1. Principios básicos de la termodinámica
Para la correcta exposición del sistema que vamos a desarrollar en este trabajo fin de curso, haremos un breve repaso de los fundamentos físicos en los que se sustentan los llamados paneles solares termodinámicos (PST).
La termodinámica es una rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico, por medio de magnitudes tales como la energía interna, la entropía, el volumen, la temperatura, presión, etcétera.
Se basa en las siguientes leyes fundamentales:
- Ley o principio cero de la Termodinámica. Formulada por Ralph H. Powler, establece el llamado equilibrio termodinámico, que no es más que si dos sistemas están en contacto, intercambian energía hasta llegar al equilibrio termodinámico.
Se entiende perfectamente cuando pensamos en dos fluidos en contacto y a diferentes temperaturas, intercambiarán calor hasta encontrarse ambos a la misma temperatura.
- Primera ley de la termodinámica, o principio de conservación de la energía, enunciada por Nicolas leonard Sadi Carnot en 1824.
La ley establece que, para que un sistema modifique o varíe su energía, o realice un trabajo, se le debe aportar una energía externa (en forma de calor). En otras palabras, ningún sistema en equilibrio realiza un trabajo sin aporte de calor.
- Segunda ley de la termodinámica, que explica que los procesos termodinámicos se producen en una dirección, no siendo posible el mismo proceso en sentido contrario. La misma ley establece además la imposibilidad de transformar completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas (en forma de calor). Una de las aplicaciones más conocidas de esta ley son, precisamente, las máquinas térmicas (bombas de calor, frigoríficos, etcétera). Asimismo, de esta misma ley se extrae que no es físicamente posible construir una máquina térmica cuyo rendimiento sea del 100%.
- Tercera ley de la termodinámica. Propuesta por Walther Nernst, establece que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto (-273ºC).
2. Paneles solares termodinámicos (PST)
Definición
Los paneles solares termodinámicos son una alternativa a los paneles solares convencionales. Pero a diferencia de éstos, no sólo captan energía de la radiación solar, sino que basándose en los principios de la termodinámica que acabamos de enunciar, captan la energía del ambiente exterior (el calor del sol, del agua de lluvia, del viento…), siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0º.
Esta circunstancia hace que los paneles termodinámicos puedan producir energía en días nublados y durante la noche, factor muy interesante a la hora de valorar la eficiencia de este sistema de captadores.
Componentes de la instalación: definición y características
El sistema termodinámico se compone de los siguientes elementos:
- Paneles solares termodinámicos
Son los captadores. Están fabricados en aluminio anodizado de 30 micras, poseen una doble canaleta por la que circula el fluido refrigerante.
Sus dimensiones son de 2 metros de largo por 0,80 metros de ancho.
Su peso es de aproximadamente unos 8 kg.
- Gas refrigerante
Un gas refrigerante es: “una sustancia de bajo punto de ebullición, capaz de absorber grandes cantidades de calor al producirse un cambio de estado”.
Debemos saber que todo gas al condensarse y convertirse en líquido desprende calor. El proceso contrario, cuando un gas en estado líquido alcanza su punto de ebullición, se evapora, y se convierte nuevamente en gas absorbiendo calor.
En los paneles solares termodinámicos se utilizan diferentes clases de gas refrigerante, en función del fabricante.
Los gases utilizados tienen además otras propiedades importantes, que los hacen apropiados para su uso en los equipos termodinámicos:
· Estabilidad química ante distintas presiones y temperaturas.
· Son incombustibles
· No son corrosivos, ni tóxicos, ni tienen efectos perjudiciales para la capa de ozono.
- Compresor
Es el lugar donde se produce la compresión del gas, elevando por tanto su temperatura.
- Condensador (Intercambiador)
Es el lugar donde se produce la condensación de gas a líquido, con el correspondiente intercambio de calor entre la fuente caliente y la fuente fría.
- Válvula de expansión
Es el lugar donde se produce la expansión del gas, que llega ya en estado líquido, disminuyendo su termperatura.
- Bloque termodinámico
Es el elemento de la instalación donde se encuentran el compresor y la válvula de expansión, y donde el que regula el funcionamiento de todo el proceso.
- Termoacumulador
Es el elemento de la instalación donde se encuentra el condensador y se produce el intercambio de calor entre el gas a altas temperaturas, y el agua que necesitamos calentar para el consumo en ACS o calefacción.
Funcionamiento
Según el esquema de la figura inferior y basándonos en lo expuesto hasta ahora, el proceso para el funcionamiento del sistema solar termodinámico es el siguiente: El gas refrigerante sale de la válvula de expansión en estado líquido y a muy baja temperatura, llegando a los paneles captadores a unos -10º C. Al llegar a una temperatura tan baja, el gas, a su paso por el panel, se evapora absorbiendo calor del ambiente, siempre que la temperatura exterior sea superior a 0ºC. En el compresor, que se encuentra en el bloque termodinámico, el gas se comprime, elevando su temperatura a niveles superiores a 100ºC. Este gas a altas temperaturas pasa por el condensador, que no es más que un intercambiador de calor ubicado en el acumulador, y hace que la temperatura del agua que existe en dicho acumulador se eleve a la temperatura de consumo necesaria (entre 45 y 60º). El gas refrigerante, como consecuencia de su paso por el condensador y la cesión de calor al agua de consumo, se vuelve a licuar. Finalmente, el líquido refrigerante pasa por la válvula de expansión, que disminuye considerablemente su presión y por tanto su temperatura, para cerrar el ciclo descrito.
Usos
Los equipos termodinámicos son adecuados para utilizarse como producción de ACS y calefacción.
Tienen la particularidad de poder utilizarse como apoyo a calderas convencionales de producción de ACS, pero lo que es más importante, también pueden convertirse en el único sistema de producción de ACS y calefacción de una vivienda o un edificio, cubriendo el 100% de la demanda energética correspondiente.
3. Conclusiones
Una vez hecha la introducción a los fundamentos teóricos y los componentes y el funcionamiento del sistema, haremos a continuación una reflexión crítica acerca de las ventajas e inconvenientes, rendimiento y eficiencia energética de los paneles, así como un análisis de la rentabilidad del sistema en función del uso y la ubicación de los edificios en que se instale.
Ventajas con respecto a paneles solares convencionales
Los paneles solares termodinámicos (son más termodinámicos que solares) tienen una serie de ventajas evidentes con respecto a los paneles solares.
Prácticamente todas ellas, tienen su raíz en que los paneles no dependen de la radiación directa del sol para producir energía, sino que, como hemos visto, el rendimiento de un panel termodinámico depende sencillamente de la variación de temperaturas entre el gas (a su paso por el panel) y el ambiente exterior.
Es evidente que la existencia de sol en un día cualquiera, hace que dicho día sea más caluroso, por lo que mejora el rendimiento del panel, pero debemos dejar claro que no es debido a la radiación solar directa, sino al aumento de temperatura que dicha radiación provoca en el ambiente. Lo mismo sucede si un panel recibe la radiación directa del sol, el panel absorberá más calor, pero insistimos que no es un factor determinante en el rendimiento de la instalación.
Por tanto, las ventajas que se derivan de lo anterior son las siguientes:
- los paneles termodinámicos funcionan de forma continua (día y noche, y en todo tipo de condiciones meteorológicas), siempre y cuando la temperatura exterior sea mayor de 0-5ºC (en función del tipo de panel). Es decir, sólo a muy bajas temperaturas, temperaturas bajo cero, el rendimiento del panel es 0.
Asimismo, el rendimiento de dichos paneles mejora cuanto mayor es la diferencia de temperaturas entre el exterior y el gas, llegando a alcanzar rendimientos de entre el 70 y el 80%, muy superiores a aquellos producidos por las placas solares.
- Con un correcto dimensionado, una instalación de paneles termodinámicos puede cubrir el 100 % de la demanda de calefacción y ACS de un edificio.
- Los paneles termodinámicos funcionan por ambas caras, por lo que la superficie de captación es el doble que la de un panel solar de las mismas dimensiones, y en consecuencia, el espacio necesario para su instalación es menor.
- La orientación de los paneles y la proyección de sombras sobre ellos (arrojadas por cualquier obstáculo o por los propios paneles entre sí) no influye de forma determinante en su producción. Aunque sí es recomendable una buena orientación e inclinación de los paneles, tienen una mayor flexibilidad a la hora de su ubicación en las distintas partes del edificio, y en consecuencia, más facilidad para la correcta integración en el mismo.
- Los paneles termodinámicos no se saturan por exceso de calor, al contrario, cuanto mayor es la temperatura, mayor es su rendimiento.
Otro aspecto positivo de los paneles son su escaso o nulo mantenimiento, dado que el gas refrigerante no se consume, no es corrosivo, ni tiene efecto alguno en los lubricantes del compresor.
También debemos destacar el reducido peso de los paneles solares termodinámicos (8 kg), lo que facilita enormemente su transporte y manipulación.
