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Energía solar térmica.

La energía solar térmica aprovecha la radiación del Sol para calentar un fluido que, por lo general, suele ser agua o aire. La capacidad de transformar los rayos solares en calor es, precisamente, el principio elemental en el que se basa esta fuente de energía renovable.

La conversión de la energía luminosa del Sol en energía calorífica se produce directamente de forma cotidiana, sin que sea necesaria la intervención del hombre en este proceso. Todos hemos realizado, en alguna ocasión, el experimento de quemar un papel con ayuda de una lupa. La lupa concentra los rayos solares en un punto determinado de su superficie (foco). Esta concentración de rayos (y por tanto de energía) produce un rápido aumento de la temperatura del papel, provocando su combustión.

Este ejemplo tan sencillo de llevar a la práctica, a la vez que tan vistoso por sus resultados, nos permite comprobar cómo la radiación solar se transforma en energía calorífica de manera inmediata. Pero, en realidad, ni siquiera será necesario concentrar los rayos solares para conseguir la conversión térmica perseguida. Cualquier materia experimenta un aumento de temperatura de modo natural al estar expuesta a la radiación solar. Mientras una superficie negra absorberá toda la radiación visible (por esa razón la vemos negra), una blanca reflejará toda la radiación que llega hasta su superficie, por lo que su incremento de temperatura será muy poco significativo.

En el caso de una instalación térmica los captadores solares se valdrán de superficies de color oscuro para absorber la mayor cantidad de radiación solar posible. Así, en días soleados, bastará con que los rayos solares incidan directamente sobre nuestro sistema de captación para obtener el aporte energético que necesitamos para su uso en muy diversas aplicaciones. Eso sí, habrá que evitar que la energía obtenida pueda perderse instantes después si realmente queremos sacar provecho de esta fuente de energía tan beneficiosa para el ciudadano por sus ventajas medioambientales y su grado de autonomía.

Con el objetivo de evitar fugas de energía, los sistemas de captación solar imitan los procesos naturales que tienen lugar en la Tierra, donde la radiación solar atraviesa con facilidad nuestra atmósfera hasta llegar a la superficie terrestre. Cuando la tierra y el mar se calientan por este motivo, irradian la energía que han absorbido en longitudes de onda más largas. Parte de la radiación de onda larga vuelve a la atmósfera, que la absorbe y la reirradia de nuevo a la superficie terrestre en un efecto rebote. Esto es lo que se conoce como "efecto invernadero", un fenómeno que impide, entre otras cosas, que la temperatura de la Tierra pueda ser de 30 a 40ºC más baja de lo que es en la actualidad. Este mismo fenómeno, a otra escala más modesta, es el que se aplica en los invernaderos para el cultivo de plantas y, por supuesto, en los sistemas de captación de energía solar. El cristal, como la atmósfera de nuestro planeta, tiene la propiedad de ser atravesado fácilmente por las ondas cortas de los rayos solares, al mismo tiempo que se comporta como un muro impenetrable ante las radiaciones de onda larga. Cuando los rayos solares atraviesan una superficie acristalada se produce un aumento de temperatura en el interior del habitáculo. Entonces, el cristal actuará como una trampa de calor que impedirá que la energía calorífica pueda salir al exterior.Cualquier sistema de captación solar se basará, pues, en combinar el "efecto de cuerpo negro" con el "efecto invernadero" con lo que, por un lado, se consigue aprovechar gran parte de la radiación que llega hasta una instalación solar, y por otro, impedir la fuga de calorías una vez ganadas.

Elementos de una instalación solar térmica

El colector o captador.

El colector solar es el objeto que capta la radiación solar y la convierte en energía calorífica. En el mercado se pueden encontrar los siguiente tipos:

El Colector de placa plana

Es el convertidor solar térmico que convierte la energía solar en energía térmica extraída del mismo mediante un fluido y que aprovecha el efecto invernadero. La conversión se realiza mediante una placa metálica que transfiere la energía térmica a un líquido en contacto con la placa. Otros elementos del colector son:

  • Cubierta transparente. Permite aprovechar más energía mediante el conocido efecto invernadero. Impide que la radiación infrarroja emitida por el absorbedor se pierda, posibilitando que la misma vuelva a la placa absorbedora y sea aprovechada. Proporciona la estanquidad necesaria para evitar la entrada de agua o aire. Se debe prestar especial atención a su resistencia mecánica, pues debe soportar la fuerza del viento o la presión de la nieve acumulada. Los materiales más empleados son
    • el vidrio. La transmisión energética debe ser elevada y depende del espesor, del ángulo de incidencia y del tipo de vidrio. Suelen ser recocidos o templados, lo que mejora sus propiedades mecánicas sin empeorar la óptica. Deben soportar las posibles presiones externas, así como las dilataciones o enfriamientos rápidos (debido a tormentas). 
    • Plástico. Presentan propiedades ópticas similares al vidrio, facilitando también el efecto invernadero. Pesan poco y son poco frágiles, además tienen baja conductividad térmica. Como inconvenientes está el posible abombamiento al dilatarse y que son inestables a la luz ultravioleta reduciéndose con el tiempo su transmisión energética. 
    • Doble vidrio. Aumentan el efecto invernadero y reducen las pérdidas por convección. Aumentan la temperatura de la placa absorbedora y la del fluido caloportador. Sin embargo, son elevados en precio y las pérdidas ópticas con lo que serán de aplicación exclusiva en condiciones ambientales frías.
  • El absorbedor. Recibe la radiación solar y la convierte en calor que se transmite al fluido caloportador. Las formas son diversas: placas metálicas separadas unos milímetros, una placa metálica con tubos soldados o embutidos o dos placas metálicas con una circuito en su interior. La cara expuesta al sol debe captar la mayor cantidad de rayos de sol por lo que se suele pintar de color negro u oscuro para conseguir una superficie selectiva (muy absorbente a la radiación y baja emitividad).En cuanto a la transmisión del calor desde la placa al líquido es muy buena en absorbedores de doble lámina y algo peor con tubos adosados. Es importante evitar los puentes térmicos entre el absorbedor y la carcasa, debiendo estar bien aislados térmicamente (calorifugados).
  • Aislamiento posterior. Se emplea para reducir las pérdidas térmicas en la parte trasera del absorbedor que debe ser de baja conductividad térmica. Los materiales pueden ser lana de vidrio, lana de roca, corcho, poliestireno o poliuretano. Se suele incluir una lámina reflectante (aluminio) tras la placa absorbedora que refleja la radiación posterior reenviándola a la placa.
  • La carcasa. Protege y soporta los elementos de colector, permitiendo además anclar y sujetar el colector al edificio. Debe resistir los cambios de temperatura (dilataciones) sin perder la estanquidad. Debe resistir la corrosión. Se hacen colectores completamente estancos al aire, si bien pueden realizarse estancos al agua pero no al aire (orificios en la parte baja).

Colectores de vacío

Son convertidores solares térmicos que permiten obtener mayores temperaturas. Aplicados a temperaturas medias pueden emplearse para producir aire caliente y en procesos industriales. Son capaces de aprovechar la radiación difusa y también funcionan con tiempo frío.

El elemento colector se encuentra insertado en un tubo al que se le ha practicado vacío, este reduce las pérdidas y los riesgos de corrosión y deterioro, con lo que la durabilidad es mayor y también el rendimiento. Existen dos tipos de colectores tubulares de vacío:

  • Flujo directo. Tienen en su interior una placa absorbedora a la que hay adherido un tubo coaxial. Por este tubo circula el líquido caloportador.
  • Con tubo de calor. Consiste en un tubo hueco cerrado en sus extremos y en el que hay una pequeña cantidad de fluido vaporizante. Al calentarse el tubo, el líquido absorbe el calor y se evapora, subiendo hacia la parte alta del tubo. El líquido retorna a la parte baja del tubo por la gravedad, repitiéndose de nuevo el ciclo evaporación-condensación.

El fluido caloportador.

El fluido caloportador pasa a través del absorbedor y transfiere a la parte del sistema de aprovechamiento térmico (acumulador o interacumulador) la energía. Los tipos más usados son el agua y la mezcla de anticongelante, pueden ser también aceites de silicona o líquidos orgánicos sintéticos.

Los anticongelantes son glicoles y los más usados son el etilenglicol y el propilaglicol. Las características fundamentales de los anticongelantes son:

  • Son tóxicos. Debido a que llevan una sustancia que se conoce como inhibidores de la corrosión que es beneficioso para los dispositivos de la instalación. Se debe impedir que se mezcle con el agua de consumo (haciendo la presión del secundario mayor que la del primario, por prevención ante una posible rotura del intercambiador).
  • Son muy viscosos. Al ser más espesos le cuesta al líquido más avanzar, aumentando la pérdida de carga, factor a tener en cuenta a la hora de elegir la electrobomba que suele ser de mayor potencia.
  • Dilata más que el agua cuando se calienta. Para evitar las sobrepresiones se utiliza el vaso de expansión. Si se diseña el vaso como para que aguante una presión como si fuese sólo agua, la membrana del vaso llega un punto en el que no da más de sí y se produciría la sobrepresión en el circuito.
  • Es inestable a más de 120ºC. Si alcanzase más de esta temperatura, se degrada convirtiéndose en un ácido muy corrosivo que afectaría a la vida de los elementos de la instalación. Además pierde sus propiedades por lo que deja de evitar la congelación. Los hay que aguantan más temperatura pero son más caros.
  • La temperatura de ebullición disminuye a la del agua. Podría verse como una ventaja porque significa que absorbe más energía.
  • El calor específico disminuye al del agua. Por absorber más energía, tarda también más en perderla o entregarla, por lo que la ventaja anterior se anula al no transferir todo el calor que ha ganado.

Para calcular la cantidad de anticongelante que hay que añadir a una instalación, primeramente hay que consultar en la tabla de temperaturas históricas cuál es la mínima temperatura registrada en esa ciudad. Una vez que se conoce se va a la gráfica de los glicoles que suministra el fabricante y se traslada el valor para indicarnos cual es el porcentaje.

Almacenamiento.

Acumuladores

El acumulador adapta la demanda de energía a la disponibilidad solar. Las características que debe cumplir son tener una alta capacidad calorífica, un volumen reducido, responder de manera rápida a la demanda, integrarse bien en el edificio, un bajo coste, ser seguro y tener larga duración. Suelen tener forma cilíndrica lo cual facilita el fenómeno de estratificación. Se construyen en acero, acero inoxidable, aluminio, de fibra de vidrio reforzado y plásticos.

El fenómeno de la estratificación separa el agua de consumo del agua a calentar por los colectores. Se produce por la diferente densidad entre el agua caliente y el agua fría, tendiendo el agua más caliente a subir por pesar menos.

Intercambiadores

Se introduce en la instalación solar cuando s requiere tener dos circuitos independientes. De esta manera se pueden evitar riesgos de heladas, añadiendo anticongelante al fluido del primario. El principal inconveniente son las pérdidas que acarrean por rendimiento. Otras trabas a su uso son el aumento de coste del sistema y el cumplimiento de reglamentación adicional debido a que el agua del primario no es potable.

El rendimiento del intercambiador (relación entre la energía obtenida y la energía introducida) será mayor del 95%.

Los intercambiadores de calor interiores pueden ser:

  • De serpentín. Espiral en la parte baja del acumulador
  • Doble envolvente. El circuito primario envuelve al circuito secundario, existiendo mucha superficie de contacto.

Los intercambiadores de calor exterior pueden ser:

  • Haz tubular.
  • Placas de acero inoxidable.

Electrocirculador o bomba.

Facilitan el transporte del fluido caloportador desde los colectores hasta el almacenamiento y luego al consumo. Accionados por un motor eléctrico que suministran al fluido la energía necesaria para transportarlo por el circuito a una determinada presión. Hay tres tipos de electrocirculadores centrífugos:

  • Rotor sumergido. Son silenciosos, requieren un bajo mantenimiento y se montan en línea con la tubería y el eje horizontal.
  • Monobloc. Con el eje en cualquier posición.
  • Acoplamiento motor-electrocirculador de ejes distintos. Son ruidosos.

El comportamiento del electrocirculador se representa P = C * ∆p, donde P es la potencia necesaria, C es el caudal (l/seg.) entre dos puntos de una tubería con diferencia de presión ∆p. Lo que quiere decir que la potencia de la bomba está en función de la pérdida de carga y del caudal. Con estos dos ejes el fabricante lo representará en su curva característica, teniendo cada bomba su propia curva característica.

Con el paso del tiempo, las tuberías van cogiendo corrosión, por lo que la pérdida de carga aumenta con el tiempo, además los cálculos se realizan como si en la instalación sólo hubiese agua, mientras que muchas veces se añade anticongelante, por esta razón en la práctica la bomba que se elige debe estar un poco sobredimensionada.

Las bombas suelen tener varias velocidades y el fabricante lo indica en sus gráficas, lo aconsejable es que se trabaje en una velocidad intermedia para así poder subir o bajar la velocidad si no hemos quedado cortos o hemos sobredimensionado la bomba respectivamente.

Al asociar dos electrobombas en serie se aumenta mucho la altura manométrica y poco el caudal, mientras que si se asocian en paralelo aumenta mucho el caudal y poco la presión.

La bomba tiene que contrarrestar la pérdida de carga solo en el circuito más desfavorable, sin embargo si el circuito está equilibrado, será elegido uno al azar.

El caudal siempre se conoce debido a que si sabemos la superficie colectora, la normativa nos indica que tiene que tener un caudal de aproximadamente 50 l/h  m2. Lo que nos faltaría por conocer es la pérdida de carga, los fabricantes indican las pérdidas de todos los elementos (colector, depósito, tuberías...), quedando la pérdida de carga del circuito finalmente como:

∆p CIRCULADOR = ∆p TUBERÍAS + ∆p COLECTOR + ∆p INTERCAMBIADOR

Elementos asociados al electrocirculador:

El circuito va precedido de un filtro para evitar que entren impurezas de las soldaduras y del resto de la instalación en la bomba. También lleva una válvula antirretorno para evitar retrocesos del fluido caloportador desde el colector a la bomba. Las llaves numeradas con el 3 y 4 se utilizan en caso de avería de la bomba para ser sustituida.

Cerrando la llave 1 y dejando abierta la llave 2, obtenemos en el manómetro la presión de impulsión. Cerrando la llave 2 y abriendo la llave 1, obtenemos en el manómetro la presión de aspiración. Si restamos los resultados se obtiene la pérdida de carga de la instalación, que debe coincidir con la de la instalación.

En la parte trasera el electrocirculador debe tener una pequeña presión para que sea capaz de arrancar, la normativa indica que como mínimo debe ser de 0’2 bar ó 0’5 bar para temperaturas altas.

Si la bomba tuviese una pérdida de carga más pequeña que la necesaria, se creará una depresión en las tuberías y el agua que circula se volverá fácilmente gaseosa, como la bomba está diseñada para mover sólo fluido líquido se produce una aceleración de la bomba y una implosión en el fluido, que acaba estropeando al electrocirculador. La suma de ambas reacciones se conoce como gravitación.

 

Vaso de expansión.

Absorbe las dilataciones del agua en las instalaciones de agua caliente sanitaria. Cuando crece la presión en la instalación debido a la dilatación del fluido caloportador (aumento de temperatura), el fluido sobrante entra en el vaso y empuja la membrana. El gas se comprime, evitando variaciones de presión.

El gas que contiene debería ser nitrógeno debido a que el oxigeno oxida la membrana y la estropea. Siempre debería contener un mínimo de fluido para evitar que la membrana se corroa. El gas nunca debe quedar por encima del fluido porque se formarían bolsas de aire y además de provocar el mal funcionamiento corroe a la membrana. Hay varios tipos de vaso de expansión, hay alguno que no tiene membrana teniendo un gas que no se mezcla con el agua.

Si el vaso es abierto la normativa indica que tiene que tener un 0’2% de agua de la instalación y estar situado a una altura de 3’5 metros sobre los colectores. No se suelen poner porque actualmente están prohibidos.

Cálculo del vaso de expansión. Responde a la fórmula:

VVC = VI  CEXP  CP, donde:
VVC = Volumen del vaso de expansión cerrado.
VI = Volumen del agua de la instalación.
CEXP = Coeficiente de expansión debido a la temperatura máxima de funcionamiento.
CP = Coeficiente de presión. CP =Pmax - Pmin

VI es el Volumen tuberías + Volumen colectores + volumen intercambiador. El volumen del colector y del intercambiador lo facilita el fabricante, mientras que para calcular el volumen de las tuberías se consiguen por unas tablas que tiene la norma UNE dependiendo del diámetro, espesor, caudal...

Otros elementos.

Conducciones

El fluido caloportador debe ser transportado en la instalación a una determinada velocidad porque si va muy rápido no se calentará y si va muy lento alcanzará temperaturas poco deseables, por lo que habrá que calcular el dimensionamiento de las tuberías. Para ello, habrá que mantener unos límites de velocidad (1’2 l/seg – 1’6 l/seg  100 m2 de superficie colectora) y un límite de pérdida de carga.

El material a elegir debería ser el metal más noble posible (cobre), pero en dimensiones grandes, se empleará otro de precio inferior como puede ser el acero o el aluminio. En caso de coexistir varios metales en la misma instalación, el agua debe ir desde el menos noble al más noble por el problema de la electrolisis.

Con los plásticos, el que más aguanta es el polietileno reticulado (100ºC unas pocas horas), por lo que no es aconsejable utilizarlo en el circuito primario.

Para calcular el caudal la norma indica:

Entre 1’2 l/seg y 1’6 l/seg.  100m2. Pasados a l/h quedaría entre 43 l/h y 57 l/h, cogiendo a efectos de cálculo el valor intermedio de 50 l/h

Aislamiento

Evita las pérdidas de los elementos sensibles de la instalación, debe tener un bajo coeficiente de conductividad a un precio razonable. Su colocación será sencilla y soportará un rango amplio de temperaturas. Debe ser ignífugo, no corrosivo por contacto y presentar buena estabilidad. Su resistencia mecánica será buena y su peso específico reducido.

Puede ser de tipo fibroso (amianto, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra animal y vegetal), granulosos (perlite, silicato e calcio, magnesia), y celulares (corcho, espuma de vidrio). El espesor se elige en función de la temperatura del fluido y el diámetro de la tubería, también dependiendo si las tuberías son interiores o exteriores.

Otros elementos

Para calcular las instalaciones hay que tener en cuenta un caudal de 50 l/h *m2, la velocidad será de 2 m/seg (3 m/seg. en algunas condiciones) y un ∆p = 40 mm.c.a/m.

  • El manómetro y el hidrómetro. Miden la presión en el interior de una tubería o depósito.
  • La válvula de seguridad. Debe incluirse por estar el circuito sometido a presión y a variaciones de temperatura.
  • El embudo de desagüe. Permite observar la evacuación del líquido.
  • El purgador. Evacua los gases contenidos en el fluido caloportador y debe situarse en la parte más alta de la instalación.
  • Las válvulas antirretorno. Limitan el paso del fluido en un solo sentido.
  • Las válvulas de paso. Pueden interrumpir total o parcialmente el paso del fluido.
  • El termómetro. Mide la temperatura del fluido por contacto o por inmersión.
  • Los termostatos. Miden y activan o desactivan mecanismos mediante una señal eléctrica.
  • El termostato diferencial. Mide una diferencia de temperatura y en función de la medida actúa sobre algún elemento del sistema.

Termotransferencia.

La transferencia térmica puede realizarse de forma:

  • Directa. Es un solo circuito, no hay separación entre el primario y el secundario, el ACS circula por los colectores. Se consigue un buen rendimiento térmico y el sistema presenta simplicidad. Los inconvenientes son el emplear materiales que no contaminen el agua, el riesgo de vaporización y congelación, funciona a la presión de la red (peligro en los colectores), no se puede emplear anticongelante, mayor riesgo de corrosión (aire en el agua), posibles incrustaciones calcáreas y más restricciones legales.
  • Indirecta. Existe un intercambiador térmico evitándose que el fluido caloportador se mezcle con el ACS. Es el más habitual. Si en el circuito primario se ha añadido anticongelante, tiene mayor densidad por lo que va a costar más que ascienda (bomba de mayor tamaño) y además dilata más.
La circulación del fluido se consigue por:
  • Termosifón. Circulación natural. El depósito debe colocarse sobre los colectores para permitir la convección por diferencia de temperatura. Para facilitar el movimiento del agua tiene que haber diferencia suficiente de temperatura T entre el colector y el acumulador y una altura h mayor de 30 centímetros entre el acumulador y los colectores. Cuanto mayores sean T y h, mayor es la energía para mover el líquido. Para evitar el riesgo de temperaturas elevadas en el depósito se diseña con volúmenes mayores de 70 l/m2 de colector.
  • Electrocirculador. Circulación forzada. Evita los defectos propios de los sistemas de circulación natural. Como inconvenientes está la necesidad de energía eléctrica y de regulación y control del circulador. Cuando el intercambiador está a una altura inferior a los colectores el electrocirculador es imprescindible. Hay que incluir además una válvula antirretorno para evitar el posible efecto termosifónico nocturno.

En el circuito primario entra el agua de la red, pasando por la primera válvula de corte, quedando esta válvula abierta hasta que el circuito este lleno. Esta válvula sirve para aislar al circuito. Llega hasta el electrocirculador donde en paralelo se puede observar un manómetro con dos llaves que sirven para medir la presión del circuito y del electrocirculador. Después hay una válvula antirretorno para evitar un efecto termosifónico no deseado cuando el colector no está captando energía. Pasa los colectores solares y se empezaría a medir la temperatura para poder gobernar el funcionamiento del circuito, es decir, cuando es muy alta o muy baja manda cerrar la válvula de tres vías y el electrocirculador se pone en funcionamiento. En el punto más alto está el purgador que sirve para la expulsión de los gases de la instalación., también estaría la válvula de seguridad que dejará expulsar el líquido del circuito si la presión en este suba por encima del nivel fijado.

En el circuito secundario estaría el acumulador junto con una fuente auxiliar de energía (calentador), que podría estar en serie con este.

Las ventajas de este tipo de circuito es que tienes un mejor sistema de control, cuenta con una serie de protecciones de seguridad, aumentando el rendimiento. Se aumenta el número de aplicaciones a las que puede ir destinada y el lugar geográfico donde se puede ubicar.

Los inconvenientes son que se necesita un circuito eléctrico adicional, un sistema de control y que el precio es más elevado. Además tiene un mayor mantenimiento.

Protección contra la congelación y ebullición.

Hay que evitar la congelación y ebullición del liquido caloportador.

Las medidas de protección contra la congelación evitarán el riesgo por las noches y el peligro en invierno. Algunas medidas en climas benignos son que entren en funcionamiento pocas veces, mientras que en climas duros podrían ser el paro total de la instalación (vaciándose la instalación), calentamiento de los colectores por recirculación del fluido caloportador, calentamiento de los colectores por resistencia eléctrica, uso de fluido anticongelante, colectores que soporten la congelación, vaciado de los colectores (cuando la temperatura ambiente ronda los 0ºC se abre la válvula de vaciado y cuando la temperatura sube de 4º o 5ºC se llena el circuito con agua de la red(no será válida en circuitos de aluminio por la entrada de aire).

Las medidas de protección contra la ebullición deben evitar el riesgo en instalaciones que se encuentran fuera de servicio. Para evitar la ebullición en los colectores se incluyen los vasos de expansión, válvulas de seguridad, reducir la radiación o el empleo de fluidos orgánicos. Para evitar la ebullición en el almacenamiento hay que dimensionarlo con una relación mayor de 50l/m2.

 

Aprovechamiento de la energía solar térmica.

El agua caliente sanitaria es la aplicación más idónea para los sistemas de aprovechamiento térmico solar. Es importante diseñar bien el apoyo con energía convencional, e manera que sea realmente un complemento auxiliar. Se deben seguir una serie de principios para el desarrollo de correctos diseños:

  • Captar el máximo posible de energía solar. Es necesario regular la captación de energía para convertirla en energía útil, mediante la medición y comparación del nivel de temperatura en el colector y en el almacenamiento. Mediante regulación diferencial se puede activar la electrobomba o parar la circulación.
  • Consumir prioritariamente la energía solar. Mediante un diseño adecuado del sistema de almacenamiento podemos favorecer el uso prioritario de la energía solar. Se puede incluir un acumulador con resistencia eléctrica regulado por un termostato, que actuará cuando la temperatura del agua sea menor que la temperatura requerida del agua caliente para consumo.
  • Asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la convencional. Si el nivel de temperatura conseguido con energía solar es frecuentemente inferior al deseado habrá que añadir la energía auxiliar precisa. Se pueden dos casos:
    1. Producción instantánea de la energía de apoyo. Este sistema se coloca a la salida del acumulador solar, es muy práctico en viviendas si se usan calentadores instantáneos de gas de tipo doméstico, siempre que la llama se regule automáticamente en función de la temperatura del agua de entrada.
    2. Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente. Se emplea un acumulador más pequeño que el principal y los puntos de consumo.
  • No juntar la energía solar con la convencional. Si el acumulador es único habrá que mezclar lo menos posible, puede conseguirse con un acumulador compartimentado.

Unión de los paneles.

Cuando la disponibilidad de espacio es escasa se deben colocar los paneles de determinadas maneras para optimizar al máximo el espacio existente:

  • Paralelo. Es la forma más común de conexión. Las ventajas son que permite caudales grandes con un buen rendimiento, los inconvenientes es que aumenta la longitud de las tuberías, además de una menor temperatura, aunque suficiente para agua caliente sanitaria.El número de paneles que se pueden colocar estará limitado, indicando el fabricante este número máximo. Nunca será más de 10. La normativa lo que indica es que la perdida de carga sea inferior a 1 m.c.a., pero esto nunca se producirá porque la pérdida es muy pequeña.
  • Serie. El caudal que pasa por todos los colectores es el mismo, permite secciones más pequeñas de tubo. Si se necesitan temperaturas mayores de 50 ºC se conectan los colectores en serie (no más de tres), aunque no se suele recomendar.Las ventajas son el menor espacio que ocupan y la menor sección de las tuberías, con mayor temperatura, los inconvenientes son que cada vez el rendimiento es menor en cada uno de los colectores lo que implica que esta configuración sea muy poco recomendable y no se suela usar.
  • Conexión serie-paralelo. Se combinan las dos disposiciones anteriores, la principal ventaja es que se reducen los inconvenientes de cada una de las conexiones anteriores.
  • Conexión paralelo-serie. La principal ventaja respecto al anterior es que tiene un rendimiento más equilibrado, la desventaja es que el diámetro de las tuberías es mayor.

Concepto de retorno invertido.

En las conexiones se debe guardar el principio de retorno invertido para mantener el equilibrio hidráulico. La longitud de las conducciones será lo más reducida posible para minimizar las pérdidas hidráulicas y térmicas. Si no se consiguiese habría que poner válvulas para compensar presiones. Existen tres formas de conexión:

  • Monotubo
  • Retorno bitubo directo. El último panel está más alejado que el primero. La bomba se diseña para el más desfavorable, lo que provoca que hay más caudal en los primeros. La consecuencia de esto es que no da el calor necesario y habría que regular el caudal con detentores.
  • Retorno bitubo invertido. Los paneles tendrían el mismo recorrido . Se hace este tipo de disposición para no tener que regular el caudal. Si no se hiciese así habría que utilizar válvulas de equilibrado.

Cálculos de la instalación.

Cálculo de la superficie colectora.

Una vez calculados los consumos energéticos en cada mes se representa gráficamente en una curva o diagrama de consumo.
La inclinación óptima de los colectores depende de la utilización que se vaya a realizar de la instalación.

El cálculo de la superficie total colectora se realiza de manera que la aportación solar en el período en que la instalación está activa sea igual al consumo. Para obtener el número de colectores debe coincidir el consumo anual con la aportación solar. La energía aprovechable de un día medio se obtiene a partir de la irradiación horizontal media en un día de cada mes, H. Este valor se ajusta si la instalación se encuentra en una zona montañosa o de atmósfera muy limpia (H*1’05) o si la zona tiene una aire muy contaminado (H*0’95). Otras correcciones al valor H se realizan si hay obstáculos que proyectan sombras sobre los colectores o superficies reflectantes. Con lo que E quedará:

E = k *H*0’94

Además si la orientación se desvía xº del sur: E’ = E *(1’14 -0’0085*x).

La intensidad media útil es igual a I = E(J) / T(seg.)

Cálculo del rendimiento de un colector.

Cada colector funciona con un rendimiento dado por una tabla o ecuación que suministra el fabricante. La ecuación teórica del rendimiento es b–m*(tmº-taº)/I, siendo b la incidencia de los rayos al colector y m la energía que pierde el colector, tmº la temperatura media del acumulador, taº la temperatura ambiente. b y m son constantes y el resto es variable a lo largo del día y en las distintas épocas. Los fabricantes nos podrán proporcionar los valores constantes.

Cálculo de la cantidad de energía recibida en un panel.

Se realiza una estimación de la energía que se va a recibir en un panel en función de la localización geográfica, de la inclinación del panel y del mes en el que se calcule. Sólo se trata de una estimación puesto que se trabaja con tablas estadísticas del lugar.
Para poder realizar este cálculo primeramente se consulta en la tabla la radiación estimada para el lugar en el mes indicado y se multiplica por un factor de corrección que dependiendo de donde se sitúe el panel, localidad con mucha contaminación, normal o poco contaminado oscilará entre los valores 0’95,1 ó 1’05 respectivamente. Después se multiplicará por k que es otro factor de corrección que estará en función de la inclinación del panel y la latitud del lugar. Si el valor de la energía necesitada se divide entre la energía obtenida de este cálculo, resultaría el número de paneles necesarios.

Cálculo para la optimización en la orientación e inclinación de los paneles.

En primer lugar debe fijarse uno de los dos parámetros, la orientación o la inclinación. Después consultando en la gráfica se obtiene entre que valores de orientación o de inclinación puede variar nuestro panel para conseguir un rendimiento deseado. También puede utilizarse, si se saben esos dos parámetros, para saber si las pérdidas son inferiores a la máxima permitida.
Una vez que se sepa entre que valores de orientación puede estar el panel, hay que corregir esa graduación para la latitud del lugar, con las fórmulas:

Inclinación máxima: Inclinación Máx. – (41º - Latitud)
Inclinación mínima: Inclinación min. - (41º - Latitud)
Si se conoce la inclinación se sabrá entre que grados podrá oscilar con la fórmula:
Orientación: Inclinación – (41º - Latitud).

Determinación de las pérdidas sufridas por las sombras.

Cuando la sombra ocupe más del 5% del panel, el rendimiento obtenido estaría muy por debajo de lo esperado. Según la legislación de Madrid, no puede haber sombras a una altitud de 15º sobre el ángulo de elevación de los colectores. Este cálculo dependerá de la latitud, así en Canarias serían 25º.

Para el cálculo de las pérdidas por sombra se utilizan un gráfico donde se representa el recorrido del sol en todas las épocas del año, debido a sus diferentes altitudes, se traslada el obstáculo a dicha gráfica y se van obteniendo los resultados de pérdidas por sombra.

Después el valor de cada una de las celdas se obtiene de unas tablas que varían en función de la orientación e inclinación del panel.

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