En este artículo exponemos los conceptos generales de la Energía Solar Térmica (EST), su evolución y uso a lo largo de la historia hasta sus aplicaciones actuales más frecuentes en el campo de la arquitectura.
CONCEPTOS GENERALES DE LA EST
La radiación solar es la energía emitida por el sol en forma de ondas electromagnéticas. Su espectro comprende la luz visible, rayos UV y rayos IR.
La constante solar es la cantidad de energía calorífica por segundo que recibe la atmósfera que ésta absorbe o refleja en su mayor parte y es igual a 1367 W/m2. Las ondas electromagnéticas absorbidas por la tierra producen su calentamiento emitiendo a su vez en el espectro infrarrojo.
El espectro de un cuerpo negro a 5504ºC, similar al del sol, tiene su pico de energía en el espectro visible y el de otro a 25ºC, similar al de un objeto calentado a esa temperatura, emite en su mayor parte en el infrarrojo medio.
El aprovechamiento de la energía solar es una idea de gran antigüedad y lento desarrollo.
La energía solar pasiva es inherente a la arquitectura y se aplicaba ya en la ciudad griega de Priene del 350 a.C. donde en las fachadas a sur de las casas se anteponen un pórtico que impida la incidencia del sol en verano y un patio que permita su soleamiento en invierno.
Con el descubierto del vidrio transparente en el siglo I a.C., permeable a la luz y a parte de los UV e impermeable a parte de los infrarrojos, se conoce su utilización como colector solar en los hornos solares o heliocaminus del siglo I en Roma, estancias con un gran hueco orientado a sur cubierto de vidrio que permitía guardar el calor en su interior.
En 1767 se inventa en Francia la caja caliente, un invernadero en miniatura de madera cerrada por tres láminas separadas de vidrio, que al sol alcanzaba 118ºC en su interior.
En 1909 se patenta el primer calentador solar termosifónico en EEUU, el Day & Night, que consistía en una serie de tuberías en el interior de una caja caliente por las que el agua caliente circulaba por convección hasta un depósito colocado por encima y con la posibilidad de conectarse a una cocina de leña como sistema auxiliar de apoyo.
El aprovechamiento solar por concentración se utiliza ya en el siglo III a.C. por griegos y romanos con el uso de la skaphia o recipiente metálico de forma parabólica que expuesto al sol concentraba los rayos en la punta de la antorcha, prendiéndola.
Leonardo da Vinci ideó en 1515 un gran concentrador con espejos cóncavos para la producción de vapor.
En 1877 se inventa en Francia el motor solar, receptor cónico recubierto de espejos que concentraban la radiación solar sobre una caldera cilíndrica que movía una turbina de vapor.
En 1911 se construyó a orillas del Nilo una gran planta solar de concentración dotada de cinco filas de espejos cilindro-parabólicos de 62 m de largo en cuyo foco se suspendía una larga caldera recubierta de vidrio.
En 1903, el español Isidoro Cabanyes publicó su proyecto de motor solar o chimenea solar consistente en un invernadero con una chimenea adosada donde el aire caliente accionaba una turbina.
En 1981, Unión Fenosa con colaboración alemana construyó en la provincia de Toledo la primera chimenea solar de 195 m y de 50 kW de potencia basada en los mismos principios; una tormenta derribó su torre.
En España han ido entrando en funcionamiento plantas solares de concentración entre 2007 y 2013. Una planta de 50 MW abastece anualmente de electricidad a unos 25700 hogares.
Los espejos (helióstatos) concentran la energía radiante en la parte alta de la torre, donde un horno solar la transforma en energía térmica, que mediante el fluido caloportador, se almacena en aceite o sal. Luego es bombeada a un acumulador-intercambiador donde se produce vapor de agua; éste acciona la turbina que acoplada a un generador produce la energía eléctrica de consumo. de agua; éste acciona la turbina que acoplada a un generador produce la energía eléctrica de consumo.
SISTEMAS DE EST
Existen tres tipos de EST según la temperatura:
· EST de alta temperatura, para más de 250ºC, utilizada para la producción de electricidad a gran escala.
· EST de media temperatura, entre 80ºC y 250ºC para industria y plantas desalinizadoras, mediante captadores cilindro-parabólicos de concentración.
· EST de baja temperatura, de unos 80ºC, para ACS, calefacción y calentamiento de piscinas, de doble circuito, donde el fluido del circuito primario que circula por los colectores cede mediante un intercambiador el calor al fluido de consumo.
Los sistemas de baja temperatura constan de:
· Colector solar térmico capta transmite la energía térmica mediante la circulación de un fluido calentado por el sol; su tamaño estándar actual es de unos 2000x1000x80 mm y su peso 70-80 kg.
· Acumulador-intercambiador, depósito donde se almacena la energía captada por el colector en forma de agua caliente a través de un intercambiador exterior o generalmente mediante un serpentín interior.
· Sistema de distribución o circuito hidráulico con una red de tuberías, bombas de circulación, vasos de expansión, válvulas y filtros que lleva el agua a los puntos de consumo.
· Sistema de apoyo o auxiliar de energía convencional.
· Sistema de control formado por dispositivos de automatización el sistema para optimizar su rendimiento.
Una instalación común en viviendas unifamiliares es la combinación de la producción de ACS y la climatización de la piscina descubierta con la energía residual disipada para regular el conjunto.
Existen varios tipos de captadores solares
· Captador de placa plana
Es capaz de calentar fluidos portadores hasta 82°C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia. Consta de:
- La carcasa o caja de material ligero, metal o plástico.
- El aislamiento térmico.
- La lámina reflectante.
- La placa por donde circula el fluido caloportador a través de tuberías en serpentín, o unidas a una entrada y una salida.
- Cubierta protectora de vidrio para crear el efecto invernadero
· Equipo compacto
Suelen emplearse en viviendas en climas cálidos y tienen el acumulador situado en la parte superior del captador y la circulación del fluido caloportador es por termosifón; se utilizan intercambiadores de doble envolvente, donde el fluido caloportador circula alrededor del depósito acumulador en una capa cilíndrica concéntrica.
· Captador de tubos de vacío
Alcanzan hasta 120ºC y están compuestos por dobles tuberías de vidrio entre cuyas paredes se hace un vacío elevado, disminuyendo así la convección y aumentando la eficiencia.
Para usos donde no se requieren temperaturas superiores de 40ºC como el calentamiento de piscinas, existen captadores de plástico compuestos simplemente por una placa absorbente con las tuberías montadas del mismo material.
La energía solar termodinámica es un sistema alternativo en el que el fluido caloportador es gas a unos -15ºC de temperatura por lo que trabajan también en invierno o en sombra. Con una bomba de calor pueden cubrir el 100% de las necesidades de ACS y calefacción en poco espacio, pero no están regulados en el CTE ni hay ninguna norma oficial de cálculo, lo que dificulta su aplicación como sustitución de los paneles térmicos exigidos por el CTE.
Este es un ejemplo de captador híbrido consistente en el ensamblado en un solo elemento del módulo solar fotovoltaico y del captador termodinámico. La subida de la temperatura del módulo se emplea como fuente de calor del captador, aumentando la potencia y rendimiento del módulo. Mediante una bomba de calor se obtiene electricidad y calor para ACS y calefacción.
CONDICIONANTES, DISEÑO Y CÁLCULO
Condicionantes legales en rehabilitación
· El DB HE 4 del CTE establece la contribución solar mínima de ACS que se deben cumplir en las rehabilitaciones de edificios existentes en las que exista una demanda de ACS y/o utilización de piscina cubierta, cuando las obras previstas sean compatibles y estén relacionadas con la naturaleza de este tipo de intervención.
· También establece que la contribución puede disminuirse por problemas técnicos justificados o sustituirse por medidas alternativas que produzcan un ahorro energético térmico o una reducción de las emisiones de CO2
· En el caso de reformas de pisos no es obligada su aplicación, ya que la sección se refiere a edificios completos, y además no es razonable obligar a realizar esta instalación particular si su equipamiento ocupa una superficie de partes comunes del edificio.
· La administración local o autonómica puede solicitar condiciones más estrictas que el CTE, por lo que debe hacerse una consulta previa al proyecto.
Esquema y diseño de la instalación
Los colectores se pueden
- orientar al sur e inclinar respecto al plano horizontal un ángulo de 45° sobre el suelo, la azotea o el tejado independientes a la edificación.
- instalar de forma paralela a la envolvente del edificio o superpuestos.
- colocar integrados al sustituir o formar parte de elementos constructivos.
La forma de integrar los colectores en fachada suele ser como parte de muros cortina transformando fachadas existentes en fachadas activas.
Fig. 27. Fotomontaje del sistema Biopix para transformar una medianera existente en fachada activa.
También pueden plegarse en fachadas para obtener una mayor eficiencia. O bien pueden integrarse en cubiertas inclinadas a modo de una ventana de buhardilla.