (aigua calenta sanitària).

El fluid que circula pels col·lectors és aigua destil·lada o desionitzada amb Etilenglicol o Propilenglicol. Al circuit secundari, l’aigua freda d’entrada a l’acumulador, és aigua de xarxa, per tant, al no ser aigua tractada, s’ha de protegir davant la corrosió.

[edita] Principis físics que intervenen en el funcionament del captador solar de placa plana

[edita] Efecte hivernacle

La radiació solar incident en una placa plana, pot ser parcialment absorbida pel cos. Aquella que no s’absorbeix es reflectida o travessa (travessa, afecta principalment als cossos transparents).

Aquesta relació, depenen de diversos factors, com ara:

L’estat de la superfície.
La naturalesa del cos.
El gruix del cos.
El tipus de radiació. Longitud d’ona.
L’angle d’incidència dels raigs solars.

La major part de la radiació solar està compresa entre 0,3 i 2,4 μm, per això passa per un vidre. Un cos es transparent, només per a radiacions amb longitud d’ona entre 0,3 i 3 μm.

El vidre de la placa ha de ser opac, perquè així s’escalfa en ser impactat per la radiació solar i emet radiacions compreses entre 4,5 i 7,2 μm, aquesta radiació es absorbida per l’absorbidor.

Les qualitats que cal exigir a un material pera fer-lo servir com a coberta de captadors solars:

1. Elevat coeficient de transmissió de la radiació en la banda de 0,3 a 3μm. 2. Estabilitat en el temps (cosa que no passa amb els plàstics). 3. Baix coeficient de transmissió de l’infraroig llarg. 4. Baix coeficient de conductivitat tèrmica. 5. Resistència al trencament per cops. 6. Baix coeficient de dilatació. 7. No adherència de la brutícia

El vidre, deix passar les radiacions d’ona curta procedent del sol i aturen les emissions d’ona llarga procedents de la placa absorbidora). Hi ha alguns plàstics que tenen un comportament similar al vidre, com ara el Policarbonat. El material que es fa servir habitualment en captadors solars plans és el vidre de baix contingut en ferro pera poder-ne millorar la transmissivitat.

La coberta fa l’efecte hivernacle i minimitza l’intercanvi de calor per convecció entre l’interior i l’exterior del captador.

[edita] Cos negre

El cos negre, es un altre principi físic que permet el funcionament d’un captador solar tèrmic, una superfície negra i mate, captà millor l’energia que qualsevol altre color. Es per això, que les superfícies fosques són les millors com a captadors de l’energia radiada pel sol.

L’absorbidor està format per una superfície metàl·lica que permet l’intercanvi de calor amb l’aigua o fluid que volem escalfar. En l’absorbidor impacta la radiació que ha travessat el vidre de la coberta.

Per tal d’aprofitar al màxim aquest principi els fabricants de captadors enfosqueixen l’absorbidor dels seus models seguint principalment dues tècniques:

Pintures calòriques (que resisteixen les temperatures de treball superiors als 100ºC).
Tractaments selectius (basats en deposicions electroquímiques o pintures amb òxids metàl·lics que tenen la virtut de, a més de ser bons captadors de la radiació, tenir una baixa emissivitat).

A les nostres latituds, la majoria dels fabricants opten per l’opció de pintar l’absorbidor, ja que l’augment de cost dels tractaments selectius no queda compensat per l’augment de rendiment dels captadors.

Si fem passar aigua a través de l’absorbidor, aquest va prenent l’escalfor captada i arriba a una temperatura més baixa que la d’equilibri estàtic. Aquesta cessió de calor serà per conducció.

[edita] Aïllament

El tercer dels principis físics que intervenen en el funcionament dels captadors és l’aïllament del conjunt respecte l’exterior, format normalment per un revestiment intern de la capsa contenidor.

[edita] Sistema auxiliar o de suport

És aquell sistema que s’activa quan l’aigua no arriba a la temperatura desitjada degut a la poca radiació Solar. Aquest pot ésser:

Un sistema de suport integrat a l’acumulador (resistència elèctrica).
Bescanviadors amb un sistema de suport (com una caldera).
Calderes de gas connectades al circuit secundari.

[edita] Avantatges i desavantatges del procés

L’energia tèrmica a partir del Sol és l’energia més neta que existeix, és a dir, no repercuteix sobre el medi ambient i a més a més, no requereix cap mena de transformacions ni produccions addicionals.

Presenta molts avantatges entre els quals destaquen:

Gran qualitat energètica.
No presenta quasi impacte ecològic.
Es considera una font inesgotable.
Contribueix a reduir el CO₂.

D’altra banda, amb l’energia solar s’estalvia:

Combustibles fòssils.
Emissions atmosfèriques com són les de CO₂, SO₂ i NO₂.
Altres contaminants com cendres, compostos radioactius, entre d’altres.
L’ús d’instal·lacions de transport i pèrdues energètiques durant aquest.

En definitiva, l’energia solar afavoreix:

L’autogeneració de l’energia.
L’autosuficiència.
La qualitat de vida.

Respecte als desavantatges de dita instal·lació es destaquen els següents:

El major inconvenient és l’impacte visual, és a dir en l’estètica del medi. Però tot i així, els panells posseeixen propietats adaptables que poden aconseguir que estiguin el més integrats possible al medi que els envolta.
L’energia Solar és intermitent (no està present de nit) i les variacions atmosfèriques (pluja, núvols, neu, boira) afecten el seu rendiment.
Un altre inconvenient és la inversió inicial que poques persones s’atreveixen a realitzar (tot i que ara ja comença a ser obligatori en les instal·lacions de nova construcció). Per això és necessari brindar la suficient informació per demostrar que la inversió inicial s’amortitza a mitjà termini, i després genera una zona d’estalvi que s’allarga la resta de la vida útil d’aquests sistemes, que va de 15 a 20 anys.

[edita] Rendiment de la instal·lació

Els mesos de major rendiment són els mesos d’estiu, ja que són els millors a nivell solar (inclinació, orientació). Quan interessa augmentar el rendiment a l'hivern (amb perjudici del rendiment a l'estiu), es solen posar inclinacions per sobre del grau de latitud.

El rendiment dels col·lectors, es pot calcular amb l’equació següent:

          η = η₀ - [K₁×∆T/I] - [K₂×(∆T)²/I]

On:

η: rendiment del col·lector

η₀: rendiment òptic (segons fabricant)

K₁, K₂: coeficients de pèrdua de calor expressats en [W/(m²·K)], [W/(m²·K²)] respectivament (dades segons fabricant)

∆T = (Tª dels col·lectors després d’escalfar-se [K]) – (Tª ambient [K])

I = Irradiació [W/m²]

[edita] Manteniment de la instal·lació

La garantia de funcionament d’aquest tipus d’instal·lacions és de tres anys. Tot i això, un cop passats aquests tres anys, el manteniment que cal fer-hi és bastant reduït. A continuació es mostra la taula del manteniment necessari que es requereix:

Neteja: La superfície de captació requereix que estigui neta.
Anticorrosió: Les estructures han de portat la protecció adequada davant la corrosió i rovell.
Aïllaments: Vigilar que els elements de la instal·lació (canonades, captadors i acumuladors), tinguin els respectius aïllaments en bon estat.
Manòmetres i termòmetres: Ajustar les pressions i temperatures dels circuits que es desitgin i vigilar que funcionin en bon estat.
Sobreescalfaments: Assegurar l’adequat funcionament dels sistemes perquè no hi hagin sobreescalfaments

Cal fer també revisions generals de la instal·lació, com són revisions de les fixacions dels captadors i d’altres, fer un bon manteniment de la caldera i controlar tot tipus de pèrdues que hi pugui haver al circuit de consum.

[edita] Índex de Radiació Solar

No tota la radiació provinent del Sol pot ser aprofitada, ja que una bona part no arriba a la superfície terrestre. La radiació que incideix per unitat de superfície, és el que s’anomena irradiància. Aquesta, varia segons la situació geogràfica. A l’equador, poden obtenir-se valors de 300 W/m², mentre que als pols, els valors acostumen a moure’s al voltant dels 100 W/m². Pel que fa als valors corresponents a la franja del territori Espanyol, aquests oscil·len entre els 150 i els 200 W/m².

Segons l’Edició 2000 de l’Atles de Radiació Solar a Catalunya, la irradiació global diària (mitjana anual en MJ/m2) que es rep a Catalunya, és la següent:

L’índex de radiació solar és un paràmetre a tenir en compte a l’hora de plantejar la instal·lació de panells solars (afecta al rendiment).

[edita] Estadístiques

El fet d’instal·lar plaques solars encara és un sistema escàs, ja que les estadístiques realitzades al 2002 mostren que a Espanya existeixen 282.300 m² de panells solars tèrmics, valor força inferior als 12.844.900 m² totals d’Europa.^[1]

Tot i amb això, en els últims anys, s’ha produït un notable augment d’instal·lacions d’aquest tipus, degut a la major sensibilitat de la població en general, a la disminució dels costos d’aquests equips i a l’entrada en vigor del nou Codi Tècnic de l’Edificació (CTE), el qual obliga a les noves construccions a instal·lar sistemes d’aprofitament d’energía solar tèrmica.