Els col·lectors solars tèrmics (també coneguts com a captadors solars) són dispositius dissenyats per capturar i convertir l'energia del sol en calor útil. Aquesta tecnologia és fonamental per a aplicacions que requereixen calefacció daigua, calefacció despais o processos industrials.
En comparació dels panells fotovoltaics, que converteixen la llum solar directament en electricitat, els col·lectors solars tèrmics estan especialitzats en la producció de calor. La seva eficàcia i aplicacions diverses els han convertit en una opció popular per millorar-ne l'eficiència energètica i reduir la dependència de combustibles fòssils.
Hi ha molts tipus d'instal·lacions d'energia solar tèrmica depenent de l'objectiu per al que estiguin dissenyades. Alguns usos habituals dels col·lectors solars són:
- Sistemes de calefacció.
- Escalfament de laigua de la piscina.
- Aigua calenta sanitària (ACS)
- Producció d'electricitat a les grans centrals tèrmiques solars.
Principi de funcionament
Els col·lectors solars tèrmics funcionen basant-se en el principi d'absorció d'energia solar. Tot i existir diferents tipus de captadors solars, com veurem més endavant, el principi de funcionament és similar en tots ells.
En primer lloc, la radiació solar incideix sobre una superfície absorbent que converteix l'energia radiant en energia tèrmica. Aquesta energia tèrmica es transfereix a un fluid de transferència (generalment aigua o barreja d'aigua i anticongelant) que circula a través del col·lector.
Finalment, el fluid calent després s'utilitza de manera diferent depenent de l'aplicació en què s'utilitza o s'emmagatzema per al seu ús posterior.
Tipus de col·lectors solars tèrmics
De col·lectors solars n'hi ha molts tipus. El col·lector solar emprat dependrà de la utilització que se li donarà. Actualment, al mercat de l'energia solar podem diferenciar els següents tipus de col·lectors solars:
Col·lectors solars plans (placa plana)
Els col·lectors solars plans són el tipus més comú i s'utilitzen principalment per escalfar aigua per a ús domèstic, piscines i aplicacions industrials.
Aquest tipus de captadors capten la radiació solar rebuda en una superfície per escalfar un fluid. Sovint es fa servir l'efecte hivernacle per reduir les pèrdues de calor.
El conjunt de tubs està encaixat per una coberta per la part de dalt que normalment és de doble vidre i per la part de baix per un material aïllant.
Característiques principals
- Disseny simple: La construcció de col·lectors solars plans és relativament senzilla, cosa que contribueix al seu baix cost en comparació amb altres tipus de col·lectors.
- Eficiència en climes moderats: Són més eficients en climes càlids i moderats on les pèrdues tèrmiques són menors. En climes freds, poden perdre més calor, cosa que pot reduir-ne l'eficiència.
- Aplicacions comunes: S'utilitzen comunament en sistemes de calefacció d'aigua per a habitatges i piscines, així com aplicacions comercials i industrials.
Funcionament d'un col·lector pla
En un col·lector solar pla, la placa absorbent està exposada al sol i s'escalfa en absorbir la radiació solar. El fluid de transferència de calor, que circula a través dels tubs situats a la part posterior de la placa, absorbeix la calor de la placa.
El fluid calent es transporta al sistema demmagatzematge per poder ser utilitzat quan es requereixi per escalfar aigua o aire.
Col·lectors de tubs de buit
Un col·lector solar de tubs de buit és semblant a un col·lector solar de placa plana però els tubs metàl·lics se substitueixen per tubs de vidre. Aquests tubs de vidre estan encapsulats, d'un amb un, en un altre tub de vidre entre els quals es fa el buit com a aïllament. Cada tub conté un tub absorbent intern que està en contacte amb el fluid de transferència de calor.
Aquest tipus de panells solars tèrmics tenen un rendiment més alt, però el cost és més elevat.
Característiques principals
- Alta eficiència: Els col·lectors de tub de buit són més eficients que els col·lectors plans, especialment en climes freds i ennuvolats. El buit entre els tubs de vidre proporciona un aïllament tèrmic excel·lent, reduint les pèrdues de calor.
- Major rendiment en condicions climàtiques adverses: El disseny permet mantenir una alta eficiència fins i tot en dies freds i ennuvolats, ja que el buit entre els tubs actua com una barrera contra les pèrdues de calor.
- Aplicacions especials: S'utilitzen en aplicacions que requereixen un alt rendiment en condicions meteorològiques adverses, com ara calefacció d'aigua a regions fredes o per a processos industrials que requereixen temperatures elevades.
Funcionament d'un captador de tub de buit
Als col·lectors de tub de buit, la radiació solar incideix sobre els tubs de vidre, escalfant el tub absorbent intern. El fluid de transferència de calor circula dins del tub absorbent, on recull la calor i la transporta al sistema demmagatzematge.
La característica que els fa especials és que el buit entre els tubs de vidre minimitza les pèrdues de calor cap a lentorn i per això són més eficients.
Col·lectors d'aire
Els col·lectors daire són un tipus menys comú de col·lector solar tèrmic que escalfa aire en lloc daigua. Aquests captadors estan dissenyats per a aplicacions de calefacció despais i assecat de productes agrícoles.
Característiques principals
- Disseny simple: Els captadors daire solen tenir una construcció més simple que els col·lectors daigua esmentats anteriorment, ja que no requereixen un sistema de tubs de transferència de calor.
- Ús en calefacció d'espais: Són adequats per a calefacció d'espais, com hivernacles o edificis, i també per a processos d'assecat on cal aire calent.
- Cost inferior: Generalment, tenen un cost inferior als col·lectors tradicionals d'aigua a causa del disseny més simple i menor complexitat.
Funcionament
En un col·lector daire, la radiació solar escalfa laire que circula a través del col·lector. L'aire calent es recull i s'utilitza per escalfar un espai o aplicacions industrials. Aquests col·lectors solen ser de tipus pla o de tub de buit, però amb adaptacions específiques per al flux daire en lloc de fluid líquid.
Col·lectors híbrids (fotovoltaic-tèrmic o PVT)
Els col·lectors híbrids combinen tecnologies solars fotovoltaiques i tèrmiques, permetent la generació simultània d'electricitat i calor. Aquests sistemes estan dissenyats per millorar leficiència global de la recol·lecció denergia solar en aprofitar ambdós tipus denergia.
Característiques generals
- Generació dual d'energia: Els col·lectors PVT produeixen tant electricitat com calor, cosa que pot ser més eficient en termes d'ús de l'espai i els recursos.
- Diversitat d'aplicacions: Són adequats per a usos residencials i comercials on cal tant calefacció com generació d'electricitat, com en sistemes de calefacció d'aigua i generació d'energia per a la llar.
- Cost i complexitat: Tenen un cost inicial més alt i més complexitat en comparació amb els col·lectors solars tèrmics o fotovoltaics individuals.
Funcionament
Els col·lectors híbrids combinen panells fotovoltaics amb una placa absorbent per a la generació de calor. La radiació solar es converteix en electricitat mitjançant cèl·lules fotovoltaiques i en calor a través de la placa absorbent.
D'una banda, la calor produïda es transfereix a un sistema d'emmagatzematge, mentre que l'electricitat es pot fer servir directament o emmagatzemar en bateries.
Col·lectors solars de concentració
Aquest tipus de col·lectors capten la radiació rebuda en una superfície relativament gran i la concentren mitjançant miralls plans en una superfície més petita.
Tot i que els col·lectors de concentració tenen característiques i aplicacions diferents en comparació dels col·lectors plans i de tub de buit, continuen sent una forma de col·lectors solars tèrmics ja que tots tenen l'objectiu comú de convertir l'energia solar en calor.
Habitualment aquest tipus de col·lectors solars s'utilitzen per generar vapor d'aigua a molt alta pressió i generar energia elèctrica com en una central tèrmica convencional .
De concentradors solars n'hi ha diversos tipus que descrivim a continuació:
Col·lectors parabòlics cilíndrics
Els col·lectors parabòlics cilíndrics utilitzen miralls amb forma de paraboloide cilíndric per concentrar la llum solar en un tub receptor ubicat al llarg de l'eix del mirall. La llum solar reflectida escalfa un fluid tèrmic dins del tub, que després es fa servir per generar vapor i produir electricitat en una planta denergia solar.
Aquest tipus de col·lector és altament eficient en la conversió d'energia solar en calor i es fa servir en aplicacions industrials i en instal·lacions de generació d'electricitat a gran escala.
Col·lectors de torre central
Els col·lectors de torre central consten d'una torre envoltada per un camp de miralls (heliòstats) que segueixen el moviment del sol per reflectir la llum solar cap a un receptor ubicat al cim de la torre. El receptor capta la llum concentrada i la converteix en calor, que es pot utilitzar per generar vapor i produir electricitat.
Aquest tipus de col·lector és ideal per a grans plantes denergia solar, ja que pot assolir temperatures extremadament altes i ofereix una alta eficiència en la generació denergia.
Concentradors fresnel lineals
Els concentradors Fresnel lineals fan servir una sèrie de miralls plans o lleugerament corbats per concentrar la llum solar en un receptor lineal fix. La concentració de llum escalfa un fluid tèrmic que circula al llarg del receptor, i aquesta calor es fa servir per generar vapor o electricitat.
Aquests col·lectors són més econòmics que els parabòlics cilíndrics i són adequats per a aplicacions d'escala mitjana, oferint un bon balanç entre el cost i l'eficiència en àrees amb alta irradiació solar.
Avantatges i desavantatges dels captadors solars tèrmics
Avantatges
- Reducció de costos energètics: Els col·lectors solars tèrmics poden reduir significativament els costos denergia en aprofitar lenergia solar gratuïta.
- Sostenibilitat ambiental: Contribueixen a la reducció d'emissions de gasos amb efecte d'hivernacle ia l'ús de fonts d'energia renovable.
- Diversitat d'aplicacions: Són versàtils i es poden utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions, des de calefacció domèstica fins a processos industrials.
- Baix manteniment: Generalment requereixen poc manteniment i tenen una vida útil perllongada.
Desavantatges
- Cost inicial: El cost inicial d'instal·lació de col·lectors solars tèrmics pot ser alt, tot i que sovint es recupera al llarg del temps mitjançant l'estalvi de costos d'energia.
- Dependència del clima: L'eficiència dels col·lectors solars tèrmics depèn de la disponibilitat de llum solar, cosa que pot limitar-ne l'eficàcia en regions ennuvolades o durant l'hivern.
- Espai requerit: Els sistemes de col·lectors solars tèrmics requereixen una superfície adequada per a la instal·lació, cosa que pot ser una limitació en àrees amb espai limitat.
- Emmagatzematge de calor: És necessari un sistema demmagatzematge per utilitzar la calor quan no hi ha sol, la qual cosa pot augmentar el cost i la complexitat del sistema.
Estalvi energètic
L'ús de col·lectors solars tèrmics a un habitatge normal pot generar un estalvi energètic significatiu en comparació amb un habitatge que no els utilitza. Els col·lectors solars tèrmics, en aprofitar l'energia del sol per escalfar aigua, reduirien considerablement la necessitat de fer servir sistemes tradicionals de calefacció d'aigua, que solen dependre d'electricitat o combustibles fòssils.
Un estudi de l'Agència Internacional d'Energia Renovable (IRENA) indica que els sistemes de col·lectors solars tèrmics poden cobrir entre el 50% i el 80% de les necessitats d'aigua calenta sanitària en un habitatge típic depenent de la ubicació geogràfica i l'eficiència del sistema.
D'altra banda, segons l' Agència de Protecció Ambiental dels Estats Units (EPA) , els sistemes solars tèrmics poden reduir entre un 50 i un 70% els costos de calefacció d'aigua. A Europa, una llar típica podria estalviar aproximadament entre 200 i 280 euros anuals en una factura mitjana de 400 euros a l'any dedicada a la calefacció d'aigua.
Per tot això, es calcula que la inversió inicial en sistemes de col·lectors solars tèrmics es pot recuperar en un període de 5 a 10 anys gràcies als estalvis energètics acumulats, depenent dels incentius locals i el cost dels combustibles tradicionals.
Futur i desenvolupament
La tecnologia dels col·lectors solars tèrmics continua evolucionant, amb avenços en materials, disseny i eficiència.
Actualment, la investigació se centra a millorar l'eficiència dels col·lectors solars tèrmics mitjançant nous materials absorbents i tècniques d'aïllament.
D'altra banda, els sistemes híbrids que combinen tecnologies fotovoltaiques i tèrmiques estan guanyant popularitat, oferint més eficiència i versatilitat.
Pel que fa als costos, la reducció de costos de fabricació i l'adopció de noves tecnologies poden fer que els col·lectors solars tèrmics siguin més accessibles per a una gamma més àmplia d'aplicacions.