Paneles solares térmicos

La instalación de paneles solares térmicos es cada vez más democrática ya que esta solución es una de las posibles soluciones de energías renovables que cumplen los requisitos legales. Son capaces de producir agua caliente sanitaria, pero también calefacción (en parte). A pesar de una inversión bastante fuerte, es una solución rentable, sobre todo cuando se conoce el importante peso de la producción de agua caliente sanitaria en viviendas térmicamente eficientes. Funcionamiento, uso, tecnologías, dimensionamiento, inclinación y precio.

Principio de un panel solar térmico

Los paneles solares térmicos, o colectores solares térmicos o calentadores solares de agua individuales (CESI), son elementos que calientan agua utilizando energía solar. No deben confundirse con los paneles solares fotovoltaicos que producen electricidad a partir de la radiación solar. Los paneles solares térmicos están destinados más comúnmente a producir agua caliente sanitaria , también pueden participar en la calefacción (o incluso el aire acondicionado) de su hogar, por lo que se denominan sistemas combinados.

El objetivo es primero capturar el calor del sol a través de 3 fenómenos físicos:

• Efecto cuerpo negro: el color negro absorbe el calor del sol, por eso los paneles son negros.
• Efecto invernadero: el calor captado tiende a salir por infrarrojos, luego hay que atraparlo mediante una ventana.
• Efecto aislante: es necesario preservar el calor captado gracias a un panel térmicamente bien aislado.

Luego, el calor captado calentará un fluido caloportador, generalmente agua glicolada, contenido en un sensor. Este fluido luego transmitirá la energía así recuperada al agua caliente sanitaria, a través de un intercambiador ubicado en un acumulador de agua caliente, normalmente equipado con un respaldo (eléctrico o caldera).

Diferentes tipos de uso

Los paneles solares térmicos se pueden utilizar para diferentes propósitos. El más común y el más fácil de instalar es la producción de agua caliente sanitaria. Pero también es posible, con más paneles solares, calentar tu casa. Las tecnologías permiten producir electricidad gracias a paneles solares híbridos o con cogeneración, además del agua caliente sanitaria. Finalmente, la climatización solar se reservará para edificios terciarios.

	Usar	Características
	Agua caliente solar	Instalación más frecuente Vigilancia para llevar al dimensionamiento
	Calefacción solar	Superficie del panel + inversión grande, por lo tanto, más sustancial
	Mixta solar térmica/fotovoltaica	Las altas temperaturas reducen el rendimiento de las células fotovoltaicas Reducción del espacio necesario
	Cogeneración	Permite producir electricidad cuando la necesidad de agua caliente es baja Importante costo adicional
	aire acondicionado solares	producción frío mediante máquinas de absorción o adsorción. Poco utilizado a escala de hábitat

Las configuraciones más comunes

Circulación mediante bomba.

En la mayoría de los sistemas, es un circulador el que hace circular el fluido de transferencia de calor (el que pasa a través del panel solar). La circulación del fluido es importante para que el agua no llegue a una temperatura demasiado alta en la que corra el riesgo de hervir y por lo tanto dañar la instalación (por la expansión del vapor). El circulador debe estar equipado con regulación inteligente, de lo contrario el depósito se enfriará al no permitir que el agua se caliente lo suficiente en el sensor.

Termosifón

Algunos sistemas no están equipados con una bomba. Dado que el agua caliente es más ligera que el agua fría, puede tener lugar una circulación natural. Esto solo funciona si el acumulador está más alto que los paneles solares, lo que no siempre es fácil de instalar, excepto en sistemas monobloque o instalaciones de calefacción solar (interiores o piscinas). Se debe colocar una válvula de retención para evitar que el sistema se invierta (en el caso de que el agua del tanque esté más caliente que los paneles solares).

Las diferentes tecnologías

Colector plano sin esmaltar

Aquí, los tubos por los que pasa el fluido caloportador se colocan directamente “al sol”. Este tipo de paneles solares es menos costoso pero ofrece un bajo rendimiento en comparación con otras soluciones. Se utiliza con mayor frecuencia para el precalentamiento, el calentamiento de piscinas o en conceptos artesanales. El aislamiento del panel es a menudo débil o incluso inexistente lo que, como única ventaja, permite no tener ningún riesgo de sobrecalentamiento.

Colector plano acristalado

Los colectores planos acristalados son, con mucho, los sistemas más comunes cuando se trata de agua caliente sanitaria. El vidrio crea un “efecto invernadero” que atrapa los rayos del sol dentro del colector para optimizar las contribuciones. Los rendimientos y el precio son promedio. Los colectores planos acristalados pueden captar una media de 350 kWh anuales por m². A diferencia de un panel solar fotovoltaico, un panel solar térmico es más “mate” y está unido.

Sensor tubular

Los colectores tubulares son la tecnología avanzada de los paneles solares térmicos, también son más caros. Gracias a un sistema de doble piel y vacío de aire, se optimizan los aportes solares y los intercambios desde donde se obtienen mayores rendimientos. Los colectores tubulares pueden captar una media de 500kwh anuales por m². Estos paneles también son menos sensibles a la sombra que los colectores planos y funcionan mejor con radiación difusa. Su instalación también se ve facilitada gracias a las aletas que se pueden inclinar y orientar según se desee. Por ejemplo, se pueden utilizar en posición vertical como barandilla en un balcón manteniendo un rendimiento satisfactorio. Son posibles varias configuraciones, en particular con sistemas con varios fluidos de transferencia de calor. Si los rendimientos son muy interesantes,

Sistema de una sola pieza

Los sistemas de una pieza tienen el tanque de almacenamiento directamente al lado de los paneles. Funcionan en termosifón (por lo tanto, sin bomba de circulación). Esta es una solución ineficiente ya que el depósito está en el exterior y por tanto las pérdidas de calor del almacenamiento son mayores que con un depósito situado en el interior del edificio. A esto se suman las restricciones arquitectónicas adicionales y los riesgos de congelamiento y sobrecalentamiento.

Sistema clásico de elementos separados

En un sistema de elementos divididos, el tanque de almacenamiento está ubicado dentro del edificio. Esto permite en particular limitar las pérdidas de almacenamiento. Esto reduce las restricciones arquitectónicas adicionales de instalar un tanque en el techo, pero aún existen riesgos de congelamiento y sobrecalentamiento.

Sistema de elementos separados – autodrenante

Algunos sistemas de drenaje automático eliminan el riesgo de congelamiento y sobrecalentamiento. De hecho, en estos casos específicos que deben evitarse, el circulador se detiene y los paneles se vacían (drenan) en un depósito previsto a tal efecto. Como ya no hay agua en los paneles, ya no hay riesgo de congelación o sobrecalentamiento. Sin embargo, la configuración resulta un poco más compleja que la anterior (hay que asegurarse de que el depósito drena correctamente).

Dimensionamiento y diseño

Aportes solares

La ganancia solar depende por supuesto de la región donde te encuentres… La energía recibida está entre 1100kWh y 1700kWh por m² y por año, para irradiación horizontal. De media, un panel solar térmico producirá entre 300 y 500kWh/(m².año) (fuente ADEME).

Orientación e Inclinación

El campo solar influye por tanto en la producción de energía de origen solar, pero la inclinación y la orientación también juegan un papel importante. Lo ideal son los paneles solares inclinados alrededor de 40 a 45° (dependiendo nuevamente de la región) con una orientación más cercana al Sur, siendo la producción correcta entre el Sureste y el Suroeste. Tenga en cuenta que más allá de 20°, el sensor, además de ser menos eficiente, corre el riesgo de obstruirse. El siguiente diagrama muestra la influencia de la orientación e inclinación del panel.

Rendimiento de una instalación solar

La eficiencia de los paneles solares es la relación entre la energía recibida (en amarillo y naranja) en el diagrama y la energía útil (en verde). Por lo tanto, para tener el mejor rendimiento, es necesario limitar las pérdidas (en rojo) por reflexión que dependen sobre todo de la orientación. La mayoría de las demás pérdidas son térmicas y se deben a la radiación del propio panel hacia el exterior, para limitarlas el panel debe estar bien aislado. Pero la eficiencia también depende de las condiciones de temperatura exterior y del fluido. Si pensamos en la eficiencia global de una instalación solar, también debemos tener en cuenta las pérdidas por almacenamiento, la energía de los bombeos, etc. Último factor, la tasa de cobertura de necesidades. Los paneles de gran tamaño tendrán una baja eficiencia debido a una mayor pérdida de calor y una temperatura más alta. En general, la eficiencia global de una instalación solar de buen tamaño es de alrededor del 30 al 40%.

Tasa de cobertura de necesidades

El índice de cobertura de las necesidades varía según todos los criterios que acabamos de ver, a saber, la ganancia solar, la orientación y la inclinación. Pero también depende de las sombras, de las necesidades de los ocupantes, de los modelos de placas solares o incluso del acumulador. En términos concretos, la superficie de los colectores solares corresponde en promedio de 1 a 1,5 m² por persona para una tasa de cobertura de entre el 50 y el 70 %. Sin embargo, si desea tener un cálculo más preciso, de acuerdo con todos los criterios anteriores, aquí está disponible una herramienta de cálculo en línea (el sitio es más que antiguo y, a veces, solicita recargar la página, pero los resultados son muy detallados).

Evita riesgos…

Los riesgos de las mascarillas solares

Una máscara solar es lo que impide que la radiación solar directa llegue al panel solar (ya sea térmico o fotovoltaico), es decir, son elementos que dan sombra. Sin embargo, la presencia de sombras en un panel solar térmico es un problema menor que en el caso de un panel solar fotovoltaico, donde la producción cae al 0%, aunque solo una parte de la instalación esté a la sombra. Al tomarse el tiempo para reflexionar, es bastante fácil determinar las posibles máscaras solares presentes o futuras. Solo mire su techo regularmente, en diferentes estaciones y en diferentes momentos del día, el tamaño de las sombras es mucho mayor en invierno. Una herramienta gratuita, Google Sketchup facilita el modelado de objetos 3D como su casa y la simulación de sombras. Luego podemos identificar amenazas como edificios o árboles según la época del año.

Elementos de techo

En primer lugar, podemos citar las chimeneas, las perreras o las antenas. Si se colocan directamente en el techo, pueden causar una sombra significativa en su instalación, como se muestra en la ilustración. Dado que la superficie de los paneles térmicos es generalmente reducida (2 a 4 m²), a menudo hay una configuración que permitirá evitar sombras en los sensores, pero es un punto importante de vigilancia.

Los árboles

Los árboles son una amenaza de sombra muy real ya veces difícil de identificar porque un árbol… ¡crece! Cuando el árbol está en su propiedad no te preocupes, pero si es del vecino o del ayuntamiento, se puede complicar rápidamente.

El entorno urbano

Los edificios cercanos (o casas de dos plantas) o incluso el mobiliario urbano (poste eléctrico, por ejemplo) también pueden constituir una amenaza para el rendimiento de los sensores. Una observación rigurosa así como un modelado permitirán apartar cualquier peligro.

Los riesgos de las heladas

Generalmente el agua que es calentada por los colectores contiene un aditivo, glicol, que se usa como anticongelante (también se usa en energía geotérmica o en automóviles por ejemplo). Tenga en cuenta que los sistemas de autodrenaje evitan el riesgo de congelación.

Los riesgos del sobrecalentamiento

Si quieres que un panel solar se caliente, no quieres que se sobrecaliente, de lo contrario la temperatura del agua podría subir a más de 200°C y causar daños a la instalación. Además, cuanto más caliente es un sensor, menos eficiente es (mayor pérdida de calor). Aquí está, resumido en esta tabla, cómo evitar el sobrecalentamiento de un colector solar.

Haz tu panel solar térmico

Hay muchos tutoriales para autoconstruir tu panel solar térmico. Sin embargo, esto a menudo solo se refiere a áreas pequeñas que se pueden usar para calentar una piscina. Si algunos van tan lejos como para instalarlo en el techo, sigue siendo arriesgado, particularmente en términos de impermeabilización. De todas formas, si te apetece, no olvides que la energía solar es potente y que es fácil obtener agua a más de 70°C. Por lo tanto, se debe tener especial cuidado. Del mismo modo, para un sistema complejo, no debemos olvidar los medios para evacuar la presión (idealmente con una válvula), de lo contrario la instalación podría volverse peligrosa con riesgo de rotura por sobrepresión de vapor.

Elegir un profesional y precio de los paneles solares térmicos

Presupuesto

Si ya tienes un termotanque clásico, no se puede reutilizar para tu instalación solar. Necesita un globo solar provisto para este propósito.

Según ADEME, para la instalación y el equipamiento de un calentador solar de agua con los sensores, es necesario contar entre 900 y 1700€/m² de sensor.