segones.gif (14736 bytes)
Energia solar tèrmica
Eduardo Oistrach
Director gerent Solar Enginyeria 2000


L’objecte d’aquesta ponència rau en fer un som repàs a l’actual estat de la tècnica de les aplicacions de l’energia solar tèrmica activa. La brevetat del temps disponible i l’extensió del tema ens impediran una anàlisi en profunditat de les aplicacions d’aquesta tecnologia. La nostra pretensió no és cap altra que donar una visió tècnica de conjunt. És possible que alguns de vostès coneguin a la perfecció el tema desenvolupat. Per a aquest col·lectiu la meva sincera disculpa; desitjaria que prenguessin aquesta presentació com una breu introducció a la resta de ponències d’aquesta conferència. Per als altres espero que allò que tractarem els serveixi per a una millor comprensió dels treballs més concrets que desenvoluparan els meus col·legues.

Vull, en primer lloc, fer una afirmació: l’energia solar tèrmica activa és una tecnologia madura. Ni proves de laboratori, ni exercicis d’estil, ni salts al buit. Avui fa més de cent anys que a Califòrnia s’establí una indústria pionera d’energia solar tèrmica activa com proven anuncis de la premsa d’aquell temps.

foto1.gif (33163 bytes)Cortesia de Mr. Steven Gorman

Des d’aquell moment la tècnica ha anat perfeccionant-se de forma continuada, essent avui una tecnologia provada, fiable i rendible.

Per centrar la nostra ponència, recordarem les dues aplicacions principals de l’energia solar tèrmica:

Energia solar tèrmica passiva: el propi edifici o immoble és el captador i acumulador d’energia solar. Aquest fet és sempre cert, malgrat el possible desconeixement de l’arquitecte dissenyador del mateix. Del seu ús correcte dependrà en molts casos la qualitat de vida dels futurs usuaris ocupants de l’edifici i, sempre, l’eficiència energètica del mateix. No és l’objecte d’aquesta ponència; el seu estudi el duu a terme l’arquitectura bioclimàtica.

Energia solar tèrmica activa: la captació i acumulació de l’energia solar mitjançant elements i equips específicament dissenyats per a aquest fi que hauran d’integrar-se en la mesura del possible i això depèn fonamentalment dels tècnics implicats en l’edifici o immoble al qual hagin de donar servei.

1. APLICACIONS

1.1. ACS-aigua calenta sanitària.

És la principal aplicació de l’energia solar tèrmica activa. Consisteix a elevar la temperatura de l’aigua subministrada per la xarxa de proveïment i que normalment es troba en el rang comprès entre 5°C-20°C, fins un mínim de 45°C, per a la seva posterior distribució als punts de consum. 

Per a aquesta aplicació s’usa, majoritàriament, el col·lector solar pla.

1.2. Calefacció

Dues són les dificultats amb què ens trobem per a aquesta aplicació: l’estacionalitat del requeriment, que addicionalment coincideix amb els mínims del recurs disponible, i la normalment elevada temperatura requerida al subministrat. La primera ens obligarà a fer un dimensionat gran i, conseqüentment, una més gran inversió que, en absència de consums durant la resta de l’any, farà que l’amortització s’elevi en nombrosos casos per sobre del que és raonable. La segona ens obligarà a emprar sistemes de captació de preu més elevat o a usar sistemes d’emissores que siguin efectius a temperatures més moderades.

Radiadors

Temperatura requerida: 60°C-80°C.

L’elevada temperatura fa indispensable l’ús de col·lectors solars d’alt rendiment: els tubs de buit. Tanmateix, serà necessari un dimensionat més gran dels radiadors si es volen mantenir uns mínims d’eficiència. És el sistema de calefacció amb energia solar menys recomanable.

Terra radiant

Temperatura requerida: 30°C-40°C

Aquest eficient sistema de calefacció és totalment compatible amb l’energia solar tèrmica. Els col·lectors emprats habitualment són: el col·lector solar pla o el tub de buit.

Fan coils

Temperatura requerida: 40°C-60°C.

El sistema es compatible amb l’energia solar tèrmica. Es requerirà un dimensionat generós dels fan coils per tal de mantenir uns mínims d’eficiència. S’emprarà preferiblement el tub de buit.

1.3. Climatització de piscines

Aquesta és, per la seva baixa temperatura de servei (de 25°C-28°C), una aplicació idònia per a l’energia solar. Si es tracta de perllongar la temporada de bany en piscines descobertes, es podran emprar col·lectors nus de materials plàstics de preu molt menor als convencionals vidrats. Per a aplicacions en piscines cobertes, serà recomanable l’ús de col·lectors plans o tubs de buit.

2. TIPUS DE COL·LECTORS

Hem enunciat anteriorment les aplicacions bàsiques de l’energia solar tèrmica; vegem tot seguit quins són els tipus de col·lectors emprats avui en dia per desenvolupar-les:

2.1. Col·lector solar pla

És el més usat en producció d’ACS, calefacció per terra radiant i climatització de piscines cobertes.

Consisteix bàsicament en un absorbidor metàl·lic (coure, alumini o fullola d’acer) que transmet l’energia solar en forma de calor a uns tubs metàl·lics íntimament units a l’absorbidor (serpentí o graella) i que transporten un fluid caloportador que recull la calor de l’absorbidor i el transporta a bescanviadors o directament als dipòsits d’acumulació. Per tal de minimitzar les pèrdues i augmentar-ne el rendiment, l’absorbidor està situat dins d’una carcassa (metàl·lica o plàstica), degudament aïllada (amb fibra de vidre, llana de roca o espuma de poliuretà) i recoberta amb un vidre per la cara exposada al sol.

foto2.gif (29126 bytes)Cortesia de Made Energías Renovables S.A.
2.2. Col·lector solar sense coberta

Existeixen aplicacions que, per la seva baixa temperatura, permeten l’ús de col·lectors nus o sense coberta, l’avantatge principal dels quals és la de minimitzar la inversió necessària per a l’aplicació concreta.

Col·lectors de materials plàstics

Són els idonis per a la climatització de piscines, especialment les descobertes.

Consisteixen en un absorbidor nu de material plàstic, normalment polipropilè o epdm. Addicionalment simplifiquen i abarateixen la instal·lació, ja que, en tractar-se de materials no atacables pel clor de l’aigua de la piscina, no necessiten l’ús de bescanviadors, podent intercalar-se en sèrie en el propi circuit de depuració.

foto3.gif (26632 bytes)Cortesia de Solar Industries, Corp.


Col·lectors metàl·lics

Normalment es tracta d’absorbidors de col·lectors solars plans emprats sense caixa, aïllament ni coberta vidrada. Permeten una més gran integració arquitectònica en no veure’s el seu rendiment tan afectat per l’orientació geogràfica (en mancar de coberta, no estan sotmesos a efectes de reflexió sobre el vidre dels raigs solars incidents).

Són vàlids per a aplicacions de climatització de piscines, calefacció per terra radiant i producció d’ACS.

foto4.gif (24122 bytes)Cortesia de Energie Solaire, S.A.

2.3. Tub de buit

És el col·lector més eficient dels emprats avui en dia, però també el més car. Consisteix en una tira d’absorbidor amb un únic tub de fluid caloportador adossat a aquesta, encapsulada dins d’un tub cilíndric de vidre pírex on s’ha creat el buit. Diversos tubs s’uneixen a un distribuïdor per formar el col·lector. Alguns models permeten la seva instal·lació en pla horitzontal (orientant els tubs perpendicularment als raigs solars), cosa que en facilita l’ocultament visual.

Pel seu cost especialment elevat, el seu àmbit d’aplicació es veu restringit normalment als sistemes que requereixin una major temperatura: calefacció per fain coils o radiadors.

foto5.gif (27242 bytes)Cortesia de Viesmann, Gmbh

2.4. Cobertes solars

La integració dels elements captadors d’energia solar en la pròpia coberta dels edificis és una aplicació relativament recent però de futur prometedor. Els avantatges econòmics en substituir part dels elements constitutius de la coberta, així com els avantatges pel que fa a la integració visual, marquen un salt qualitatiu enfront dels col·lectors tradicionals.

Dos són els plantejaments emprats per al seu desenvolupament: l’agregació d’absorbidors metàl·lics individuals i la realització de cobertes metàl·liques -concebudes aquestes d’inici, per a la captació de l’energia solar integrant en un mateix element dues funcions: protecció i captació-.

foto6.gif (29401 bytes)Cortesia de Energie Solaire, S.A.

3. CORBA DE RENDIMENT DEL COL·LECTOR SOLAR

El primer a destacar és que el col·lector solar és, per la seva senzillesa, una màquina molt perfecta. El rendiment instantani de qualsevol col·lector solar ateny normalment percentatges a l’entorn del 80% (relació entre l’energia solar disponible i l’energia tèrmica útil produïda). El rendiment mitjà d’una instal·lació ben dissenyada superarà el 60%.

És interessant de comparar les corbes de rendiments dels distints tipus de col·lectors i d’observar-ne un fet característic: el rendiment disminueix a mesura que la diferència de temperatures entre el fluid caloportador i l’ambient exterior augmenten, la qual cosa permet de veure quin és col·lector òptim per a una aplicació concreta.

grafic1.gif (20644 bytes)Cortesia de Solar Ingeniería 2000, S.A.


4. DIMENSIONAT DE LES INSTAL·LACIONS

Existeixen dues diferències característiques bàsiques entre les instal·lacions d’energia solar tèrmica i les instal·lacions convencionals. En la primera, el recurs solar no està disponible de forma continuada i a la nostra voluntat, la qual cosa implica la necessitat de l’acumulació. En la segona, la baixa potència per unitat de superfície resta compensada en virtut de la seva producció contínua i gratuïta mentre existeixi el recurs solar.

Càlcul per energia enfront del càlcul per potència

El dimensionat d’una instal·lació d’energia solar tèrmica es basa a calcular primer la necessitat energètica diària i determinar, amb això, la superfície de captació i l’acumulació necessària (que serà, lamentablement, molt més gran que la convencional). No és pas aconsellable, per motius d’optimització de la inversió, realitzar dimensionats per a un cicle superior diari. Pel contrari, les instal·lacions convencionals se solen dimensionar en funció de les necessitats màximes que hauran de ser cobertes per la potència instantània més la mínima acumulació convenient.

Fracció solar

És aquella part de l’energia solar total necessària per al procés que serà coberta per l’energia solar.

Llevat de casos comptats, una instal·lació d’energia solar no ha de cobrir la totalitat de les necessitats d’energia tèrmica de l’aplicació concreta. El fet de garantir el subministrament obligaria a augmentar de forma desproporcionada el sistema de captació i acumulació, per tal de poder cobrir els períodes de mal temps i de producció reduïda.

És, doncs, necessari dissenyar un sistema de producció convencional que supleixi el sistema solar quan aquest no produeixi. Ambdós sistemes poden i han d’estar perfectament integrats.

Combinacions amb d’altres fonts d’energia no renovables

Les instal·lacions d’energia solar tèrmica poden integrar-se amb tots els sistemes convencionals comunament utilitzats: calderes, acumuladors elèctrics i bombes de calor.

Normalment és aconsellable dissenyar la instal·lació en sèrie, de manera que sigui el primer productor el sistema solar, el qual vindrà recolzat pel sistema convencional. Això permet al sistema solar treballar a menor temperatura i, per tant, a més gran rendiment; i al sistema convencional, garantir la cobertura de la demanda.

Esquemes d’instal·lacions

Esquema bàsic ACS

esquema1_petit.gif (28834 bytes)Cortesia de Solar Ingeniería 2000, S.A.

Esquema bàsic piscina
esquema2_petit.gif (365010 bytes)Cortesia de Solar Ingeniería 2000, S.A.

Exemple d’instal·lació combinada ACS-calefacció-piscina

esquema3_petit.gif (542122 bytes)Cortesia de Solar Ingeniería 2000, S.A.


5. VALORACIÓ ECONÒMICA

Vida útil i manteniment

És important destacar el fet de la llarga vida útil de les instal·lacions d’energia solar tèrmica. Són instal·lacions que treballen en circuit tancat i estan sotmeses a càrregues tèrmiques i hidràuliques relativament baixes. Addicionalment, gairebé no disposen de parts mòbils (llevat de bombes i vàlvules motoritzades) i la seva regulació és molt senzilla. Aquestes diferències els confereixen una gran avantatge sobre les instal·lacions convencionals (per exemple: una caldera o una bomba de calor).

Per les mateixes raons, llur manteniment és mínim i bàsicament es limita a operacions de revisió, ja que són rares les avaries.

La vida útil d’una instal·lació executada amb materials de bona qualitat ha de superar amplament els vint anys.

Valoració ràpida d’instal·lacions

ACS. Aigua calenta sanitària amb col·lectors plans:

A tall d’exemple i en funció del tipus i tamany de la instal·lació, podem dir que el preu mitjà del m2 instal·lat del col·lector solar pla se situa avui en dia al mercat espanyol en 80.000 ptes.

Climatització de piscines amb col·lectors de materials plàstics:

A tall d’exemple i en funció del tipus i tamany de la instal·lació, podem dir que el preu mitjà del m2 instal·lat del col·lector plàstic se situa avui en dia al mercat espanyol en 20.000 ptes.

Subvencions

L’energia solar tèrmica activa gaudeix de subvencions per part de les administracions locals, autonòmiques, nacionals i comunitàries que faciliten el fet de la seva implantació. Aquestes subvencions poden arribar a un 50% del valor de la instal·lació.

Amortització

Cal destacar el fet diferencial, enfront de les instal·lacions d’energia convencional, que, malgrat tractar-se de la inversió més elevada, el cost del combustible és zero i el seu manteniment pràcticament nul.

El període de retorn d’una instal·lació d’energia solar depèn de nombrosos factors, essent els principals: el preu del combustible a substituir, l’ús continu de la instal·lació i el tamany d’aquesta.

En funció dels anteriors paràmetres i de la subvenció atorgada, els terminis oscil·len normalment entre els cinc i els vint anys.

 

6. EL FUTUR DE L’ENERGIA SOLAR TÈRMICA

És evident que, a llarg termini, serà inviable l’ús de combustibles fòssils per a l’obtenció d’energia tèrmica: aquests s’hauran exhaurit.

A curt termini, el seu ús massiu es veu dificultat per la necessitat de realitzar una elevada inversió inicial. Polítiques apropiades d’ajut, foment, finançament i divulgació afavoriran la progressiva introducció d’aquesta tecnologia. El propi tamany del mercat, per factors d’escala, ajudarà també en aquesta direcció. La tècnica (malgrat els alts rendiments actuals dels col·lectors) millorarà elements constructius actuals en l’aspecte d’integració i substitució. I, per últim, un factor primordial: el públic, sàviament, desitja la introducció d’una tecnologia neta i inesgotable. L’energia solar té un brillant futur.

Tornar a Introducció a les tecnologies
Tornar a SIMPOSI