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.

Ejemplos de instalaciones de paneles termodinámicos en diferentes edificios

Producción, Consumos y Rendimientos

Los equipos termodinámicos consumen únicamente electricidad, debido al consumo eléctrico

de los elementos que hacen posible el ciclo (consumo eléctrico del compresor que es la

bomba que pone en funcionamiento a todo el circuito).

En el anexo a este trabajo se aporta una simulación de la producción de energía, consumo y

rendimientos de una instalación de 2 paneles solares termodinámicos para satisfacer la

demanda de ACS de una cafetería en Palencia (200 litros/día) (*Simulación aportada en

documentación comercial de la empresa Digion).

Analizando estos datos, podemos advertir que la producción de energía de los paneles

cuando reciben radiación solar directa (suponiendo 1000 W/m²) es únicamente de entre un

15 y un 20% mayor que cuando el panel no recibe ninguna radiación solar.

La relación entre la producción y el consumo (COP) varía entre el 2,5 y el 5, en función de la

época del año y de la hora del día. Lógicamente se obtiene un rendimiento mayor en los

meses de verano, y en las horas del día más calurosas, que son las del mediodía. El

rendimiento medio obtenido en la simulación a lo largo de todo el año es de un 3,7 de COP.

Por último, en la simulación descrita, se obtiene una cobertura media de un 73% de la

demanda total supuesta.

Aceptación en el CTE

Se debe hacer una justificación en función del Factor de Rendimiento Medio Estacional (SPF

por sus siglas en inglés), según el cálculo descrito en La Directiva Europea 2009/28/CE.

Según la documentación aportada por diferentes fabricantes, los PST cumplen los valores

mínimos exigidos en dicha justificación, por lo que su utilización es compatible con el CTE,

como alternativa a los paneles solares convencionales.

Análisis

Resulta difícil encontrar inconvenientes en un producto relativamente novedoso cuando la

información que se dispone de dicho producto proviene precisamente de aquellos cuyo

objetivo es venderlo.

Tendríamos que analizar en este apartado la rentabilidad de los equipos termodinámicos.

Hemos deducido, según conversaciones con distintos fabricantes, que dicha rentabilidad

depende mucho del tipo de sistema elegido y del uso del edificio en que se quiera instalar.

Para este tipo de instalaciones -y otras energías renovables como la geotermia-, la

rentabilidad económica de un sistema se mide según los periodos de amortización del mismo

con respecto a las fuentes de energía convencionales (gasóleo, gas ciudad, etcétera).

A nivel general los equipos termodinámicos son muy competitivos como apoyo a otras

calderas convencionales, si los comparamos con los paneles solares.

Sin embargo, a la hora de realizar una instalación en la que los paneles solares fotovoltaicos

no sean un apoyo a otro sistema de producción de energía, sino que sean dimensionados

para que produzcan el 100% de la demanda de ACS y calefacción, el uso del edificio y su

tamaño son factores muy importantes a valorar.

Para la producción del 100% de la demanda de viviendas unifamiliares no es competitivo

frente a energías renovables de consumos eléctricos parecidos, como puede ser la

geotermia, cuyo consumo eléctrico es similar y su coste es en la mayoría de los casos es

inferior. A día de hoy, la geotermia tiene un periodo de amortización de unos 8-10 años para

una vivienda unifamiliar estándar (unos 200m²) frente a los 12-15 años de los paneles

solares termodinámicos.

Sin embargo, parece que los paneles termodinámicos son muy eficaces a la hora de calentar

consumos más importantes, y son muy adecuados para la climatización de piscinas. Por este

motivo, en la actualidad, la instalación de equipos termodinámicos como única producción de

ACS y calefacción, se está orientando con mayor frecuencia al sector terciario, siendo los

hoteles con piscinas (spas, vestuarios, etcétera) los lugares donde mayor ventaja se está

obteniendo en su utilización.

Otro aspecto a analizar serían los climas en los que los paneles termodinámicos tienen

rendimientos máximos.

Como hemos visto, no serían adecuados en climas donde las temperaturas fueran muy bajas,

por lo que no serían muy recomendables en climas muy fríos.

No es el caso de España, en el que existe un clima más bien templado.

Dentro de los distintos climas de España, los lugares óptimos para los paneles

termodinámicos serían los climas templados y calurosos, como puede ser el clima

mediterráneo del este y el sur de España.

Tienen muy buen rendimiento, y están siendo aconsejados en el clima cantábrico, debido a

que la menor radiación solar y los inviernos templados de estas regiones los hacen mucho

más eficaces que los paneles solares convencionales.

Sin embargo, en climas de mucha variación térmica estacional, y con gran cantidad de

radiación solar tanto en verano como en invierno, (como puede ser el clima continental), los

valores de eficacia de los paneles termodinámicos a lo largo de todo el año probablemente

se equiparen más a los de los paneles solares (aunque seguramente sigan siendo mayores).

El climas alpinos, cuya temperatura en invierno raramente supere los 0ºC, y las noches

(durante todo el año) sean frías, parece un clima poco propicio para estos paneles.