Índex

Energia Solar

Avantatges de l'energia solar

L'energia solar és una font d'energia renovable, molt respectuosa amb el medi ambient.

Si s'usa, s'obtenen molts avantatges econòmics i mediambientals.

L'avaluació econòmica depèn de diferents factors com, per exemple, del combustible que es substitueix amb l'energia solar, de la mida i del tipus d'instal·lació, etc.

Generalment, una instal·lació solar s'amortitza en un període d'entre 5 i 10 anys. Cal subratllar que la vida útil d'aquestes instal·lacions és, aproximadament, de 20 anys.

El principal avantatge mediambiental és la reducció de l'emissió de gasos resultants de la combustió dels combustibles fòssils, principalment el CO2 - responsable de l'escalfament global del planeta, però també SO2 i NOx - responsables de les pluges àcides i de les emissions i residus radioactius relacionats amb l'ús de l'energia nuclear.

Energia solar fotovoltaica

Energia solar en edificis

Eficients tecnologies per a la il·luminació i climatització estan essent utilitzades cada vegada més. Dissenys bioclimàtics permeten una reducció de l'energia consumida per a la climatització. Al mateix temps, hi ha hagut una generalització de l'ús de tècniques més eficients per reduir el consum elèctric.

S'han fet avenços significatius; aquest progrés és un important primer pas en aquesta direcció.

L'energia solar va un pas més enllà. Els edificis no només estalvien energia, sinó que també la produeixen sense contaminar i aprofitant una font inexhaurible: el sol. Electricitat produïda en pannells fotovoltaics i energia tèrmica per mitjà de col·lectors solars poden cobrir total o parcialment la demanda energètica de l'edifici.

La tradicional confrontació entre nivells de confort més alts (amb l'energia que requereixen) i el respecte envers el medi ambient va sent superada gràcies a les noves tecnologies, que han produït una nova generació d'edificis sostenibles

BASES DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

La tecnologia fotovoltaica (FV) transforma directament la radiació solar en energia elèctrica. El seu continu desenvolupament ha dut a un increment del seu rendiment i fiabilitat i ha donat lloc a una baixada del seu cost.

Els principals avantatges de la tecnologia FV són els següents:

• Ús d'una font local inesgotable: el sol.

• És totalment neta, no produeix emissions de CO2 i SO2 -com sí s'esdevé amb les fonts convencionals d'energia - ni residus.

• Producció localitzada en el lloc de consum.

COMPONENTES SOLARS ACTUALS PER A L'EDIFICACIÓ

Les instal·lacions tradicionals de components solars en edificis solen fer servir els mòduls estàndards, normalment sobre estructures independents i, anant molt bé, sobreposades a alguna part de l'edifici com ara teulades o façanes.

Darrerament s'estan comercialitzant alguns components solars especialment dissenyats per a edificis.

Cèl·lules fotovoltaiques

Tot i que les cèl·lules més comunament usades provenen del mateix material base, el silici, diferents tecnologies ofereixen cèl·lules amb diferents característiques tècniques i estètiques.

Les cèl·lules monocristal·lines són de 10 x 10 cm2 i 350 micres d'espessor, amb un rendiment del 14-17%. Les cèl·lules policristal·lines d'idèntiques dimensions atenyen un rendiment del 12%.

Una tecnologia diferent és la del silici amorf. Una fina capa de silicona (de poques micres) és col·locada al damunt d'un vidre que té una imprimació metàl·lica transparent. Aquestes cèl·lules, anomenades de capa fina, tenen una eficiència del 5-8% i diversos metres quadrats.

Les últimes tecnologies ofereixen cèl·lules de diferents colors i nous materials base, com ara l'arseniür de gal·li (GaAs), tel·luri de cadmi (CdTe) o diseleniür de coure i indi (CIS).

Cal protegir les cèl·lules FV mitjançant un encapsulat amb un vidre frontal i una protecció a la part posterior, formant-se així els mòduls FV.

Mòduls FV

Els mòduls FV estan dissenyats per a la intempèrie; poden, doncs, formar part de la pell d'un edifici. Tanmateix, les diverses tecnologies d'encapsulat donen com a resultat una gamma d'elements constructius amb diferents característiques:

a) Vidre-plàstic posterior: l'adhesiu transparent és normalment EVA (Etil-Vinil-Acetat) i el plàstic posterior TedlarTM de diferents colors, translúcid o transparent.

b) Vidre-vidre: el plàstic posterior és substituït per un segon vidre. L'adhesiu transparent són resines o silicones.

Els mòduls estàndards tenen un marc d'alumini. Els mòduls sense marc, anomenats laminats, s'utilitzen preferentment per a la integració arquitectònica.

Diversos fabricants de mòduls ofereixen productes de la grandària, forma, tipus de cèl·lules i disposició de les mateixes segons el client ho desitgi i els ho demani, cosa que permet una gran creativitat i adaptabilitat als requeriments arquitectònics de l'edificació existent.

Teula solar

Diverses companyies han desenvolupat mòduls especials FV capaços de substituir les teules tradicionals mantenint les propietats d'impermeabilitat.

Algunes companyies ofereixen productes FV amb la mateixa forma i dimensions que les teules o pissarres tradicionals, fent possible una millor integració o fins i tot la substitució de les teules existents. D'altres ofereixen teules més grans, per reduir costos.

Para-sols

Les cèl·lules FV poden encapsular-se, formant mòduls especials que es poden utilitzar com a elements per fer ombra i de control solar.

Succeeix un fenomen sinèrgic. Per motius de confort, cal evitar l'accés directe de llum. Per a això, no hi ha res millor que les cèl·lules FV, ja que necessiten llum directa del sol.

Sistema de seguiment. Es pot instal·lar un sistema automàtic que orienti els para-sols perpendicularment al sol. Aleshores la sinergia és màxima, perquè en qualsevol moment la producció d'electricitat també ho és, i s'elimina la llum directa, però no pas la indirecta, que passa a través d'aquests dispositius.

Els para-sols, que es poden fer servir en façanes verticals o en teulades formant marquesines, creen un ambient clar i harmoniós.

Mur cortina ventilat

El mur cortina ventilat és, de fet, un element híbrid termo-FV que forneix d'electricitat i aire calent. Consisteix en dos paraments, una paret interior i una altra exterior, separades per una cambra d'aire ventilada. Les característiques principals són les següents:

Paret exterior: envidrament normal o laminat FV semi-transparent a la zona de visibilitat i pannell FV opac a la zona de no visibilitat.

Paret interior: doble envidrament aïllant a la part de visibilitat, i pannell aïllant tèrmic i acústic a la zona de no visibilitat.

Cambra d'aire: es pot ventilar per convecció natural (efecte xemeneia) o forçada.

Millor rendiment FV: gràcies al flux d'aire es redueix la temperatura de les cèl·lules FV, millorant la seva producció.

Protecció solar: la instal·lació de cortines a l'interior de la cambra ventilada permet modificar significativament el factor solar, la transmissió de llum, la temperatura de les superfícies i el coeficient de transmissió tèrmica.

Millor rendiment tèrmic: la cambra constitueix una nova zona aïllant, que ofereix una considerable minva del coeficient global de transmissió tèrmica i pot ser modificada amb la ventilació forçada, obtenint-se una K més baixa i una més gran ventilació. A més, situant la cortina a l'interior i no a l' exterior de l'edifici, la calor que aquesta reté s'aprofita sense que passi a l'interior.

Confort tèrmic: l'eliminació de l'efecte "paret radiant", freda a l'hivern i calenta a l'estiu.

ESPECIFICACIONS TÈCNIQUES
Exemple: barreja PV opac / vidre normal
50% opac: pannell FV + pannell aïllant 40 mm
50% visibilitat: pannell reflectant + doble vidre.
K = 1,5 W/m2K (menys amb vent. forç.) dBA = 40 at 500 Hz

Integració

L'àrea solar, òbviament ha d'estar dirigida cap al sud (entre SE i SW) i estar lliure d'ombres.

En tots els casos, l'àrea haurà d'adaptar-se als requeriments arquitectònics (per exemple: transparència, aïllament tèrmic, etc.). També es tindrà en compte l'estalvi en materials de construcció substituïts. Una façana habitualment costarà més que una teulada.

Els següents conceptes de tècniques d'integració, amb diferents graus d'integració, poden ser aplicats a tots els elements d'energia solar.

Independent

És un mètode fàcil i simple, molt utilitzat en teulades planes i edificacions ja existents. Els pannells FV es munten sobre una estructura independent de l'edifici.

Així, els pannells FV poden situar-se amb l'orientació i inclinació òptimes, però poden presentar un impacte visual fort a l'edifici.

No hi ha cap estalvi per substitució d'elements

Sobreposat

Un altre bon mètode, simple i fàcil, per a edificis ja existents.

Els pannells FV es munten amb una petita estructura sobre la pell de l'edifici i en paral·lel a ella.

L'impacte visual no és tan fort.

No hi ha cap estalvi per substitució d'elements.

Integrat

En els següents casos els pannells FV tenen una funció arquitectònica, a banda de generar electricitat. Llavors alguns elements de construcció se substitueixen, produint en cada cas el corresponent estalvi.

És el més escaient per a edificis nous. Presenta un aspecte net i bonic.

Revestiment (façanes o teulades fredes)

Una capa externa, formada per pannells FV que garanteixen la impermeabilització, se situa al damunt d'una capa opaca que aïlla tèrmicament.

La teula FV és una tècnica especial per a integració a les teulades. És necessària la ventilació per la part posterior dels pannells per tal d'obtenir un bon rendiment de les cèl·lules.

L'estalvi és significatiu.

Coronament (façanes o teulades calentes)

El pannell FV fa de teulada o façana. S'utilitzen sistemes convencionals adaptats d'envidrament (silicona estructural, "muntant-travesser"). També en FV, una doble paret que tanca una cambra ventilada millora les prestacions tèrmiques i permet generar aire calent per a calefacció.

L'estalvi és màxim.

Para-sol

Diferents solucions com ara envelats, etc., fan ombra a l'interior, protegint de la llum directa del sol i permetent el pas de llum indirecta.

Permeten l'ús de sistemes de seguiment per tal d'optimitzar la producció d'electricitat.

L'estalvi és significatiu.

Taula de rendiments de les diverses plaques solars

Energia Solar tèrmica

Per tal de coneixer l'energia solar tèrmica ens caldrà centrar l'explicació en les dues aplicacions principals de l'energia solar tèrmica:

Energia solar tèrmica passiva: el propi edifici o immoble és el captador i acumulador d'energia solar. Aquest fet és sempre cert, malgrat el possible desconeixement de l'arquitecte dissenyador del mateix. Del seu ús correcte dependrà en molts casos la qualitat de vida dels futurs usuaris ocupants de l'edifici i, sempre, l'eficiència energètica del mateix. No és l'objecte d'aquesta ponència; el seu estudi el duu a terme l'arquitectura bioclimàtica.

Energia solar tèrmica activa: la captació i acumulació de l'energia solar mitjançant elements i equips específicament dissenyats per a aquest fi que hauran d'integrar-se en la mesura del possible i això depèn fonamentalment dels tècnics implicats en l'edifici o immoble al qual hagin de donar servei.

APLICACIONS

ACS-aigua calenta sanitària.

És la principal aplicació de l'energia solar tèrmica activa. Consisteix a elevar la temperatura de l'aigua subministrada per la xarxa de proveïment i que normalment es troba en el rang comprès entre 5°C-20°C, fins un mínim de 45°C, per a la seva posterior distribució als punts de consum.

Per a aquesta aplicació s'usa, majoritàriament, el col·lector solar pla.

Calefacció

Dues són les dificultats amb què ens trobem per a aquesta aplicació: l'estacionalitat del requeriment, que addicionalment coincideix amb els mínims del recurs disponible, i la normalment elevada temperatura requerida al subministrat. La primera ens obligarà a fer un dimensionat gran i, conseqüentment, una més gran inversió que, en absència de consums durant la resta de l'any, farà que l'amortització s'elevi en nombrosos casos per sobre del que és raonable. La segona ens obligarà a emprar sistemes de captació de preu més elevat o a usar sistemes d'emissores que siguin efectius a temperatures més moderades.

Radiadors

Temperatura requerida: 60°C-80°C.

L'elevada temperatura fa indispensable l'ús de col·lectors solars d'alt rendiment: els tubs de buit. Tanmateix, serà necessari un dimensionat més gran dels radiadors si es volen mantenir uns mínims d'eficiència. És el sistema de calefacció amb energia solar menys recomanable.

Terra radiant

Temperatura requerida: 30°C-40°C

Aquest eficient sistema de calefacció és totalment compatible amb l'energia solar tèrmica. Els col·lectors emprats habitualment són: el col·lector solar pla o el tub de buit.

Fan coils

Temperatura requerida: 40°C-60°C.

El sistema es compatible amb l'energia solar tèrmica. Es requerirà un dimensionat generós dels fan coils per tal de mantenir uns mínims d'eficiència. S'emprarà preferiblement el tub de buit.

TIPUS DE COL·LECTORS

Hem enunciat anteriorment les aplicacions bàsiques de l'energia solar tèrmica; vegem tot seguit quins són els tipus de col·lectors emprats avui en dia per desenvolupar-les:

Col·lector solar pla

És el més usat en producció d'ACS, calefacció per terra radiant i climatització de piscines cobertes.

Consisteix bàsicament en un absorbidor metàl·lic (coure, alumini o fullola d'acer) que transmet l'energia solar en forma de calor a uns tubs metàl·lics íntimament units a l'absorbidor (serpentí o graella) i que transporten un fluid caloportador que recull la calor de l'absorbidor i el transporta a bescanviadors o directament als dipòsits d'acumulació. Per tal de minimitzar les pèrdues i augmentar-ne el rendiment, l'absorbidor està situat dins d'una carcassa (metàl·lica o plàstica), degudament aïllada (amb fibra de vidre, llana de roca o espuma de poliuretà) i recoberta amb un vidre per la cara exposada al sol.

Col·lector solar sense coberta

Existeixen aplicacions que, per la seva baixa temperatura, permeten l'ús de col·lectors nus o sense coberta, l'avantatge principal dels quals és la de minimitzar la inversió necessària per a l'aplicació concreta.

Col·lectors de materials plàstics

Són els idonis per a la climatització de piscines, especialment les descobertes.

Consisteixen en un absorbidor nu de material plàstic, normalment polipropilè o epdm. Addicionalment simplifiquen i abarateixen la instal·lació, ja que, en tractar-se de materials no atacables pel clor de l'aigua de la piscina, no necessiten l'ús de bescanviadors, podent intercalar-se en sèrie en el propi circuit de depuració

Col·lectors metàl·lics

Normalment es tracta d'absorbidors de col·lectors solars plans emprats sense caixa, aïllament ni coberta vidrada. Permeten una més gran integració arquitectònica en no veure's el seu rendiment tan afectat per l'orientació geogràfica (en mancar de coberta, no estan sotmesos a efectes de reflexió sobre el vidre dels raigs solars incidents).

Són vàlids per a aplicacions de climatització de piscines, calefacció per terra radiant i producció d'ACS.

Tub de buit

És el col·lector més eficient dels emprats avui en dia, però també el més car. Consisteix en una tira d'absorbidor amb un únic tub de fluid caloportador adossat a aquesta, encapsulada dins d'un tub cilíndric de vidre pírex on s'ha creat el buit. Diversos tubs s'uneixen a un distribuïdor per formar el col·lector. Alguns models permeten la seva instal·lació en pla horitzontal (orientant els tubs perpendicularment als raigs solars), cosa que en facilita l'ocultament visual.

Pel seu cost especialment elevat, el seu àmbit d'aplicació es veu restringit normalment als sistemes que requereixin una major temperatura: calefacció per fain coils o radiadors

Cobertes solars

La integració dels elements captadors d'energia solar en la pròpia coberta dels edificis és una aplicació relativament recent però de futur prometedor. Els avantatges econòmics en substituir part dels elements constitutius de la coberta, així com els avantatges pel que fa a la integració visual, marquen un salt qualitatiu enfront dels col·lectors tradicionals.

Dos són els plantejaments emprats per al seu desenvolupament: l'agregació d'absorbidors metàl·lics individuals i la realització de cobertes metàl·liques -concebudes aquestes d'inici, per a la captació de l'energia solar integrant en un mateix element dues funcions: protecció i captació-.

VALORACIÓ ECONÒMICA

Vida útil i manteniment

És important destacar el fet de la llarga vida útil de les instal·lacions d'energia solar tèrmica. Són instal·lacions que treballen en circuit tancat i estan sotmeses a càrregues tèrmiques i hidràuliques relativament baixes. Addicionalment, gairebé no disposen de parts mòbils (llevat de bombes i vàlvules motoritzades) i la seva regulació és molt senzilla. Aquestes diferències els confereixen una gran avantatge sobre les instal·lacions convencionals (per exemple: una caldera o una bomba de calor).

Per les mateixes raons, llur manteniment és mínim i bàsicament es limita a operacions de revisió, ja que són rares les avaries.

La vida útil d'una instal·lació executada amb materials de bona qualitat ha de superar amplament els vint anys.

Valoració ràpida d'instal·lacions

ACS. Aigua calenta sanitària amb col·lectors plans:

A tall d'exemple i en funció del tipus i tamany de la instal·lació, podem dir que el preu mitjà del m2 instal·lat del col·lector solar pla se situa avui en dia al mercat espanyol en 80.000 ptes.

Subvencions

L'energia solar tèrmica activa gaudeix de subvencions per part de les administracions locals, autonòmiques, nacionals i comunitàries que faciliten el fet de la seva implantació. Aquestes subvencions poden arribar a un 50% del valor de la instal·lació.

Amortització

Cal destacar el fet diferencial, enfront de les instal·lacions d'energia convencional, que, malgrat tractar-se de la inversió més elevada, el cost del combustible és zero i el seu manteniment pràcticament nul.

El període de retorn d'una instal·lació d'energia solar depèn de nombrosos factors, essent els principals: el preu del combustible a substituir, l'ús continu de la instal·lació i el tamany d'aquesta.

En funció dels anteriors paràmetres i de la subvenció atorgada, els terminis oscil·len normalment entre els cinc i els vint anys.

Sistemes de captadors solars

Els sistemes solars per a l'escalfament d'aigua calenta sanitària poden ser de diferents tipus, però tots consten dels mateixos elements essencials: un element captador d'energia solar i un altre d'emmagatzematge de calor. A més d'aquests, perquè es completi el circuit hidràulic, la instal·lació pot tenir bombes circuladores, vàlvules, purgadors, vasos de expansió, sistema de regulació, etc.

Existeixen diferents conceptes i tipus d'instal·lacions d'ACS

Compacte

El sistema compacte es fa servir per a usuaris amb una demanda petita, com pot ser una casa unifamiliar o un pis. El captador i l'acumulador se subministren en un conjunt, fet que facilita la instal·lació.

El sistema no porta circuladors, el moviment del fluid es fa perquè es produeix una diferència de temperatura del mateix fluid dins de la instal·lació: el fluid més calent és més lleuger que el fred i per això puja, mentre que el fluid fred té tendència a descendir. La posició relativa de l'acumulador respecte al captador està pensada per a afavorir la circulació. Aquesta mena de circulació es coneguda com termosifònica.

Integral

En els sistemes integrats el captador i l'acumulador són un mateix element. És un tipus d'instal·lació que es fa servir per a usuaris amb una demanda petita com pot ser una casa unifamiliar o un pis.

Aquest sistema sol ser més econòmic que els altres, però també té un rendiment més baix. El sistema en si és més senzill que els altres perquè té menys elements i és més fàcil d'instal·lar.