Captadores de placa plana: FPC, FPC IRC y FPC-CPC

Es la tecnología de captación solar más implementada y con más años de desarrollo. La mayoría de captadores de placa plana se construyen en base a una placa metálica rectangular llamada absorbedor. El absorbedor es el elemento central del captador solar ya que se encarga de convertir la radiación solar en energía térmica, que posteriormente es transferida al fluido que circula por los tubos soldados en su parte inferior. Este fluido transporta el calor recibido hacia el acumulador solar o punto de consumo. Con el objetivo de convertir el máximo de irradiación solar en calor y reducir las pérdidas térmicas por radiación, el absorbedor está recubierto por un tratamiento selectivo que permite una alta absortancia en el espectro visible y una baja emitancia en el espectro infrarrojo. Tratamientos selectivos muy conocidos son Sun-Select y TiNOx.

Para evitar la degradación prematura del absorbedor y reducir las pérdidas térmicas, el absorbedor se ubica en una caja provista de un vidrio transparente en la parte superior y el aislamiento correspondiente (Figura 2-7).

Figura 2-7. Captador de placa plana estándar (FPC) (Peuser et al, 2004).

En la Figura 2-7 se pueden observar las áreas de referencia características de estos captadores. Estas áreas son muy importantes ya que la ecuación de rendimiento depende del área de referencia utilizada. La definición de cada una de estas áreas se describe a continuación:

 Área total: Es el producto de las anchura y longitud del captador e indica el área mínima de suelo o tejado requerida para la ubicación de los captadores.

 Área de apertura: Es el área a través de la cual pasa la irradiación solar. Siempre es ligeramente inferior al área de la cubierta de la parte superior del captador.

 Área de absorción: Corresponde al área efectiva del absorbedor del captador Los captadores de placa plana selectivos suelen presentar valores de eficiencia óptica del orden de 0.8 y coeficientes de pérdidas térmicas de primer orden del orden de 3 W m-2 _K-1_.

Su rendimiento medio anual está alrededor del 35-45 %, dependiendo de la localidad y del tipo de instalación. En zonas soleadas del Sur de Europa como Barcelona con un valor de irradiación solar sobre superficie horizontal de 1750 kWh m-2 _año-1_{, la producción solar}

específica de estos captadores oscila entre los 600 y 800 kWh m-2 _año-1_.

Con el objetivo de satisfacer las demandas del mercado, algunos fabricantes suministran captadores planos fácilmente integrables en los edificios (FPC-IRC). La integración se puede llevar a cabo en diferentes partes del edificio, siendo muy habitual la integración en tejados inclinados y fachadas.

Una evolución técnica de los captadores planos son los captadores FPC-CPC. Su diseño está basado en el uso de reflectores CPC. Con ello se persigue un doble objetivo. Por un lado, con la ayuda de estos reflectores se aumenta la irradiación que incide sobre el captador a lo largo del día (aumento de k(Θ) c · ₀). En la Figura 2-8 se puede observar la mejora del rendimiento del captador CPC 3E+ cuando el ángulo de incidencia de la irradiación solar es de 42°. Por otro lado, estos captadores disponen de una área de absorción más reducida respecto a un captador convencional con la misma área de apertura, lo cual da lugar a una reducción de sus pérdidas térmicas y, por tanto, a una reducción de los coeficientes de pérdidas térmicas c1 y c2 (Figura 2-9). Por lo tanto, con la tecnología CPC

se mejoran las prestaciones energéticas del captador solar, operando con rendimientos aceptables a temperaturas inferiores a 100 °C El problema de los reflectores es que para que sean efectivos su superficie debe estar muy limpia. Ésta es una de las razones por las que los reflectores se suelen colocar en el interior de una caja similar a la de los captadores planos convencionales.

Figura 2-9. Áreas de referencia de un captador FPC-CPC, (Peuser et al, 2004). 2.3.2.1 Captador FPC-Aire

En aplicaciones de climatización solar en las que es necesario calentar el aire, los captadores solares térmicos que utilizan como fluido térmico el aire son una alternativa a considerar, ya que esta tecnología permite obtener prestaciones energéticas similares a la de los captadores de agua. Su uso en el mercado europeo es testimonial debido a la falta de conocimiento de esta tecnología por parte de los clientes finales así como a la falta de experiencia de diseñadores e instaladores en este campo (Henning, 2004). Sus aplicaciones típicas son la calefacción de edificios y naves industriales, el precalentamiento del aire de ventilación durante el invierno, la climatización del aire de piscinas, el secado de productos agrícolas y sistemas de refrigeración solar en instalaciones basadas en sistemas desecantes.

Las ventajas de los captadores de aire son: no presenta problemas de congelación durante el invierno; no presenta problemas de estancamiento en el verano; no hay problemas de corrosión, calcificaciones y fugas de fluido caloportador; no es necesario acumulador ya se utiliza como acumulador de energía el propio edificio; fácil integración arquitectónica en tejado inclinado y fachada; permite aprovechar muy bien la irradiación difusa ya que el aire se calienta mucho más rápido que el agua debido a su baja capacidad calorífica.

Sin embargo, también presenta una serie de desventajas: no es posible acumular los excedentes de energía solar; sólo permite generar parcialmente del consumo de ACS durante el verano mediante el uso de un intercambiador aire-agua; para una misma superficie de captación, el consumo eléctrico del ventilador necesario para impulsar el aire suele ser superior al consumo de una bomba hidráulica de un sistema que utiliza el agua como fluido caloportador.

Su construcción es similar a la de los captadores de agua (Figura 2-10). Constan de un absorbedor metálico con tratamiento selectivo en su parte superior. A poca distancia de la parte superior de este absorbedor se encuentra un vidrio transparente que permite el paso de la irradiación solar en el espectro visible y crean el efecto invernadero que permite incrementar la temperatura del interior del mismo. El aire circula a través de unos

canales situados debajo de la superficie de absorción. El objeto de estos canales es aumentar el intercambio de calor (sus paredes verticales actúan a modo de aletas de disipación de calor) y mantener un perfil de velocidad de aire uniforme a lo largo de una línea transversal perpendicular a la dirección del aire. Con ello se consigue que la temperatura de salida de todos los canales sea uniforme y se maximiza el rendimiento a los caudales recomendados por el fabricante.

Figura 2-10. Captador de placa plana de aire (FPC-Aire) (Grammer Solar).

2.3.2.2 Evolución tecnológica de los captadores FPC

La evolución tecnológica de los captadores solares térmicos de placa ha mejorado notablemente el rendimiento térmico de los mismos en las últimas décadas (Frei, 2003). Una mejora importante en la década de los 90 fue la introducción de absorbedores provistos de superficies selectivas. También se mejoró notablemente la fabricación de la caja en la que se ubica el absorbedor a base de aluminio y provista de perforaciones para evitar las condensaciones de vapor de agua en su interior.

Durante la última década también ha habido mejoras importantes gracias a la optimización de los diseños de la placa absorbedora, nuevos recubrimientos selectivos con valores de emitancia en el espectro infrarrojo mucho más reducidos elaborados mediante procesos de fabricación con plasma. Este último factor ha aumentado de forma importante el rendimiento de captación a temperaturas relativamente elevadas, lo cual los hace interesantes para instalaciones solares para refrigeración. Otros aspectos que han mejorado notablemente son las propiedades antireflexivas de las cubiertas de vidrio. Incluso para mejorar el rendimiento a temperaturas moderadamente elevadas, algunos fabricantes tienen modelos de doble vidrio antireflexivo con un gas inerte en el espacio intermedio (Weiss y Rommel, 2005). En este sentido, los nuevos diseños de captadores tienden a captadores con cajas herméticas provistas de gases nobles como el criptón en su interior (Vestlund et al, 2009). Esta solución evita la condensación de vapor de agua en el interior del captador y aumenta la durabilidad del captador al evitar la entrada de contaminantes y polvo del ambiente exterior. Por otro lado también permite la reducción de las pérdidas térmicas del captador. De acuerdo con cálculos preliminares de Vestlund et

Cubierta de cristal Marco Chapa de acero galvanizado Absorbedor de aluminio Aislamiento

al, (2009), con este tipo de captadores se estima que las pérdidas térmicas se pueden reducir hasta en un 20% respecto a los captadores convencionales.

También se están desarrollando cubiertas de vidrio provistas de aislamientos transparentes para reducir las pérdidas térmicas por la parte frontal del captador de captadores. Esto presenta el inconveniente de reducir ligeramente la radiación solar efectiva debido a la reducción del IAM. Respecto a los aislamientos posteriores, se está considerando la posibilidad de la utilización de elementos con alto vacío situados en la parte posterior del captador, con lo cual se reduce el uso de materiales y los costes de fabricación.

Todas esas innovaciones dan lugar a captadores que pueden llegar a conseguir rendimientos muy elevados incluso en condiciones de temperaturas elevadas. Por ello se puede afirmar que es posible la utilización de estos captadores evolucionados en instalaciones de refrigeración solar que precisen temperaturas del orden de 90 – 100 °C. Otra consecuencia de esta evolución tecnológica es la reducción importante de la superficie de captación para lograr una producción energética determinada y, por tanto, una reducción de los costes de las instalaciones de energía solar térmica.