P E R S P E C T I V AA M B I E N T A L

Edició digital patrocinada

3 2Energia solar tèrmica

AGÈNCIA D'ENERGIADE BARCELONA

Edició:Associació de Mestres Rosa SensatDrassanes, 3 • 08001 Barcelona• Tel: 934 817 373 • Fax: 933 017 550Fundació TERRAAvinyó, 44 • 08002 Barcelona• Tel: 936 011 636 • Fax: 936 011 632http://www.ecoterra.org. En aquesta web podeu tro-bar la col·lecció sencera de tots els quaderns d'edu-cació ambiental PERSPECTIVA AMBIENTAL enformat PDF Acrobat d'ADOBE que es publica desde l'any 1995.

Redacció:Manel Ibáñez i Joan Ignasi Rosell, Universitat deLleida

Fotos interiors i il·lustracions:Disol, Intiam Ruai, Raelec,Fundació Terra i altres

Imprès sense fotolits amb el sistema Computer toPrint. Autoedició feta en ordinadors alimentatsamb energia solar fotovoltaica. Maquetat ambAdobe Page Maker 7.0

Impressió:Romanyà-VallsImprès en paper ecològic

Dipòsit Legal: B. 2090-1975

Energia solar tèrmicaUna ombra històricaEl sol, la irradiància i la constant solarL'efecte de l'atmosfera sobre la radiacióOrientació i inclinació dels captadorsLa conversió d'energia solar en energia tèrmicaEls col·lectors de placa planaL'efecte hivernacle en un col·lectorLa selectivitat d'una superfíciePèrdues òptiquesLa termodinàmica d'un col·lectorLa corba de rendiment del col·lectorCap als col·lectors avançatsEls tubs de buitLa concentració solarLa instal·lació solar tèrmicaInstal·lacions de termosifò i de circulacióforçadaAcumuladors i bescanviadorsComprendre una instal·lació d'aigua calentasanitàriaAltres elements del circuit hidràulic i del sistemade controlComprendre una instal·lació mixtaRefrigeració solarL'estalvi energètic amb energia solar tèrmicaL'aigua calenta solar: consells útilsSegueix el SolFem un mapa d'ombresEls moviments solars en un mural. El SimusolCàlcul de l'analema solarExperimentar amb un kit solarRecursos bibliografia i internet

Desembre 2004

P E R S P E C T I V AA M B I E N T A L 32

1

AM

BIEN

TAL

* La Fundació TERRA és una entiat privada que té perobjectiu canalitzar i fomentar iniciatives queafavoreixin una implicació més gran de la societat enels temes ambientals.

Fundació TERRA*

Energia solar tèrmica

Comprendre el comportament del Solper aprofitar-ne la seva energia ens potsemblar senzill. Avui tenim tecnologiesapropiades per captar el calor idisposar d’aigua calenta sanitària,climatitzar un espai, cuinar o assecaraliments.

Els fonaments teòrics i les bases del’aplicació tecnològica de l’energiasolar aporten un oportunitat peraprendre una mica més del passeiggalàctic que fem al voltant del Sol.

Una ombra històrica

Passejant per un poble de la vall de Chistausobta trobar, entre els estrets carreronspirinencs, un edifici especialment espigat.Explica la crònica popular que lesdesavinences entre dues famílies foren lacausa de la dimensió vertical de la sorprenentconstrucció. La torre va ser projectada perdeixar a l’ombra la casa dels veïns durant elsdies d’hivern. I és que els beneficis del’energia solar captada mitjançant una arqui-tectura escaient són coneguts des dels primersdies de la humanitat.

Tot i les moltes possibilitats de l’energiasolar passiva, és a dir, la que s’empra per al’escalfament directe dels nostres habitatges,aquest quadern es dedicarà a les possibilitatsde la captació i concentració de l’escalfor del’energia solar. Ja hi ha municipis que hanadoptat mesures per fer que els habitatges denova construcció incorporin sistemes de

Colom Solar de la Pau. Picasso, 1962.

2

captació solar per estalviar energia enl’escalfament de l’aigua calenta sanitària.Tanmateix, l’energia solar continua sent forçadesconeguda. En aquest quadern s’exposenels coneixements per a comprendre diferentsinstal·lacions tipus d’energia solar tèrmicaper a aigua calenta i calefacció. Sense entraren el fons tècnic sí que volem encuriosir ellector i oferir-li una panoràmica realista iacurada de les enormes possibilitats del’energia solar tèrmica. S’ha procuratdesenvolupar els conceptes que poden ser unaeina útil per al docent que vulgui dur a termeactivitats al voltant de l’energia solar.

El Sol, la irradiància i la constantsolar

Pocs mesos després de néixer, ja ens hemacostumat a l’aclaparadora bola de foc quemarca el ritme de la vida a la Terra. Però,encara al final dels nostres dies, la immensitatde les magnituds que els científics ens do-nen referents al Sol ens superen. El Sol ésuna esfera de gasos, principalment hidrogeni heli a alta temperatura, de 1,39 x 109 m dediàmetre i situada a una distància mitjana de1.49 x 1011 m de la Terra, és a dir, a uns 8minuts de viatge a la velocitat de la llum.Vist des de la Terra, l’astre gira al voltant del

seu propi eix cada quatre setmanes. L’edatestimada de la nostra estrella és de cinc milmilions d’anys, i li queden uns vuit milmilions d’anys més de vida. La temperaturaaproximada a la fotosfera, la superfície ex-terna de l’estrella, la temperatura és d’uns6.000 ºC.

La fotosfera és, per a nosaltres, la princi-pal superfície emissora d’energia del Sol.Això fa que la radiació solar tingui fona-mentalment longituds d’ona entre 0,3 µm y4 µm, encara que també rebem petitesquantitats d’ energia en altres zones del’espectre. Les ones que porten majorquantitat d’energia del Sol tenen una longi-tud d’ona aproximada de 0,55 mm, que ge-nera en el nostre sistema òptic la visió delcolor groc. Gairebé la meitat de l’energiarebuda es troba en la franja visible del’espectre.

El nostre planeta rep del Sol una quantitatd’energia anual d’aproximadament5,4x1024J. Tot i la seva abundància,l’aprofitament de la radiació solar estàcondicionat per la seva variabilitat, degudaprincipalment a dos aspectes: les condicionsde l’atmosfera i l’angle d’incidència, quedepèn dels cicles diaris i anuals del Sol.

Per avançar en l’aprofitament solar s’handefinit les magnituds de treball que introduïm

en aquest primer bloc. Calcomençar per la irradiància:L’energia solar que rebem enun segon per metre quadrat desuperfície. La irradiància essimbolitza I

s i s’expressa en

Wm-2. Quins valorsd’irradiància són habituals enel nostre entorn?

La irradiància que rebem enla nostra teulada, finestra,col·lector solar o qualsevolaltra superfície depèn del’energia solar que arriba a la

Coordenades horàries i coordenades horitzontals. A l’àreamediterrània la radiació solar incident és d’un 1.600 kWh/m2.

Zènit Zènit

Nadir Nadir

Eix dela Terra

Eix dela Terra

3

part superior de l’atmosfera, de l’efected’aquesta i, finalment, de l’angled’incidència. L’angle d’incidència és el queformen els raigs del Sol i la línia perpendi-cular superfície receptora. Aquest angle potsemblar un concepte abstracte, però ésquotidià i definitiu en la nostra vida. Dosexemples: És tan responsable dels diferentsclimes del món com la nostra estratègia perembronzir-nos. Recordem que per «ferbronze» un migdia d’estiu és més eficaç po-sar-se de panxa enalireque dempeus. És unaqüestió d’angle d’incidència. Dempeusestant, els raigs passen pràcticament paral·lelsal nostre cos; tot i la molta energia solarrebuda al terra horitzontal, la irradiància so-bre el nostre cos vertical és molt petita. Depanxa enlaire, el nostre cos se situa en el plaon l’angle d’incidència, proper als 0º, fa quela irradiància i la captació per metre quadratde cos siguin màximes.

Si ens orientem «mirant» al Sol (angled’incidència 0º) i ens situem per sobre del’atmosfera, ens trobem amb un valord’irradiància força constant, per aixòl’anomenem la «constant solar» la qual s’haavaluat en 1.353 Wm-2.

L’efecte de l’atmosfera sobre laradiació

Que el cel habitualment és blau és una deles poques realitats compartida per tota lahumanitat. Però que el cel no és gens blaufora de la nostra atmosfera, vam trigar forçasegles a descobrir-ho. Aquest contrast, tanben recollit per les fotografies de la Terra

vista des de la Lluna, mostra que l’efecte del’atmosfera sobre la radiació solar és moltimportant.

La fràgil atmosfera terrestre estàconstituïda por gasos, núvols i partículessòlides en suspensió. Mentre la radiació so-lar travessa aquesta massa d’aire, pateixprocessos d’absorció, reflexió i refracció. Enaquest viatge, la irradiància s’atenua i el seuvalor disminueix respecte al mesurat al cimde l’atmosfera. En condicions de trans-parència òptimes, l’atenuació de la radiacióen travessar l’atmosfera és d’un 25%. Aixíla «constant solar» del cim de l’atmosfera esredueix en el nostre entorn a una irradiànciade 1.000 Wm-2, sempre en una superfície queestigui «mirant» al Sol. A més a més, de va-riar la potència rebuda, l’atmosfera tambécanvia les característiques de la radiació.Les ones electromagnètiques quecorresponen al color blau no pateixen elsmateixos processos que les que corresponenal color verd o el groc. Això explica el co-lor blau del nostre cel.

La teulada, la finestra, els captadors engeneral, poden recollir radiació de diferentsdireccions, d’una banda tenim la radiaciódirecta – els raigs arriben a superfície en ladirecció del disc solar–, d’altra la radiaciódifosa – procedeixen de la resta de direccionsdel cel. I finalment, a les components direc-ta i difosa en un captador inclinat, s’hi potafegir la radiació reflectida en altres objectespropers. Del conjunt d’energies del Sol quearriben a una superfície, en diem radiacióglobal. El percentatge en la radiació globalde l’una o de l’altra component depèn de les

Taula 1. Irradiància global i difosa en diferents condicions

Condicions meteorològiques Irradiància (W m-2) Component difosa (%)Cel clar 750 – 1000 10 – 20Parcialment ennuvolat 200 – 500 20 – 90Completament ennuvolat 50 – 150 90 – 100

4

condicions meteorològiques. Els diesennuvolats domina la radiació difosa mentreen dies clars la component directa ésmajoritària (Taula 1). Els dies sense núvolscontenen radiacions difoses petites que fanmolt agradable mirar el cel ben blau. Encanvi, els dies més desagradables són elsennuvolats, quan els nostres ulls no podenevitar alts valors de irradiància difosa enqualsevol direcció.

Com a resum d’aquest dos primers aparatspoden dir que la irradiància màxima querebrà un captador solar instal·lat a la nostrateulada són 1000 Wm-2. Això en el cas que eldia sigui net de núvols i que el captador«miri» al Sol. El moviment diürn i anual delSol fa que la irradiància de 1000 Wm-2 en elpla de captació dels col·lectors tèrmicsd’inclinació fixa només es pugui assoliralguns moments en el transcurs de l’any. Unapossibilitat interessant són els seguidors solars,gira-sols mecànics que poden moure elscol·lectors de manera que sempre mirin al Sol.

Orientació i inclinació delscaptadors

Ara ja només ens resta saber l’orientació ila inclinació idònia que ha de tenir uncaptador fix si volem aconseguir la irradiacióanual més gran possible.

L’orientació del pla de captació es deter-mina a partir de las coordenades d’un vector,perpendicular a ell. El vector queda definitper la inclinació del pla (b

c) respecte a

l’horitzontal, i l’angle azimutal (ac). Per a un

col·lector orientat al sud, el seu angleazimutal és 0º. L’angle d’incidència sobre elcaptador es calcula a partir del vector direc-tor i les coordenades del Sol (a

s,h

s) mitjançant

l’equació:cos(i) = sin (h

s) · cosβ

c +sin (h

s) · sinβ

c · cos(a

s-a

c)

D’altra banda, la irradiància rebuda sobre

un captador (Is,captador

) depèn de l’angled’incidència (i) dels raigs del Sol sobre ell,segons l’expressió:

Is,captador

= Is · cos(i)

on Is és la irradiància que arriba al pla per-

pendicular als raigs del Sol. En el cas detrobar-nos a l’exterior de l’atmosfera, aquestparàmetre seria la constant solar. En un diaclar i en superfície són els 1.000 Wm-2.

Els seguidors solars ens permeten orien-tar el pla de captació perpendicularment alsraigs del Sol, aconseguint un angled’incidència i = 0º i una irradiància màximaen tot moment del període diürn. Però lamajor part d’instal·lacions treballen ambcol·lectors fixos en orientació i inclinació perestalviar els costos d’instal·lació i mante-niment del sistema de seguiment.

La determinació de la inclinació òptimadels captadors es pot estudiar de formateòrica a partir dels treballs de Liu i Jordan.

La tecnologia dels col·lectors solars tèrmics plansha assolit un elevat grau d’eficicàcia que permet,especialment en climes assolelats com el nostre,obtenir aigua calenta sanitària amb un estalvi de

fins un 60 % de l’energia.

5

Els càlculs i l’experiència confirmen que, pera obtenir la captació màxima anual ambcaptadors fixos, és convenient situar elscol·lectors orientats al sud i amb unainclinació igual a la latitud de la localitat. Sil’aprofitament màxim és necessari a l’estiu,la inclinació s’ha de disminuir uns 15º i si, alcontrari, es requereix un disseny adequat pera l’hivern, s’ha d’augmentar en la mateixaquantitat. Les instal·lacions solars tèrmiquesdomèstiques per a aigua calenta sanitària ocalefacció interessa que tinguin la millorinclinació de cara a l’hivern. D’aquí ve quela pretensió d’aplanar els col·lectors solarsperquè no es vegin o no sobresurtin sobre elpla de la teulada és una bestiesa perquès’escalfen més a l’estiu que no pas a l’hivern,que és quan són més necessaris. Variacionsde ± 10º en la inclinació de la placa o captadorrespecte a l’angle òptim no afectennotablement el rendiment i l’energia tèrmicaútil aportada a l’equipament.

La conversió d’energia solar enenergia tèrmica

Com ja s’ha explicat, en un dia amb celclar l’energia solar que arriba a un metrequadrat perpendicular als raigs del Sol són1000 joule cada segon. Gaudim, doncs, d’unapotència solar de 1000 Wm-2. El consumd’energia per a escalfar l’aigua calentasanitària d’un habitatge amb quatre perso-nes es calcula habitualment en 5,8 kWh, uns20,9 MJ diaris. Aquesta energia arriba a lasuperfície esmentada en 5,8 h de Sol irecordem que el dia del solstici d’hivern,tenim el Sol per sobre de l’horitzó unes 8hores. Ras i curt, sembla possible escalfaramb energia solar l’aigua calenta que llencemquotidianament per l’aigüera.

Cal tecnologia d’última hora peraconseguir-ho? Quin enginy hem d’emprar?

El col·lector solar és l’enginy capaç detransformar energia que arriba en forma deradiació electromagnètica en energia tèrmicad’un fluid. El fet evident que el Sol potescalfar fluids féu que ja en el segle XIXapareguessin els primers col·lectors tèrmicscomercials i les instal·lacions d’energia so-lar tèrmica. El primer industrial que fabricàels col·lectors tèrmics en sèrie fou Clarence

Central solar térmica per aplicacionsindustrials dissenyada per Solel Solar Systems

Col·lector solar Roth pensat per a ser emprat enteulades planes. No ressalta per la seva eficiència.

6

M. Kemp, l’any 1892, a Maryland (EUA).Sembla, doncs, que la tecnologia solar és al’abast en les primeries del segle XXI.

En el col·lector més simple, cal captar laradiació solar en una placa metàl·lica que fade mitjancera, s’han de minimitzar lespèrdues de calor del metall i finalment trans-ferir l’energia al fluid que circula pelsconductes en bon contacte tèrmic amb la pla-ca. Aquest esquema és el propi del col·lectorde placa plana (cpp).

El col·lector de placa plana

El col·lector de placa plana està constituïtper la placa metàl·lica captadora,tèrmicament protegida per un aïllant i unacoberta de material transparent. Una caixarígida o carcassa dóna cos i resistènciamecànica a tot el conjunt facilitant el seuancoratge. La placa captadora es troba encontacte tèrmic amb els tubs que condueixenel fluid. Encara que hi ha diferents dissenys,l’estructura de connexió d’aquests con-ductors acostuma a ser la d’una graella onels tubs estan connectats en paral·lel a un tubde diàmetre més ample que distribueix elscabals d’entrada i un altre que recull elsfluxos de sortida. La carcassa, oberta en lapart superior, incorpora diferents tipus

d’aïllants: llana de roca, fibra de vidre, etc.La coberta de la caixa és de vidre temprat de4 mm, prou transparent a la radiació solar, iopaca a la radiació infraroja tèrmica.

Aquest disseny de col·lector de placa pla-na amb detalls acurats és suficient perescalfar aigua fins a 70ºC. Els cpp aprofitentant la radiació directa com difosa en totl’espectre solar i el seu manteniment ésmínim.

Entre els captadors tèrmics existeixenimportants variacions respecte a la descripcióanterior, des dels captadors sense coberta alsmés eficients de tubs de buit. Així trobem almercat col·lectors que en unes condicionsambientals determinades ens escalfen aiguaque entra a 50ºC fins a 60ºC, altres només a55ºC o, fins i tot, dispositius on l’aigua queentra a 50ºC es refreda i en surt a 45ºC. Siféssim un símil amb un bol amb aigua, seriacom tenir bols de metall, bols de fusta i bolsde fibra de vidre. Cada un d’ells ens donariauna temperatura màxima de l’aigua diferent.

Tot i que sobti, cada tipus de col·lector téles seves aplicacions, però, es clar, cal saberquin triar en cada cas. Un bon col·lector noés simplement el que dóna millor rendiment.Cal trobar l’equilibri entre el rendiment(percentatge de radiació solar que transfor-ma en energia tèrmica del fluid) i el preu per

l’aplicació i temperatura detreball desitjada. Per exemple, pera escalfar aigua per a piscines(35ºC) es poden utilitzarcol·lectors senzills de polipropilèo cautxú sense coberta, mentreque per a la producció derefrigeració a partir d’energia so-lar tèrmica (90ºC) pot conveniremprar col·lectors de tubs de buitamb aïllaments avançats.Naturalment, els rendiments a90ºC són molt diferents peròpotser a 35ºC el col·lector deEsquema d’un col·lector de placa plana

7

piscines, molt més econòmic, dónarendiments propers al de tubs de buit. Fentun símil automobilístic, em convé invertir enun cotxe de gamma alta i tecnologia puntaper recollir els nens a l’escola quan hi puc

anar a peu? Més encara, veurem que enl’aplicació a piscines el col·lector de propilèem donarà més bon rendiment que el detecnologia avançada. Podem aquí també apli-car l’exemple automobilístic?

L’objectiu general dels fabricants decol·lectors ha estat aconseguir millorsrendiments a temperatures cada cop méselevades sense encarir excessivament elproducte. Quins camins han seguit peraconseguir-ho?

L’efecte hivernacle en un col·lector

Estem acostumats a sentir parlar del’efecte hivernacle que provoca l’atmosferaelevant la temperatura mitjana del nostre pla-neta i fent possible la vida tal i com laconeixem. Aquest efecte es fonamenta en latransparència relativa de l’atmosfera a laradiació solar i l’opacitat a la radiació enl’infraroig tèrmic que emeten els cossos atemperatura ambient. Tots els cossos emetenones energia en forma d’ones electromag-nètiques, les característiques d’aquestes onesdepenen de la temperatura del cos. Bona partde les emeses pel Sol són ones visibles, però

Col·lector GranSol, que aporta aigua atemperatures de 25 a 50 ºC durant les hores deldia, i la conserva de 2 a 6 hores després de laposta del sol sense necessitat de manteniment.

Les ombres són la principal amenaça per al rendiment d’una instal·lació solar tèrmica.

8

les dels elements a temperatura ambient se’ndiuen infraroges i no les capten els nostres ulls.

Sense atmosfera, les pèrdues d’energia perradiació cap a l’exterior igualarien lesentrades d’energia solar a una temperaturad’equilibri molt per sota dels 0ºC. L’avidesadels gasos atmosfèrics per la radiacióinfraroja fa que no s’assoleixin les mateixespèrdues fins que la temperatura mitjana delconjunt Terra - Atmosfera no hagi pujat a uns15ºC. En un símil quotidià, l’atmosfera actuacom la tapadora d’una olla a pressió, el seuefecte és notable en elevar la pressió i la tem-peratura dins el recipient

Aquest beneficiós efecte hivernacles’incrementa perillosament si els gasos queel provoquen augmenten la seva presència al’atmosfera. Per evitar emissions de CO

2 i

així incrementar l’efecte hivernacle, fem úsdel mateix fenomen físic a una escala méspetita, la del col·lector de placa plana.

El col·lector sense coberta té unes pèrduesde calor per convecció i radiació tanimportants que les temperatures que potassolir l’aigua que hi circula difícilment arri-ben als 40ºC. Si el captador disposa decoberta, habitualment vidre de 4 mm, aquestmaterial deixa passar la radiació solar peròabsorbeix les emissions infraroges de la pla-ca calenta, genera l’efecte hivernacle en elcol·lector, i així redueix pèrdues d’energia iaugmenta la temperatura de treball. Podem

reforçar l’efecte hivernacle augmentant elgruix del vidre a 6 mm o emprant altresmaterials.

La coberta del col·lector redueix pèrduestèrmiques per convecció i radiació, però acausa de la seva transmissivitat per sota del100% limita també l’energia solar que arri-ba a la placa captadora, provocant pèrduesòptiques. La coberta reflecteix i absorbeixuna part de la radiació solar que ja no entraràen la caixa del col·lector.

Així podem afirmar que el planeta Terraés un immens col·lector tèrmic, on lasuperfície de captació és la biosfera,l’atmosfera hi fa el paper de la coberta il’energia tèrmica útil captada es transformaen vida. El gruix de la coberta del col·lectorTerra pot augmentar en modificar-se lacomposició de l’atmosfera.

La selectivitat d’una superfície

Una reducció de les pèrdues per emissiódel col·lector podria oferir avantatjososresultats. Amb aquesta intenció s’handesenvolupat les superfícies selectives. Laselectivitat, aplicada a la radiació electro-magnètica, consisteix a fer diferències entreunes i altres ones. Una superfície que no ésselectiva tracta per igual totes les radiacions.El percentatge de captació de la radiació so-lar s’anomena absortivitat. Una superfície

Taula 2. Transmissivitat de materials emprats en les cobertes.

Material Gruix (mm) Tmax de treball (ºC) τττττ

vidre 4 210 0,90vidre temprat 4 290 0,90metilmetacrilat(plexiglàs) 3 90 0,89policarbonat (lexaán) 3 125 0,81polivinil fluorat (tedlar) 0,10 110 0,85politetrafluoretilè 0,06 210 0,85polietilè 0,05 65 0,90

9

és selectiva quan té diferents absortivitats pera unes i altres ones. Una segona propietatòptica important és l’emissivitat: elpercentatge d’energia que emet un cos res-pecte al que emetria un «cos negre» a lamateixa temperatura. La superfície ideal perl’energia solar tindrà una emissivitat zero,és a dir, no emet energia electromagnèticaen l’infraroig tèrmic. En no haver-hi emis-sions, s’haurà eliminat qualsevol pèrduad’energia per radiació infraroja.

Més bona seria encara una superfície ambabsortivitat de la radiació solar alta iemissivitat en l’infraroig tèrmic baixa. Latecnologia solar ha desenvolupat els seusmètodes per a aconseguir superfícies ambaquestes propietats òptiques. Avui en diaexisteix un ampli ventall de possibilitats perdotar de selectivitat a una superfície. La taulaen dóna alguns exemples. Bona part delscol·lectors comercials de placa plana queutilitzem fan ús de la selectivitat de lasuperfície combinada amb l’efectehivernacle.

Pèrdues òptiques

Un col·lector tèrmic aprofita per iguall’energia que li arriba a qualsevol hora del dia?

Per a donar respostes a aquestes pregun-tes combinarem dos conceptes d’apartatsanteriors: 1) l’efecte hivernacle procurat peruna coberta comporta unes pèrdues per latransmissivitat d’aquesta, que mai pot serperfectament transparent a la radiació solar,2) l’absortivitat de la superfície captadoratampoc és del 100%, una petita part del’energia que arriba a la placa s’hi reflecteixsense escalfar-la.

Aquestes pèrdues, per simplicitat,s’agrupen en un factor anomenat (τα), elproducte de la transmissivitat de la coberta(τ) i l’absortivitat de la placa (α). El producte(τα) depèn dels materials i de l’angled’incidència.

Un col·lector tèrmic fix no aprofita en lamateixa proporció els 300 Wm-2 que li arri-ben a primera hora del dia que els 600 Wm-2

rebuts al migdia. En el col·lector, orientat alsud, a les primeres hores del dia, l’angled’incidència supera els 60º i les pèrduesòptiques són molt grans. L’energia disponi-ble a la placa captadora serà pràcticamentnul·la.

La correcte inclinació dels col·lectors o panells solars és molt important per aprofitar el calor solar enels moments de mínima insolació. Per això, la col·locació dels col·lectors de la foto de l’esquerra

tindran un rendiment molt inferior que no pas els de la dreta. Malauradament, els criteris estètics nopoden prevaldre davant dels d’ eficiència en una instal·lació solar.

10

La termodinàmica d’un col·lector

Ens pot semblar que el col·lector tèrmicés un dispositiu ben senzill i fàcil d’estudiar,tanmateix són nombrosos els diferentsprocessos de bescanvi d’energia que s’hiprodueixen en un instant determinat.

Tot i que l’enginy solar no té parts mòbils,es troba en canvi continu, no opera ni dueshores seguides en les mateixes condicions.Podem estar acostumats a treballar ambmàquines força més complexes, però quesovint funcionen en condicions nominals, ésa dir, en unes condicions constants per a lesquals han estat projectades. El col·lector so-lar ha de treballar bé en condicionsdinàmiques perquè tant les condicionsambientals com la temperatura d’entrada del’aigua evolucionen, no romanen mai gairetemps constants. Per tant, l’esquema delbalanç d’energies de la figura anterior ésnomés una fotografia instantània.

Amb aquesta perspectiva, si volem ava-luar la producció d’un col·lector durant unany per saber quants instal·lar-ne, com fer-ho?

Començarem simplificant la qüestió iparlarem del balanç d’energia instantani.Quina serà l’energia que es pot obtenir delcol·lector en el moment de la fotografia an-terior?

Ens pot ajudar l’expressió:

Qu = A

c [ I

s,u – U

L (T

c – T

a)]

on Qu és la quantitat d’energia útil extreta

per unitat de temps (W), Is,u

és la irradiànciasolar útil (W), A

c és la superfície del captador

(m2), UL és el coeficient global de pèrdues

del captador (Wm-2 ºC), Ta és la temperatura

ambient (ºC), Tc es la temperatura mitjana en

la superfície del col·lector (ºC)La irradiància solar útil expressa que de

l’energia que arriba al captador, a causa de

les pèrdues òptiques, només una part resultaútil en ésser transformada en energia tèrmicadel col·lector. El coeficient global de pèrduesU

L simplifica tots els processos relacionats

amb les pèrdues d’energia relacionant-losamb la diferència de temperatura entre elcaptador i l’ambient al seu entorn. La relacióanterior es fa difícil d’aplicar a l’hora deprojectar una instal·lació solar, perquè al’hora de avaluar l’escalfament de l’aigua,quina és la temperatura del col·lector T

c a

emprar? Quina relació hi ha entre lestemperatures del fluid i la placa captadora?La resposta ens endinsa una mica més en latermodinàmica del col·lector.

La corba de rendiment del col·lector

Un col·lector tèrmic, com altresbescanviadors de calor convencionals, té unaeficiència determinada pel quocient entre latransferència d’energia real i la màximapossible. Aquest s’anomena factord’extracció de calor F

R, una magnitud que

relaciona l’energia tèrmica extreta pel fluidamb l’energia útil captada a la placa si totaella es mantingués a la temperatura d’entradadel fluid.

Els captadors solars proporcionen unrendiment màxim. també anomenat factord’eficàcia quan la temperatura entre ambienti la temperatura d’entrada del fluid és nul·la(en aquest cas es minimitzen les pèrdues al’exterior i s’obté un rendiment màxim. Enel cas oposat és en aquell en el qual lespèrdues de calor degudes a la diferència detemperatures entre l’ambient i l’entrada igua-len l’aportació solar, la qual cosa produeixun rendiment del captador nul. Un captadorserà millor com més elevat sigui el seu fac-tor d’eficàcia i més petit sigui el pendent dela seva corba de rendiment.

La corba de rendiment es determina enl’homologació dels col·lectors en condicions

11

ExempleTenim un col·lector amb un factor d’extracció de calor F

R = 0,8, un coeficient global de pèrdues U

L

= 8,0 W m-2 ºC-1 i dimensions 1 m x 2 m. Si la temperatura d’entrada de l’ aigua al col·lector romanconstant a 40ºC amb un cabal de 0,03 kg s-1, calculem utilitzant les dades de la taula (a) l’energia il’eficiència diàries i (b) la temperatura de sortida del fluid i la temperatura mitjana de la placa absorbent.

L’energia guanyada per metre quadrat de col·lector és 8,92 MJ m-2. En un col·lector de 2 m2 tindremun guany de 17,83 MJ, pràcticament suficient per a abastir d’aigua calenta sanitària una família dequatre persones.Considerant el guany per metre quadrat i la irradiació incident, l’eficiència és h = 8,92 / 19,79 = 0,45.Diferents conclusions d’aquest exemple són generalitzables per als col·lectors de placa plana senzills:

• Durant algunes hores del dia les pèrdues òptiques i tèrmiques són tan importants que no tenimguany d’energia en la instal·lació solar. Per això es fa necessari un dipòsit d’acumulació, per cobrirla demanda en aquests moments i un sistema de control perquè en aquestes hores no circuli el fluidpel col·lector. El líquid únicament aconseguiria dissipar energia del sistema de emmagatzematgetèrmic.

• Els salts tèrmics del fluid en el col·lector (diferència entre la temperatura d’entrada i sortida) nosón molt elevats, poques vegades superen els 10ºC.

• L’eficiència mitjana diària se situa al voltant del 45%. Per tant, les pèrdues òptiques i tèrmiquessuposen el 55%.

L’equació de rendiment instantani s’utilitza en programes de simulació de la instal·lació per a ava-luar la producció anual. Avui en dia, alguns programes comercials com TRNSOL ens permetendimensionar la instal·lació solar tèrmica mitjançant la simulació dinàmica dels diferents componentsde la instal·lació. En cas de no disposar d’aquestes eines informàtiques per a moltes instal·lacionscomunes, es pot realitzar un dimensionat aproximat utilitzant un mètode simplificat conegut commètode de les corbes- f (Beckman 1982).

Hora 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Dia

Ta (ºC) -1 2 8 12 12 16 17 18 19 17

Is (MJm-2) 0,02 0,43 0,99 3,92 3,36 4,01 3,84 1,96 1,21 0,05 19,79

(ta)Is(MJm-2) - 0,35 0,82 3,29 2,84 3,39 3,21 1,63 0,99 - 16,52

(a) Energia i eficiènciaHora 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Dia

UL(T

ent-T

a) (MJ m-2) - 1,09 0,92 0,81 0,81 0,69 0,66 0,63 0,60 -

Qu (MJ m-2) - - - 1,99 1,63 2,16 2,04 0,80 0,31 - 8,92

η - - - 0,51 0,48 0,54 0,53 0,41 0,25 -

(b) Temperatura de sortida del fluid i en la placa

Hora 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Dia

Tsor

(ºC) - - - 48,8 47,2 49,6 49,0 43,5 41,4 -T

c (ºC) - - - 57,6 54,4 59,1 58,0 47,0 42,7 -

12

estacionàries, mantenint constantla irradiància solar i els raigsperpendiculars al col·lector, lavelocitat del vent i les tem-peratures ambient i d’entrada delfluid, durant un període de tempsen el que la temperatura de sortidadel fluid i la calor extreta novarien apreciablement.

A Internet es poden obtenir lescorbes dels col·lectors mésemprats en l’espai europeu,accedint a la base de dades delSolar-technik Prüfung Furschungdisponible a:www.solarenergy.ch.

A Europa, habitualment, es re-presenta el rendiment d’uncol·lector tèrmic en funció del’increment entre la temperaturamitja del fluid i la temperaturaambient:

Cap als col·lectorsavançats

A partir de la secció anterior es fàcilentendre que els col·lectors es podenclassificar segons els paràmetres de la sevarecta de rendiment, F

RU

L i F

R(τα)

n. A més,

aquests paràmetres, en determinar elrendiment, donen l’interval de temperaturesde treball adequat de cada captador.

Habitualment les normatives es refereixena aquests valors en el moment de definir elstipus de col·lectors utilitzables en cadaactivitat. Per exemple, a per les instal·lacionsdestinades exclusivament a produir aiguacalenta sanitària, calefacció per a terra radianti altres usos amb temperatures de treball amenys de 45ºC es poden emprar col·lectorsamb un coeficient global de pèrdues entre 4i 9 (W ºC-1m-2).

Per a millorar el rendiment i la temperatu-ra de treball dels col·lectors s’han

desenvolupat productes que proposendiferents possibilitats. Les alternatives per al’obtenció de fluids amb una temperatura persobre dels 80ºC sense seguiment esclassifiquen en tres grups:• Col·lectors de placa plana amb superfíciesselectives en l’absorbent i material aïllanttransparent en la coberta.• Col·lectors de placa plana evacuats.• Col·lectors de tubs de buit.

Trobem una gran diversitat i sofisticacióde dissenys que arriben a combinar lestecnologies anteriors: superfícies selectives,buit relatiu i petita superfície de captació fentús d’elements per a la baixa concentració.

Els tubs de buit

Els col·lectors de tubs de buit tenen com acomponent bàsic un doble tub cilíndric devidre. Un dels tubs de vidre pot actuar com a

Corba de rendiment d’un captador solar.

13

superfície captadora i l’altre com a coberta.L’aire que entra als tubs és parcialmentevacuat. Els col·lectors de tubs habitualmentincorporen un absorbidor selectiu d’alt nivell,per exemple els cermets de Mo-Al

2 O

3.

Els col·lectors de tubs troben la sevaaplicació principal en els sistemes de tempe-ratura mitjana i en llocs freds. El seu reduïtcoeficient de pèrdues els fa especialmentaptes per a l’aprofitament de la radiaciódifosa, mantenint un rendiment acceptablequan el Sol està baix o el temps és fred i elcel parcialment cobert de núvols.

El buit, a la vegada que redueix lespèrdues, també minimitza la influència de lescondicions climàtiques (condensació,humitat, etc.) sobre els materials emprats,millorant la durabilitat i el rendiment globaldel sistema. Amb l’aplicació d’un buit«lleuger», al voltant de 0,001 atm., es potaconseguir, essencialment, l’eliminació deles pèrdues per convecció; mentre que ésnecessari un buit «fort», inferior a 10-6 atm(<0,1 Pa), si es volen eliminar també lespèrdues per conducció.

Pel fet que la pressió atmosfèrica produeixforces molt grans sobre la superfície de lacoberta i pels problemes tècnics relacionatsamb el segellat de la carcassa del col·lector,la construcció d’un col·lector de buit amb laforma convencional de placa plana és forçacomplicat. Però la tècnica de buit empradapels fabricants de tubs fluorescents, entrealtres, s’ha desenvolupat fins al punt de ferrendible la producció massiva i la comer-cialització dels seus equips. L’aplicaciód’aquesta tecnologia ha fet possible laconstrucció dels col·lectors solars de buit quees comercialitzen en l’actualitat i elmanteniment del seu alt buit (similar al deles làmpades o els tubs de TV).

Els tubs de buit s’han adaptat perfectamental funcionament amb alguns dels dissenys debaixa concentració. La forma cilíndrica delstubs ofereix, a més, els avantatges següentsen aquests col·lectors respecte als de placaplana:

• Permet una incidència sempre en anglesrectes dels raigs del Sol respecte a la

superfície, minimitzant lespèrdues per reflexió.• Facilita una homogeneïtaten la radiació incident sobrel’absorbent, que resulta perals tubs pràcticament constantdes de mig matí fins a mitjatarda.

Hi ha dos tipus bàsics decol·lectors tubulars de buit.Segons el mètode emprat peral bescanvi de calor entre laplaca i el fluid: de flux directei amb tub de calor. Aquestsegon consisteix en un tubcilíndric no massís tancat pelsdos extrems, sotmès a buit iamb una petita quantitat defluid en el seu interior. Quans’escalfa la part del tub ocu-

Instal·lació solar tèrmica feta amb tubs de buid que permetenaprofitar l’escassesa de radiació amb uns rendiments més òptims

que no pas els tradicionals col·lectors plans.

14

pada pel fluid, aquest s’evapora absorbint lacalor latent de vaporització. Aquest vapor esdesplaça fins la zona del tub a menor tempe-ratura, allí es produeix la condensació il’alliberament del calor latent. El líquid re-torna per capil·laritat o gravetat, i el cicleevaporació – condensació es reinicia. Els tubsde calor són considerats com «super-conductors» de l’energia tèrmica calor, a cau-sa de la seva baixa capacitat calorífica i a laseva excepcional conductivitat (milers devegades superior a la del millor conductorsòlid de la mateixa grandària).

La concentració solar

Hi ha moltes aplicacions, sobretot en elcamp industrial, on es demanda energiaalliberada a altes temperatures. Això no espot aconseguir amb els col·lectors solarsplans. Per obtenir temperatures per sobre dels100 °C cal incrementar la intensitat del’energia solar mitjançant la concentració dela radiació. En l’absorbidor, hi podem tenirdensitats d’energia que van des d’1,5 finsmilers de vegades la radiació solar que arri-ba al sistema òptic de concentració.

Encara que els col·lectors amb concen-tració ofereixen altes temperatures d’ope-ració, comparats amb els col·lectors solarsplans presenten diversos problemesd’enginyeria. La majoria s’han d’orientarcontínuament al Sol de manera precisa,aprofitant únicament la radiació solar direc-

ta. Per altra banda, les superfícies del siste-ma òptic han de mantenir les seves propietatsdurant llargs períodes sense deteriorament acausa de la pols, la pluja i els componentsoxidants i corrosius ambientals. També elsrequeriments dels materials emprats en elsreceptors (aïllant tèrmic, fluid de treball, tubsabsorbidors i cobertes) són més grans a cau-sa de les altes temperatures a les què es po-den veure sotmesos.

Els dispositius de concentració mésemprats en els sistemes tèrmics són els CPC

Tipus de col·lectors i algunes de les seves característiques

Ttreball

(ºC) FR(τα)

nU

L (W ºC-1m-2)

Sense coberta ni aïllament 10 - 40 0,85 - 0,90 15 - 25Coberta simple 10 - 60 0,75 - 0,85 7 - 9Coberta doble 10 - 80 0,65 - 0,80 4 - 6Superfície selectiva 10 - 80 0,75 - 0,85 5 - 6Tubs de buit 10 - 130 0,65 - 0,75 2 - 3

Els tubs de buid transfereixen l’energia desde deltub de vidre a un abosrvent de coure situat dins.

15

Classificació dels concentradors

Flux (Sols) Condició Aplicacions

1-2 Estàtics CPC Calefacció i refrigeració2-10 QuasiestàticsCPC, CCP Generació de potència, calefacció i refrigeració10-102 Seguiment 1 eix CCP Generació de potència102-104 Seguiment 2 eixos CDP Generació de potència104-105 Heliòstats Generació de potència

Torre Central, Forn Solar Materials, làsers

La instal·lació solar tèrmica

El funcionament d’una instal·lació declimatització amb energia solar és, en certamesura, comparable al d’un arbre: la radiaciósolar és la causa última de la vitalitat del sis-tema, però l’activitat depèn definitivamentd’altres elements i de la seva interrelació. Pera obtenir aigua calenta solar destinada a aiguacalenta sanitària (A.C.S.) o climatització sónimprescindibles: dipòsits d’acumulaciód’energia tèrmica, bescanviadors, bombeshidràuliques, vàlvules i tubs, sondes de tem-peratura, etc. En general, els components queformen una instal·lació solar tèrmica són:

• els col·lectors• els acumuladors i bescanviadors• els circuits hidràulics• el sistema de control• la font de suport d’energia auxiliar

En l’esquema bàsic d’una instal·lació tí-pica hi distingim dos circuits hidràulics. Elque en diem circuit primari, responsable deportar l’energia tèrmica dels col·lectors altanc d’aigua, i el secundari, que distribueixaquesta energia des de l’acumulació al llocde consum. La distribució de l’energiatèrmica als consums és igual en la instal·laciósolar i en la convencional. És a dir, s’hand’incloure elements com vasos d’expansió,per preveure l’efecte de dilatació de l’aigua

(Concentrador Parabòlic Compost), els cilin-dre-parabòlics CCP i els anomenats de torrecentral. Els dos últims tipus s’apliquen a lesplantes de generació termosolar on esprodueix energia elèctrica turbinant fluids aalta temperatura. Un exposició força mésdetallada sobre els sistemes de concentraciósolar la trobareu a IBÁÑEZ ET AL. (2004). Acontinuació es presenta la taula resum de lestecnologies existents i les seves aplicacions.

Indicadors de temperatura per conèixer l’energiadel col·lector i de l’acumulador.

16

o sobrepressions dins dels circuits, purgadors,per eliminar l’aire contingut en les canonades(sobre tot en els punts alts) i vàlvules, deregulació de cabal i de seguretat. S’ha detenir, en tot cas, especial cura en el dissenyde les canonades, per tal de minimitzar lespèrdues energètiques: limitar-ne la longitud,aïllar-les, preveure juntes de dilatació, etc.En les instal·lacions d’A.C.S. és aconsellableincorporar circuits de retorn de l’aiguacalenta, ja que representen un estalvi d’aiguai energia en facilitar aigua calenta immediataen obrir l’aixeta en el punt de consum.

Gairebé totes les instal·lacions d’energiasolar tèrmica necessiten un sistema de suportenergètic convencional, sent les caracte-rístiques de la demanda les que determinenel tipus idoni a utilitzar. En tots els casos ésnecessària la incorporació d’un sistema decontrol adequat que gestioni correctament lainstal·lació i minimitzi l’aportació del siste-ma de suport. És recomanable que els equipsde control siguin senzills, amb un graud’automatització suficient per evitar lasupervisió constant de l’usuari. Les sondesde temperatura a l’acumulador i a la sortida

dels captadors són indispensables per posaren marxa les bombes de circulació del fluidcaloportador i per activar el subministramentenergètic de suport en cas necessari. Elsequips més sofisticats donen informació so-bre l’estat general de la instal·lació, es potgestionar el seu funcionament a distància isón capaços d’alertar sobre possiblesproblemes de sobreescalfament, pèrdues, etc.

La complexitat de la instal·lació, tot i noser comparable a la d’un ésser viu com unarbre, és inqüestionable i el seu correctefuncionament depèn d’un savi equilibri en-tre la superfície de captació, els cabals delsfluids en els diferents circuits, el volum deldipòsit d’emmagatzematge i el bon controldels elements. Tot plegat per donar la millorresposta als consums en funció de lairradiació disponible, la temperatura ambienti la temperatura d’aigua de la xarxa.

Instal.lacions de termosifó i decirculació forçada

Les instal·lacions de circulació naturals’anomenen circuits per termosifó perquè lacirculació de l’aigua entre el col·lector i el

Muntatge manual de captadors solars en un curs de formació bàsica sobre energia solar tèrmicaorganitzat per Greenpeace i impartit per Intiam Ruai. A la imatge de l’esquerra podem observar la

imprimació de pintura negre per absorvir el calor de l’absorvent de coure i a la dreta la col·locació delvidre o coberta transparent que facilitarà l’efecte hivernacle per reduir les pèrdues tèrmiques.

17

dipòsit es realitza mitjançant convecció na-tural. L’aigua calenta, de baixa densitat, esdesplaça cap a la part alta del circuit, on essitua l’acumulador, i l’aigua freda, amb mésdensitat, es mou cap a la part baixa del siste-ma, on s’ha instal·lat el col·lector.

En el muntatge de la figura 2, quan elsraigs del Sol incideixen sobre el captador,l’aigua s’escalfa i circula per termosifó capa l’acumulador. El moviment es mantésempre que hi hagi prou radiació permantenir el gradient de temperatures entreles dues zones.

En tots els circuits per termosifó lespèrdues de càrrega per fregament en lesconduccions d’aigua s’han de minimitzar perafavorir el flux d’aigua. Això implica que elstubs que formen la graella del col·lectorrequereixen un diàmetre de 22 mm interiorper als tubs principals i 12 mm per alsprimaris que, preferentment, han de situar-se en posició vertical.

En el termosifó amb circuit directe, lamateixa aigua de consum és la que circulaper l’interior del captador, de forma quemillorem l’intercanvi tèrmic entre lasuperfície absorbent i el líquid, augmentant

l’eficiència global del sistema. Aquest esque-ma directe té importants inconvenients. Enllocs afectats per gelades, el col·lector had’incorporar un sistema actiu o passiu deprotecció contra gelades. Per altra banda,elements del circuit hidràulic es poden veureafectats negativament per dipòsits de calç.

Els equips de termosifó amb doble circuittenen un bescanviador tèrmic en l’interior del’acumulador de forma que no és l’aigua deconsum la que circula pels col·lectors sinó,que la tenim en un circuit secundari. Aquestadisposició resol els problemes plantejats pelscircuits oberts, però suposa una pèrdua derendiment a causa de la utilització d’un noubescanviador. Obliga també a incloure en elcircuit primari un petit vas d’expansió, sovintja incorporat en la pròpia instal·laciócomercialitzada. En les instal·lacions pertermosifó no hi ha control actiu de lainstal·lació ni consum elèctric en bombes decirculació.

Tot i que els termosifons tenen les sevesaplicacions en la major part d’instal·lacionssolars tèrmiques, el fluid circula pelscol·lectors impulsat per un electrocirculadoro bomba elèctrica. Així es fa imprescindibleun control diferencial de temperatures quenomés activa l’electrocirculador quan lacirculació de l’aigua pels col·lectors ha deproporcionar un guany d’energia. Lacirculació d’aigua pel captador durant la nito en altres hores desfavorables refredarial’aigua del dipòsit escampant l’energiatèrmica que hem emmagatzemat en les boneshores de radiació. En la instal·lació decirculació forçada més habitual s’utilitzadoble circuit amb bescanviador ja sigui enl’interior de l’acumulador o en l’exterior.Aquest senzill esquema permet, per la sevaversatilitat, la utilització d’una gran varietatd’acumuladors i captadors.

En sistemes de circulació forçada, lespèrdues de càrrega no són un factor tan

Captador solar termosifònic domèstic. A l’Estatespanyol només hi ha 7 m2 de captadors per cada

1.000 habitants. La mitjana de la UE és de 34.

18

limitant, encara que s’han de quantificar ambcura per a l’elecció de la bomba utilitzada.En aquests circuits tenim àmplia llibertat enl’elecció del cabal de treball que hauria deser proper als 50 L/h per metre quadrat decol·lector instal·lat.

Acumuladors i bescanviadors

L’acumulador és l’element de lainstal·lació on s’emmagatzema l’energiatèrmica produïda al camp de col·lectors enforma de fluid calent. Aquesta acumulacióés imprescindible perquè, donada lavariabilitat de la radiació solar, la demandad’ energia pot no coincidir temporalment ambla producció. Cal un element capaç de dife-rir en el temps la producció per abastar lademanda en moments de poca o nul·lairradiància.

Substàncies per a emmagatzemar energiatèrmica

Al igual que en el món dels col·lectors, hiha gran diversitat de tecnologiesd’emmagatzematge d’energia tèrmica. Els

diferents tipus es poden agrupar d’una for-ma molt bàsica en emmagatzematge per: ca-lor sensible, calor latent i calor de reacció.

Es denomina emmagatzematge per calorsensible aquell en què s’aprofita la capacitatcalorífica d’una substància sòlida, líquida ogasosa que augmenta la seva temperatura.Aquest sistema, que utilitza l’aigua com amaterial actiu, és el més estès, tot i que tambés’han emprat peces de ferro, d’alumini, deroca i de formigó. Per als sistemes d’aiguacalenta sanitària, habitualment s’utilitzenacumuladors per calor sensible que emprenla mateixa aigua de consum com a elementactiu. Aquesta opció és barata i fàcil deimplementar, ja que l’aigua té una elevadacapacitat calorífica i elimina la necessitat debescanviador en el circuit secundari.

L’emmagatzematge per calor latent utilitzacom a element actiu la calor latent de canvide fase d’una substància. Són els anomenatsmaterials de canvi de fase (abreujadament del’anglès PCM). El PCM més tradicionalmentemprat per emmagatzemar energia tèrmicaha estat el gel, tot i que en aquest casl’objectiu no era emmagatzemar calor sinófred. Arreu del nostre país trobem pous degel on es produïa aquest a l’hivern per serconsumit a l’estiu. Degut a l’energia de canvide fase, de sòlid a líquid, el gel pot emmagat-zemar una quantitat de fred important en unvolum relativament petit. Actualment, elsprojectes d’estalvi d’energia, que utilitzenmaterials de canvi de fase, en què es guardafred de l’hivern per refrigerar a l’estiu, o ca-lor de l’estiu per escalfar els espais a l’hivern,són nombrosos. Hi ha una àmplia llista dematerials de canvi de fase. Entre els méscomuns tenim l’aigua, les sals hidratades iles parafines. Aquestes últimes cobreixenpràcticament tot el ventall de temperatures.

Els acumuladors que fan ús del calor dereacció no són actualment emprats en lesinstal·lacions solars habituals.

Detall d’un acumulador amb el manòmetre i elvas d’expansió.

19

Materials i geometria de construcció delsacumuladors

Tenim en el mercat una infinitat dedissenys d’acumuladors d’aigua ja siguinamb bescanviadors interns (serpentí i dobleenvolvent) o externs. Els materials que s’usennormalment són: l’acer, l’acer inoxidable ila fibra de vidre reforçada.

L’acer, que és el material més emprat pelseu baix cost, necessita protecció contra lacorrosió. Els sistemes de protecció utilitzatssón els recobriments plàstics a base depintures epoxídiques i bituminoses, elvitrificat, la protecció galvànica directa coml’ànode de sacrifici de magnesi o elgalvanitzat en calent. Els materials plàstics,com el polipropilè i la fibra de vidre addi-tivada i reforçada, es presenten actualmentcom una alternativa molt competitiva respec-ta als altres materials. Són econòmics,resistents a la corrosió i lleugers, encara quepateixen deformacions a temperatureslleugerament superiors a les de servei.

La forma dels dipòsits acumuladors haestat un element força desenvolupat ja quees tracta d’aprofitar al màxim l’estratificaciótèrmica del fluid dins el dipòsit per augmentarl’eficiència global de la instal·lació.L’estratificació és el procés natural en el qual

l’aigua més freda i de més densitat tendeix aocupar l’espai inferior de l’acumulador il’aigua més escalfada i lleugera resta en lapart superior. Es forma un gradient detemperatures dins el dipòsit degut a lesdiferències de densitat del fluid.

Amb una bona estratificació aconseguimque la temperatura de l’aigua en la part mésbaixa del dipòsit sigui inferior a la queassoliríem en un altre dipòsit d’idèntiquescaracterístiques, però amb una temperaturadel fluid interior uniforme. Així, la tempera-tura del fluid a la sortida de l’acumulador capal col·lector és inferior i augmenta l’efi-ciència en la captació solar, degut al fet que,en les mateixes condicions ambientals,recollim més energia del col·lector quanl’aigua que hi fem circular és més freda. Peraugmentar l’estratificació del fluid s’utilitzendipòsits amb una alçada major que l’amplada,broquets difusors del cabal d’entrada ipantalles interiors de confinament del fluxper evitar la barreja dels diferents nivellsestratificats.

Bescanviadors

El bescanviador de calor és l’element dela instal·lació que transfereix la calor gene-rada pels captadors solars a l’aigua del

dipòsit. Això ho fa de forma que nohi hagi barreja entre l’aigua sanitàriade consum i el fluid primari calopor-tador. Les principals avantatges queaporta el bescanviador és que permetque el circuit primari treballi a unapressió adequada per al captador, amés de permetre incorporar-li unlíquid anticongelant que protegeixi elcaptador de les glaçades i de l’efectede la calç. Així, doncs, la transmissiód’energia es fa en l’anomenatbescanvi líquid-líquid.

Aquests dispositius produeixenAcumuladors d’uns instal·lació solar amb sistema

auxiliar d’energia.

20

Esquema principi sistema per a poliseportius(Font: Sistemes Avançats d’Energia Solar

Tèrmica)

Esquema principi sistema per a habitatgeunifamiliar poliseportius (Font: Sistemes

Avançats d’Energia Solar Tèrmica)

Comprendre una instal·laciód’aigua calenta sanitària

La morfologia de les instal·lacions so-lar per a aigua calentasanitària és força variada. Atall d’exemple presentemalguns casos il·lustratius.

Aigua calenta sanitària pera hotels. Connexió directa

Un sistema de producciód’ACS centralitzada mitjan-

çant un acumulador solar escalfat pel campde col·lectors mitjançant un bescanviador decalor exterior, i un acumulador auxiliarconnectat directament al sistema solar,

incorporant, en la part baixa, un serpentíconnectat a una caldera auxiliar. El servei esduu a terme mitjançant una recirculaciócontínua de l’ACS, en què-se la barreja pertemperatura de servei es fa a l’entrada de cadausuari.

Aigua calenta sanitària per a edificismultihabitatge

L’exemple és un sistema de producciód’ACS descentralitzada mitjançant un acu-mulador individual instal·lat a cada habitatge,escalfat pel camp de col·lectors mitjançantun serpentí interior i alimentat per un circuitde recirculació directe des dels camp decol·lectors. Cada habitatge compta tambéamb un sistema auxiliar que pot ser una cal-dera en sèrie o una resistència elèctricaimmersa en l’acumulador, així com unabarrejadora a servei.

21

Esquema principi sistema directe per a hotels(Font: Sistemes Avançats d’Energia Solar

Tèrmica).

Esquema principi sistemaper a edificismultihabitatge (Font:Sistemes Avançatsd’Energia Solar Tèrmica).

Aigua calenta sanitària per a poliesportius

Es tracta d’un sistema de producció d’ACScentralitzada mitjançant un acumulador so-lar escalfat pel camp de col·lectors mitjançantun bescanviador de calor exterior, i un acu-mulador auxiliar connectat directament al sis-tema solar, que incorpora, en la part alta, unserpentí connectat a una caldera auxiliar. Elservei es duu a terme mitjançant unarecirculació contínua de l’ACS, en què lamescla per temperatura de servei es fa a lasortida de l’acumulador auxiliar.

Aigua calentasanitària per ahabitatgeunifamiliar

Es tracta d’un sis-tema de producciód’ACS centralitzadamitjançant un acumu-lador solar escalfatpel camp de col·lec-tors mitjançant unbescanviador de calor

interior, i un sistema auxiliar connectatdirectament a l’acumulador solarmitjançant un altre serpentí en la part alta.El servei és directe, i la mescla es fa pertemperatura de servei a la sortida del’acumulador.

22

sempre una petita pèrdua d’eficiència delcircuit, però com ja hem dit són necessarisper dotar d’un bon aïllament entre elsdiferents circuits hidràulics i evitar problemesde barreja de l’aigua de consum ambsubstàncies com l’anticongelant i elsproductes inhibidors de corrosions, que sónusualment tòxics.

Els dipòsits comercials amb bescanviadorincorporat són del tipus envolvent o serpentí.Aquest últim consisteix en la inclusió d’unserpentí en el sí del fluid del dipòsit,generalment en la part inferior si corresponal circuit primari. La longitud del serpentíha de ser tal que la superfície lateral del tuben contacte amb el fluid sigui suficient perproduir un òptim bescanvi tèrmic. En algunesinstal·lacions són dos o fins i tot tres elsbescanviadors inclosos en l’interior del’acumulador. Habitualment, un és emprat enel circuit primari de col·lectors, el segon peral circuit d’ACS i calefacció i el tercer per alcircuit del sistema de suport amb energiesconvencionals.

El líquid bescanviador pot ser una barrejad’aigua amb diversos additius o bé ser unaltra substància conductora. Una d’aquestesés l’alcohol que té l’avantatge que no potassolir temperatures de més de 70 ºC i queno es congela fins a -15 ºC. Els acumuladorsequipats amb alcohol, també tenen unaavantatge, i és que protegeixen de lessobrepressions que es produeixen en indretsamb temperatures altes a l’estiu.

Els bescanviadors de tub en contracorrento els de plaques són exteriors a l’acumuladori requereixen l’acció d’una bomba per al seufuncionament. El bescanviador de plaques ésel més eficient de tots, ja que ofereix unasuperfície de bescanvi més gran ambdimensions exteriors reduïdes, el contactetèrmic entre els fluids sempre és encontracorrent i el flux és turbulent. Ésdesmuntable i modular, per això s’hi podenafegir més plaques per augmentar l’eficiènciao la potència en qualsevol moment.

Altres elements del circuit hidràulic iel sistema de control

Fluid caloportador

El fluid caloportador és la saba de lainstal·lació, l’encarregat de transferir l’energiatèrmica des de l’absorbidor fins al dipòsit acu-mulador. Emprem quatre tipus diferents desubstàncies per realitzar aquesta funció: aiguanatural, aigua amb addició d’anticongelantso anticorrosius, líquids orgànics sintètics oderivats del petroli i olis de silicona.

En la majoria de casos, els fluids que mésutilitzem en els nostres climes temperats sónl’aigua i la barreja d’anticongelant i aigua.Els dos anticongelants més emprats sónl’etilenglicol i el propilenglicol.

Vas d’expansió

El vas d’expansió és un dispositiu ques’inclou en el circuit primari de la instal·laciósolar per absorbir l’augment de volum delfluid caloportador degut als canvis tèrmicsque pateix al llarg del seus cicles defuncionament, en què passa de temperaturaambient a temperatures properes a l’ebullició.El vas d’expansió és un dipòsit que permetl’expansió del fluid, contrarestant elsaugments de volum i pressió produïts.

Indicador de temperatura de l’acumulador icomptador de l’energia auxiliar, en aquest cas un

calentador elèctric.

23

Sistema de control

En les instal·lacions forçades en les qualsels circuits primari o secundari van governatsper una bomba d’impulsió és necessària lainclusió d’un sistema de control de la bombaper evitar, entre altres inconvenients, que labomba funcioni en el període de no insolaciódissipant energia tèrmica en els col·lectors.El sistema de control més utilitzat és eltermòstat diferencial. Aquest estri comparales temperatures de la part inferior del dipòsitd’acumulació amb la temperatura de retorndels col·lectors i activa la bomba si el dife-rencial de temperatura és superior a un valorpredeterminat.

Comprendre una instal·lació mixtad’ACS i calefacció

Els sistemes de producció combinadad’ACS i calefacció representen un dels campsmés extensos, pel que fa a productes,configuracions i fabricants, de l’energia so-lar de temperatura baixa i mitjana. L’enormediversitat de sistemes combinats que ensofereix el mercat fa impossible una breu iacurada descripció de les instal·lacions méshabituals. Per a donar una idea d’aquestesdificultats, un grup de científics, tècnics i

fabricants, sota els auspicis de l’Agència In-ternacional de l’Energia (IEA) ha analitzat21 sistemes comercials aplicats a la UnióEuropea. Els sistemes han estat classificatssegons dos trets principals: el moded’acumulació de la calor produïda pelscol·lectors i la ubicació relativa del sistemaauxiliar.

Els sistemes combinats s’han de plantejarde forma ben diferent a les instal·lacions perabastir només ACS. El projecte és determinatper les característiques pròpies de les deman-des resumides en la taula a peu de pàgina.

Un dels exemples de les possiblesconfiguracions en les instal·lacions es utilitzaun acumulador d’ACS amb estratificació na-tural com a dispositiu d’acumulació decalefacció i un sistema auxiliar en sèrie ambel sistema solar.

Sistema amb acumulador centralitzat deproducció d’escalfor amb tres bescanviadors.L’inferior per a l’aportació solar, el mitjà perl’extracció de calor per a calefacció i el su-perior per a càrrega d’energia auxiliar. Elservei d’ACS es procura directament del’acumulador. Aquest sistema està limitat aaplicacions de grandària petita, amb campsde col·lectors no superiors a 15 m2 iacumulació inferior als 1.000 litres.

Calefacció Aigua calenta sanitària

Perfil estacional

Perfil diari

Temperatura

Aigua

• Gran variació deguda a lestemperatures exteriors

• No hi ha demanda a l’estiu

• Força continu• Reducció a zero a les nits o

amb irradiació important

• Impulsió entre 30 ºC i 70 ºC• Retorn entre 25 ºC i 60 ºC• Petita diferència entre impulsió i

retorn

• No corrosiva en tot el circuit • Corrosiva en el circuit de consum

• Pràcticament constant tot l’any• Petita variació estacional

• Presenta puntes importants decurta durada

• Períodes llargs sense consum

• Entrada de l’aigua fredaentre 4 ºC i 20 ºC

• Servei entre 40 ºC i 60 ºC

Taula que resumeix les característiques pròpies de les demandes

24

La qüestió de la calor sobrant al’estiu: refrigeració solar

L’ús de l’energia solar per a l’extracciód’energia tèrmica d’un medi ha estat forçadesenvolupat, i ha assolit especial incidènciaen el camp de la conservació d’aliments i enel condicionament d’espais habitats. Larefrigeració amb energia solar és una ideaespecialment atractiva si considerem lescircumstàncies següents:

• Habitualment, les càrregues de refrigeraciócoincideixen amb les irradiàncies màximes.• La complementarietat de calefacció irefrigeració solar en diferents èpoques del’any millora substancialment el factor d’úsi, amb això la rendibilitat de les instal·lacionssolars.• Les instal·lacions de refrigeració solartèrmica poden fer ús d’energia tèrmica resi-dual d’altres processos mb que augmentaaixíl’eficiència energètica del conjunt

El mètode més estès per a la producció defred empra el cicle de compressió de vapor.Aquest cicle de refrigeració per compressiódemana una entrada d’energia elèctricaimportant en el compressor. En l’àmbit del’energia solar, si aquesta energia és elèctricaserà subministrada per un generadorfotovoltaic. Hi ha tecnologies de refrigeraciómitjançant energia tèrmica d’origen solar.Les refredadores tèrmiques comercials esfonamenten en els fenòmens de sorció,l’adsorció i l’absorció.

A la vegada, en climes humits, l’extraccióde la humitat de l’aire representa, en pro-porció, la major càrrega de refrigeració. Enaquests climes es poden utilitzar eficaçmentsistemes dessecants d’adsorció per eliminarla humitat de l’aire. L’energia solar tèrmicatambé cobreix la major part de la demandaenergètica d’aquests dispositius.

L’estalvi energètic amb energiasolar tèrmica

No és econòmic afrontar el 100% de lesnecessitats anuals de calefacció o d’aiguacalenta sanitària d’un edifici únicament ambenergia solar. Els sistemes d’escalfamentsolar són un exemple típic de llei derendiments decreixents. Per un sistema donat,els primers 10 m2 de superfície col·lectorapodrien subministrar el 30% de lesnecessitats energètiques tèrmiques anuals.Altres 10 m2 addicionals subministrarien un20% més. I els següents 10 m2 ja noméssatisfarien un 10% més de la càrrega. Per tantno és econòmicament recomanable cobrir el100% de les necessitats. També s’ha de con-siderar que el satisfer el 60% de la demandaanual habitualment significa que als mesosd’estiu es cobreix el 100%, però als d’hivernpotser només un 30%. Així, en un sistemad’energia solar sempre es projecten duesparts, la instal·lació d’energia solar i la desuport o auxiliar amb energia convencional.La qüestió és com seleccionar el tipus i ladimensió de l’equip solar que, en combinació

Per cada metre qudrat de captadors solars queinstal·lem es com si plantessim 85 m2 de verd urbà.

25

amb el sistema de suport convencional,afrontarà la càrrega tèrmica total amb elmenor cost global. Si parlem d’una fracciósolar del 60% en aigua calenta sanitària,entenem que l’energia solar cobrirà un 60%de les necessitats anuals i la resta serancobertes per la font auxiliar. Donat que lademanda disminueix a l’estiu i el recurs so-lar augmenta, una instal·lació solar calcula-da per cobrir aquest percentatge de la deman-da segurament generarà excedents d’aiguacalenta al juliol i l’agost. Recordem quel’important és un estalvi del 60% al cap del’any, però aquest estalvi es pot distribuirmolt irregularment.

La inversió inicialment superior de lesinstal·lacions dels sistemes d’aprofitamenttèrmic de l’energia solar queda normalmentamortitzada a mitjà termini gràcies a l’estalvienergètic que produeix, amb més o menysrapidesa, depenent de la font convencionalque se substitueixi, del context ambiental ide l’ús que se’n faci. Es considera, en ter-mes generals, un període d’amortització quepot oscil·lar de 5 a 10 anys per a ACS, tot iconsiderant que la despesa corresponent alscaptadors pot arribar al 40% del costd’instal·lació. Depenent de la qualitat, de la

freqüència d’ús i del manteniment, es potconsiderar que la vida útil dels captadors estàal voltant dels 20 anys, tot i que l’experiènciamostra que existeixen instal·lacions que fun-cionen des de fa 30 anys i que es troben enperfecte estat. La rendibilitat d’unainstal·lació solar tèrmica per a calefacció iproducció d’aigua calenta sanitària depènbàsicament del tant per cent de la despesaenergètica a cobrir, de la radiació solar i,naturalment, del tipus d’energia convencio-nal a substituir. Aquests paràmetres són elsque determinen el temps d’amortitzaciód’una instal·lació.

L’aigua calenta solar: consells útils

No hi ha dubte que per a petitesinstal·lacions domèstiques l’aigua calentasolar pot originar una despesa més importantque no pas un simple escalfador de gas butà.Però també és cert que no estem acostumatsa mesurar els consums que tenim a casa nid’aigua ni d’energia. Tampoc no tenimpresent que en adquirir un sistema d’energiasolar estem invertint en un sistema que in-corpora en el seu preu l’energia queconsumirem en els propers vint anys (que ésla vida útil que s’estima per a una instal·laciósolar tèrmica). Estalviar exigeix una novacultura energètica i la implantació del’energia solar exigeix uns coneixementsbàsics que encara no s’han incorporat en lanostra quotidianitat.

D’altra banda, tant l’aigua sanitària i po-table com l’energia són molt barats, fet queno ens ajuda gens a prendre consciència dela necessitat d’estalviar. La manca d’instal·la-cions solars tampoc no ajuda a propiciar allòdel boca a boca, que és la millor propagan-da. Alguns municipis del nostre país hanabordat la qüestió promulgant les anome-nades ordenances solars, que obliguen alsedificis de nova construcció a incorporar

Reflectors Scheffler en línia emprats per produirvapor i fer funcionar una cuina industrial que

permet coure aliments per a unes 20.000persones al dia.

26

l’energia solar tèrmica. El mateix govern dela Generalitat s’ha afegit a aquest impuls.Tanmateix les mesures administratives nosón suficients si no hi ha una demanda de lasocietat. Sovint les instal·lacions solars noincorporen components auxiliars que ajudina visualitzar els beneficis de l’aigua calentasolar. En aquest sentit, els indicadors de tem-peratura tant del col·lector com de l’acumu-lador haurien de ser no pas elements amagatsen un armari, sinó ben visibles, per exemple,al bany o a la cuina. Les vàlvules termo-estàtiques, que tenen la funció de limitar latemperatura màxima de servei a què surtl’aigua eviten el risc de cremada quan l’aiguade l’acumulador té una temperatura elevadai, a més, redueixen el cabal d’aigua freda queentra a l’acumulador i, per tant, s’augmentala disponibilitat d’aigua calenta.

L’aigua calenta sanitària també es potaprofitar per al rentavaixelles i per a rentarla roba amb les anomenades rentadoresbitèrmiques. Però, per a això, cal que lescanonades de l’aigua calenta arribin en elspunts habituals on s’instal·len aquestselectrodomèstics (fet excepcional noobligatori segons la normativa d’habitatges).També cal tenir en compte que la producciód’aigua calenta no és continua al llarg deldia i que aprofitar per rentar la roba al vespreo dutxar-se en aquest moment és millor queno pas fer-ho l’endemà, atès que durant lanit perdem temperatura. També cal tenirpresent que els sistemes de suport com potser un escalfador de gas que permeti l’entradad’aigua calenta preescalfada també anome-nats modulants, és a dir, que regulen laintensitat de la flama en funció de la tempe-ratura de l’aigua que entra a l’aparell, és im-prescindible. Un escalfador de gas és méseficient que no pas un d’elèctric quan estracta de grans consums. En canvi, per apetits consums, un escalfador elèctric ambun aïllament excepcional i poca capacitat pot

ser suficient per assumir la incapacitat solarsi es tracta d’una família reduïda.

Finalment, no té sentit pensar en un siste-ma d’aigua calenta solar si no consideremtambé elements que ens permetin estalviaraigua com són els airejadors o atomitzadorsamb els quals, sense perdre la sensació demullar-nos, podem estalviar fins a un 50 %del consum. Als indrets on l’aigua porta moltacalç pot ser recomanble instal·lar undescalcificador ja sigui químic o magnètic.Tanmateix, no podem oblidar que el consumd’aigua té molt a veure amb la pressió del’aigua de servei. A moltes llars i edificis lapressíó i l’amplada de les canonades ens dónaun cabal per a les aixetes de més de 15 l/minutquan amb 8-9 litres/minut seria suficient. Enshauríem d’interessar pel cabal d’aigua quetenim a casa i prendre les mesures adientsper a reduir-lo. Tampoc podem oblidar queles instal·lacions solars requereixen un certmanteniment. En definitiva, tenim a l’abastuna energia inesgotable encara que siguidiscontínua i que l’actual tecnologia peraprofitar-la tot i ser molt avançada requereixuna certa atenció. Aprofitar el Sol per teniraigua calenta és un comportament que en unpaís assolellat com el nostre no hauríem dedesaprofitar. Invertir en energia solar tèrmicaés contribuir a reduir els gasos d’efectehivernacle, i per tant, contribuir a un mónmillor. Educar les futures generacions enaquesta matèria és una obligació ineludible.

27

AM

BIEN

TAL

Segueix el Sol Fem un mapa d’ombres

No hi ha millor activitat per a comprendreun fenomen que convertir-se en ell mateix.En aquests primers exercicis us proposemaconseguir amb un aparell com ara elSimusol (vegeu la pàgina següent). La pri-mera activitat pretén potenciar el pensamentglobal, l’orientació espacial entre si i la Terrai el Sol, mentre es resolen necessitats de ca-lor i il·luminació. Primerament, escolliremel lloc on vulguem posar-hi algunainstal·lació que pugui necessitar o no del’energia solar: un hortet, col·lector solar,finestra, seient, etc. Tot seguit dibuixarem enun full una gràfica amb dos eixos; al verticalhi posarem els mesos de mig any ordenatsde desembre a juny, de baix cap a dalt; al’horitzontal les hores solars de 5 a 19 h iamb l’ajut del Simusol o aparell similarcomençarem a prendre mesures hora perhora, mes a mes i de baix cap a dalt.

Quan algun obstacle s’interposi entre elSimusol i el cel traslladar les dades a la

Siguem clars, és un insult que en unpaís amb radiació elevada com elnostre no aprofiti l’energia solar.

Apuntar-se a utilitzar l’energia solartèrmica és una obligació si volemacomplir amb el Protocol de Kioto.

Hem de conèixer més el Sol, peròtambé hem d’experimentar el seupoder. Tenim prou kits didàctics perobservar com fer aigua calenta solarsense energia fòssil contaminant.

28

gràfica fent un punt. Acabada la simulacióhem d’unir els diferents punts amb una línia.La part de la gràfica que estigui per sota dela línia representa la zona d’ombra del lloc.

Els moviments solars en un mural

A continuació volem estimular lacomprensió multicultural relacionant lainsolació amb el clima, els hàbitats i lesactivitats humanes.

Escollirem un racó de l’aula on hi hagi tresparets lliures, situarem el Simusol a terra, acerta distància de la paret frontal, i amb un

punter làser (useu-lo amb precaució per noafectar la vista de cap alumne) subjectat ales pinces simularem el moviment solar enel solstici d’hivern, estiu i equinoccis.

Marquem l’òrbita a intervals d’una horaposant uns adhesius a la paret. Podem repe-tir l’exercici canviant a una latitud mes capal Sud o cap al Nord i veure com aquest canviafecta la duració del dia i l’angle d’inci-dència dels raigs solars i, per tant, els costumssocials entre altres.

Abans d’acabar hem de tenir cura de mar-car el lloc on hem col·locat el Simusol pertenir el punt de referència de la projecció.

Exemple de mapa d’ombres.Traça simulada del sol amb un làser.

Observa el moviment de la terra

L’òrbita de la Terra és una el·lipsed’excentricitat molt reduïda, gairebécircular. El Sol es troba en un focus del’el·lipse. La distància Terra-Sol variaa causa d’aquesta excentricitat. El va-lor mínim és de 147x106 Km i té llocel tres de gener: es diu que la Terra estroba al seu periheli (prop del Sol). Elquatre de juliol, la distància entre laTerra i el Sol és màxima (152x106 Km)i el nostre planeta es troba al seu afeli(lluny del sol). Aquestes diferències de-terminen canvis en la quantitatd’energia solar rebuda pel planeta, peròno són les responsables de l’aparicióde l’estiu i l’hivern.

29

El Simusol és un recurs útil per a l’ensenyament ja que permet ques’utilitzi en diferents matèries: matemàtiques, ciències del medi,socials, interculturalitat, psicomotricitat, tecnologia, etc. Es tractad’un instrument artesà de precisió que ens permet simular latrajectòria aparent del Sol en qualsevol latitud i dia de l’any. Larepresentació de l’òrbita solar és tridimensional, la qual cosa faci-lita la comprensió i l’estudi dels moviments solars.El Simusol és idea original de Wolfgang Scheffler, creador delsreflectors solars flexibles de focus fix, anomenats reflectorsScheffler. Posteriorment, Ricard Guiu en desenvolupà la idea enun format més pràctic per a l’usuari. No cal dir que podem cons-truir el nostre propi simulador inspirats en la imatge, o bé podemadquirir aquest aparell a (http://www.biohabitat.net).Consta de tres eixos graduables i una base que es pot anivellar iorientar en l’eix N-S. Primerament, cal ajustar la latitud del lloc enel cercle graduat. Després ajustarem la declinació solar en elsemicercle graduat. Per a això cal consultar l’analema queacompanya l’aparell o les taules de declinació solar i buscar el va-lor en graus que correspon al dia determinat que es vol fer lasimulació, parant esment si són positius o negatius en relació alsequinoccis.Situarem el Simusol en el lloc on volem fer la simulació amb lafletxa apuntant cap al Sud en l’hemisferi Nord, tot seguit hem decollar els cargols d’anivellació fins aconseguir anivellar la base.Una vegada finalitzats tots els ajustaments podem fer la simulaciódel moviment solar girant la part del simulador que duu incorpora-da l’agulla horària, i acclucant un ull pels extrems de les pincesobtindrem el lloc exacte de l’òrbita solar.També podem fer simulacions de nit o dintre de l’aula per mitjàd’un punter làser, el qual es subjecta a l’extrem de les pinces. L’òrbitadescrita pel punter coincideix amb l’òrbita solar.

El Simusol: imitar el moviment solar amb precisió

L’eix de la Terra no és perpendicular respecte al pla de l’eclíptica (pla horitzontal que passa perl’equador i que representa el pla de l’òrbita respecte al Sol) sinó que es troba inclinat. Forma un anglede 66º 33' respecte al pla de l’eclíptica (o 23º27' respecte a la normal). Així doncs, l’eix apuntasempre al mateix punt de l’espai. Per atzar, a l’hemisferi nord, en aquest punt es troba una estrellaprou brillant per a ser observada a ull nu, l’anomenada estrella polar.Si observem l’òrbita de la Terra, veurem que en un punt determinat un extrem de l’eix tindrà unainclinació màxima cap al Sol, mentre que en un punt diametralment oposat de l’òrbita s’apartarà delSol. Aquests punts són els solsticis: hi haurà dos punts als quals l’eix ni s’inclina ni cap el Sol ni sen’aparta (equinoccis). Aquests canvis són els responsables de l’aparició de les estacions i de lesdiferents altures solars de cada època. La variació d’aquest angle l’anomenem declinació.La declinació (£) és l’angle que forma el raig solar amb el plànol de l’equador en cada època del’any, determina les estacions climàtiques. Les principals dates estacionals de l’hemisferi nord són:Equinocci de primavera 21 de març £ = 0º; Equinocci de tardor. 21 de setembre £ = 0º;Solstici d’estiu. 21 de juny £ = +23,5º; Solstici d’hivern. 21 de desembre £ = -23,5º.

30

Calentador solar amb una neveravella

En el llibre Ingenios solares (vegeubibliografia) es recopilen els esquemes is’explica com fer un munt d’aparells solars.És un document únic i transformador que fa-cilita els esquemes i detalls permetautoconstruir-se diferents útils que aprofitenel calor solar des d’un assecador solar perfruites fins a una dutxa o un circuit d’aiguacalenta solar complet. Aquest manual pràcticper a la construcció d’aparells senzillsrelacionats amb l’energia solar té uncomplement en el llibre Energía renovablepráctica nascut de l’experiència delsbioarquitectes germans Urkia. D’aquest darrerllibre us proposem la idea de construir uncol·lector solar senzill amb una nevera vella.Tot plegat, una bona experiència de tecnologiai alhora de reciclatge.

Calcul de l’analema solar

El temps que inverteix la Terra a fer unavolta sobre el seu eix es valora de formadiferent si es mesura respecte als estels delfirmament que no pas si es pren de referènciaun punt del planeta com és un meridià. Eltemps de rotació respecte als estels es coneixcom a dia sideral i dura 23 hores, 56 minuts,4,09 segons. En canvi, si ho mesurem res-pecte a un meridià, llavors el temps es coneixpel dia solar vertader i és variable ja quel’òrbita de la Terra és el·líptica i la velocitatde translació augmenta en els sectors mésllargs del recorregut. Així, doncs, al llarg del’any el dia solar vertader es va endarrerint iavançant regularment. Aquest moviment escalcula en l’anomenada “equació del temps”i s’expressa en una corba coneguda comanalema solar. Lògicament, per no fer-nosun garbuix el temps de rotació terrestre díasolar mitjana s’ha establert en 24 hores.

Fer la corba de l’analema és unprocediment molt senzill, però alhora és unapràctica molt reveladora per comprendre ladiferent incidència de l’energia solar causa-da per la posició aparent del Sol en el cel alllarg de l’any. Lògicament l’analema té undibuix lleugerament diferent en funció de lalatitud en la qual ens trobem. Conèixer aquestmoviment aparent del Sol i poder-lo corre-gir és fonamental, per exemple, a l’hora dedissenyar un rellotge de sol.

Per fer la corba de l’analema cal ferobservacions del Sol, és a dir, de la posiciód’aquest astre al llarg de tot l’any sempre enla mateixa hora solar (caldrà tenir present quea l’hivern anem una hora avançats i a l’estiudues hores). Us proposem que preneu unacapsa de fusta. Cal que sigui de fusta o d’unmaterial plàstic que ens permeti fer-hi unforat de 3 o 4 mm ben fi ja que es tracta queel sol hi pugui entrar amb netedat. Una deles cares laterals, la deixarem sense la seva

31

paret ja que l’objectiu es poder veure i ano-tar la posició del sol sobre una cartolina. Elprocés és senzill. Cada dia prenem la capsade fusta i la cartolina (pot estar encaixadaper la base de la capsa) i amb una brúixola ales 12 h solar orientem la capsa en la mateixaposició (recomanem que la cara oberta de lacapsa posada al revés miri al Nord).Marquem amb un llapis la projecció del puntdel raig de Sol sobre la cartolina i anotem eldia i l’hora.

Començarem a notar que s’intueix unacorba al cap d’un mes. Si completem lesobservacions entre setembre i juny, obtin-drem la pràctica totalitat de la figura en for-ma de vuit panxut que caracteritza l’analema.No cal dir que la corba és simètrica, per tant,prenent les observacions durant 6 mesos éssuficient per dibuixar-la. Evidentment, es potcomparar aquesta corba amb la que s’obtéaplicant l’equació del temps per a una lati-

tud determinada. La corba de l’analemaexpressa els graus positius i negatius quehaurem de corregir si volem reproduir elviatge del Sol en un dia determinat. Per això,aparells com el Simusol incorporen lacorrecció de l’analema. Amb l’analema feta

també podrem pensar en la construcció d’unrellotge de sol de butxaca.

Experimentar amb un kit solar

Us proposem l’adquisició d’algun dels kitspedagògics que permeten experimentar ambdiferents aspectes de l’energia solar. Almercat podeu trobar un kit d’un col·lectortermosolar de LKN. KOSMOS per la sevabanda ofereix un col·lector termosifonònicen minuatura molt interssant: Warme von derSonne. També podem experimentar amb unkit que permet fer 150 experiments amb elSol. En qualsevol cas, aquests kits visualitzenmolt bé algunes de les propietats de la llumsolar i de la capacitat per fer energia tèrmicao elèctrica (sobre l’energia solar fotovoltaicaconsulteu el Perspectiva Ambiental, 16).

Fem un forat d’uns 3 o 4 mm de diàmetre en uncapsa oberta per un dels costats perquè poguemanar marcant l’entrada del raig de sol. La marca

l’hem de fer a la mateixa hora cada dia.

Carafrontaloberta

Visió sobrel’hortizó de

l’analema solar

Kit solar per dur a terme diversos experimentsamb el Sol. Es pot adquirir a través de

www.biohabitat.net o a www.tiendaelektron.com.

32

Recursos, bibliografia i internet

Bibliografia

• DE CUSA, J. Energía solar para viviendas.Barcelona: Grupo Editorial CEAC, 2004.• ESCOBAR, J.J., BRAZIS, E. Les energies renovablesa Catalunya 18. Barcelona: Institut Català del’Energia, 1999.• FERNÁNDEZ, J.M. Y GALLARDO, V. Energía solartérmica en la edificación. Madrid: EdicionesMundi-Prensa, 2004.• GONZÁLEZ DÍAZ, M.J. (ERA SOLAR). Arquitecturasostenible y aprovehcamiento solar. Madrid:Ediciones Mundi-Prensa, 2004.• IBÁNEZ PLANA, M., ROSSELL POLO, J.R. Y ROSELL

URRUTIA, J.I. Tecnología solar. Madrid: ColecciónEnergías Renovable. Ediciones Mundi-Prensa,2004.• INTIAM RUAI EQUIP. Energia Solar Tèrmica. Cursde Formació. Barcelona: Institut Català d’Energia,2002.• LEMVIGH MÜLLER, R. Instalaciones de energíasolar térmica. Madrid: SAPT PublicacionesTécnicas - Erasolar, 2001.• LÓPEZ-LARA, G. y otros Instalaciones solaresTérmicas. Manual para uso de instaladores,fabricantes, proyectistas, ingenieros y arquitectos,instituciones de enseñanza y de investigación.Sevilla: SODEAN, 2004.• MARCO MONTORO, J. Instalaciones solaresftotérmicas de baja temperatura. Diseño yaplicaciones. Madrid: SAPT PublicacionesTécnicas - Erasolar, 2004.• SERRASOLSES, J. Guia de l’usuari d’instal·lacionssolars tèrmiques. Barcelona: SEBA-Associació deServeis Energètics Bàsics, Butlletí 39-40 (2004).• SEVILLA, A. Manual de arquitectura solar paraclimas cálidos. Vícar: Geohabitat Energía yMedio Ambiente S.A., 2002.• VARIOS AUTORES. Energía solar térmica de mediay alta temperatura . Sevilla: Progensa, 2000.

Revista tècnica del sector i formació

• CENSOLAR, Parque Industrial PISA. Comercio12, 41927 Mairena del Aljarafe. Tel: 954 186200. www.censolar.org• Revista ERA SOLAR. Costa Rica, 32 bajos B.28016 Madrid. Tel: 913 505 885. www.erasolar.es• Escola Agrària de Manresa. Ramon d’Iglésies,5-7. 08242 Manresa. Tel: 93 874 90 60• http://www.macs.udl.es/ master a distànciad’energia solar tèrmica

Empreses fabricants de col·lectors solarsi associacions professionals

• Associació de Professionals de les EnergiesRenovables de Catalunya (APERCA). Av. Diagonal,453 bis. 08036 Barcelona. Tel: 936 220 50.• Centre d'Informació de l'Agència BarcelonaEnergia. Nil Fabra, 20 baixos · 08012 Barcelona ·Tel. 932 374 743 · www.barcelonaenergia.com• DISOL C.E.S. Parque Industrial PISA. Exposición,12. 41927 Mairena del Aljarafe. Barcelona. Tel: 902252900 · www.energiadisol.com• Institut Català de l’Energia. Av. Diagonal, 453 bis.08036 Barcelona. Tel: 93 622 05 00 · www.icaen.es• ISOFOTON. Montalbán, 9. 28014 Madrid.Tel: 91 531 2625. www.isofoton.com• TERMICOL Energía Solar, S.L. PolígonoIndustrial La Isla. Rio Viejo, 12. 41700 DosHermanas. Tel: 954 93 05 63. www.termicol.com

Programes informàtics

• http://lesowww.epfl.ch, càlcul de factors d’ombradeguts a obstacles exteriors.• http://www.susdesing. com/overhang, càlcul de lavolada d’un edifici per l’ombreig de les finestres.• http://www.byggark.lth.se/shade/shade_home.htm,càlcul d’ombres amb el programa ParaSol.• http://www.shadowfx.co.uk, posició del sol i càlculd’ombres amb el programa Shadow FX.• http://kahl.net/solarch, eina de disseny d’edificissolars amb el programa Solarch.

Webs

• http://www.intiam.com, web de l’empresa IntiamRuai que ofereix serveis educatius per a escolesrelacionades amb l’energia solar i cursos de formacióprofessional sobre energia solar i altres recursos.• http://www.xesca.net, xarxa d’escoles solars deCatalunya.• http://www.coac.net/mediambient/renovables/,recursos sobre arquitectura i energies renovables.• http://www.pntic.mec.es/recursos/secundaria/matematicas/tiempo.htm, unitat didàctica delMinisteri d’Educació i Ciència dedicada al temps i almoviment analemàtic.• http://www.energias-renovables.com revista digitalsobre el tema.• http://solarweb.iespana.es/solarweb/ informacióbàsica sobre l’energia solar tèrmica.