miniatura|Col·lector solar Lenergia solar tèrmica és la utilització de la radiació solar per escalfar fluids destinats a diferents usos.
Segons la temperatura que aconsegueixen els fluids es poden classificar els sistemes d'energia solar tèrmica en Sistemes de Baixa Temperatura i Sistemes d'Alta Temperatura.
En el cas d'una instal·lació domèstica, l'escalfament a baixa temperatura d'aigua (o eventualment altres fluids), destinada a l'ús com aigua calenta sanitària o calefacció. Addicionalment, pot emprar-se per a alimentar una màquina de refrigeració per absorció, que fa servir calor en lloc d'electricitat per condicionar l'aire.
Una instal·lació d'energia solar tèrmica consta d'un conjunt de plaques, generalment fixes en els seus tres eixos, per les quals discorren uns tubs que s'exposen d'aquesta forma a la radiació solar. Les característiques constructi[ves responen a la minimització de les pèrdues d'energia una vegada escalfat el fluid que transcorre pels tubs (aïllaments a la conducció per buit o materials termoaïllants) i a la recepció de radiació de baixa temperatura. El circuit es completa amb un sistema de circulació natural o forçada, un o diversos magatzems per a desacoblar el consum a la producció i generar inèrcia tèrmica en el sistema, i els mecanismes de control i conducció necessaris. A vegades el sistema està hibridat amb una caldera de combustible fòssil o d'escalfament elèctric per a suplementar l'acció del sol.
A més del seu ús com aigua calenta sanitària, calefacció i refrigeració (mitjançant màquina d'absorció), l'ús de plaques solars tèrmiques ha proliferat per a l'escalfament de piscines exteriors residencials, en països on la legislació impedeix l'ús d'energies d'altre tipus per a aquest fi.
L'altra forma d'aprofitament de l'energia solar tèrmica és per produir energia elèctrica escalfant un fluid amb el sol. Aquest fluid calent entra en contacte amb aigua dins de l'intercanviador de calor i produeix vapor que mou una turbina acoblada a un alternador. L'electricitat produïda es transforma a alt voltatge i es bolca a la xarxa elèctrica.
Definició L'energia solar tèrmica consisteix en l'aprofitament de la radiació provinent del sol per produir calor. La intensitat d'aquesta radiació solar, es mesura mitjançant dos paràmetres físics: insolació, que és l'energia mitjana diària, expressada en kWh/m² dia, i radiació tèrmica, que és la potència instantània sobre la superfície horitzontal, expressada en kW/m².
La calor produïda, pot aprofitar-se per ús domèstic o bé per la producció d'energia mecànica i per tant, produir electricitat. Una de les aplicacions més esteses és el que es coneix com a aigua calenta sanitària (ACS) que consisteix en l'aprofitament d'aquesta calor per escalfar un fluid (aigua) a temperatures inferiors a 80 °C.
Components de la instal·lació Una instal·lació solar tèrmica està formada per captadors solars, un circuit primari i secundari, bescanviador de calor, acumulador, bombes, vas d'expansió, canonades i un panell de control principal.
Captadors solars
Els captadors solars són els elements que capturen la radiació solar i la converteixen en energia tèrmica, en escalfor. Com a captadors solars es coneixen els de placa plana, els de tubs de buit i els captadors absorbidors sense protecció ni aïllament. Els sistemes de captació plans (o de placa plana) amb coberta de vidre són els comuns majoritàriament en la producció d'aigua calenta sanitària ACS. El vidre deixa passar els raigs del sol, aquests escalfen uns tubs metàl·lics que transmeten la calor al líquid de dins. Els tubs són de color fosc, ja que les superfícies fosques escalfen més.
El vidre que cobreix el captador no només protegeix la instal·lació sinó que també permet conservar l'escalfor tot produint un efecte d'hivernacle que millora el rendiment del captador.
Estan formats d'una carcassa d'alumini tancada i resistent a ambients marins, un marc d'alumini eloxat, una junta perimetral lliure de silicones, aïllant tèrmic respectuós amb el medi ambient de llana de roca, coberta de vidre solar d'alta transparència, i finalment per tubs soldats ultrasònics.
Els col·lectors solars es componen dels següents elements:
Coberta: És transparent, pot o no ser-hi present. Generalment és de vidre tot i que també s'utilitzen de plàstic, ja que és menys car i manejable, però ha d'ésser un plàstic especial. La seva funció és minimitzar les pèrdues per convecció i radiació i per això ha de tindre una transmitància solar la més alta possible.
Canal d'aire: És un espai (buit o no) que separa la coberta de la placa absorbent. El seu gruix s'ha de calcular tenint en compte per tal d'equilibrar les pèrdues per convecció i les altes temperatures que es poden produir si és massa estret.
Placa absorbent: La placa absorbent és l'element que absorbeix l'energia solar i la transmet al líquid que circula per les canonades. La principal característica de la placa és que ha de tenir una gran absorció solar i una emissió tèrmica reduïda. Com els materials comuns no compleixen amb aquest requisit, s'utilitzen materials combinats per a obtenir la millor relació absorció/emissió.
Tubs o conductes: Els tubs estan tocant (de vegades soldades) la placa absorbent per tal que l'intercanvi d'energia sigui el més gran possible. Pels tubs circula el líquid que s'escalfarà i anirà cap al tanc d'acumulació.
Capa aïllant: La finalitat de la capa aïllant és recobrir el sistema per tal d'evitar i minimitzar pèrdues. Perquè l'aïllament sigui el millor possible, el material aïllant haurà de tindre una baixa conductivitat tèrmica.
Captadors solars de placa plana
miniatura|Panells solars a Santorini Un captador solar pla té l'ànima del sistema és un reixat vertical de tubs metàl·lics, per simplificar, que condueixen l'aigua freda en paral·lel, connectats per baix per un tub horitzontal a la presa d'aigua freda i per dalt per un altre de similar al retorn. La graella ve encaixada en una coberta, com la descrita més amunt, normalment amb doble vidre per dalt i aïllant pel darrere. En alguns models, els tubs verticals estan soldats a una placa metàl·lica per aprofitar la insolació entre tub i tub.
Captadors solars de tubs de buit «tot vidre» En aquest sistema els tubs metàl·lics del sistema precedent se substitueixen per tubs de vidre, encapsulats, d'un amb un, en un altre tub de vidre entre els quals es fa el buit com a aïllament. Els grans avantatges que presenten aquests tipus de captadors són el seu alt rendiment i que, en el cas que un dels tubs es fes malbé, no cal canviar tot el panell per un de nou, sinó que només cal canviar el tub afectat. Per contra, en relació amb els de placa plana, resulten més cars.
Captadors solars de tubs de buit amb «tubs de calor» per canvi de fase Aquest sistema aprofita el canvi de fase de vapor a líquid dins de cada tub, per lliurar energia a un segon circuit de líquid de transport. Els elements són tubs tancats, normalment de coure, que contenen el líquid que, en escalfar-se pel sol, bull i es converteix en vapor que puja a la part superior on hi ha un capçal més ample (zona de condensació), que en la part exterior està en contacte amb líquid transportador, que essent més fred que el vapor del tub en capta la calor i provoca que el vapor es condensi i caigui a la part baixa del tub per tornar a començar el cicle.
El tub de calor es pot embolicar amb una jaqueta de materials especials per minimitzar les pèrdues per irradiació. Se solen emprar tubs de vidre resistent, per reduir els danys en cas de petites calamarsades. El líquid del tub pot ser aigua que, havent-ne reduït la pressió fent un buit parcial, tindrà un punt d'ebullició baix per treballar fins i tot amb la insolació dels raigs infrarojos en cas de núvol.
Circuit primari El circuit primari, és circuit tancat, transporta l'escalfor des del captador fins a l'acumulador (sistema que emmagatzema calor). El líquid escalfat (aigua o una barreja de substàncies que puguin transportar l'escalfor) porta la calor fins a l'acumulador. Un cop refredat, retorna al col·lector per tornar-se a escalfar, i així successivament.
Bescanviador de calor El bescanviador de calor escalfa l'aigua de consum a través de la calor captada de la radiació solar. Se situa al circuit primari, al seu extrem. Té forma de serpentí, ja que així, s'aconsegueix augmentar la superfície de contacte i per tant, l'eficiència.
L'aigua que entra a l'acumulador, sempre que estigui més freda que el serpentí, s'escalfarà. Aquesta aigua, escalfada en hores de sol, ens quedarà disponible pel consum posterior.
Acumulador L'acumulador és un dipòsit on s'acumula l'aigua escalfada útil pel consum. Té una entrada per l'aigua freda i una sortida per la calenta. La freda entra per sota de l'acumulador on es troba amb el bescanviador, a mesura que s'escalfa es desplaça cap a dalt, que és des d'on sortirà l'aigua calenta per al consum.
Internament disposa d'un sistema per evitar l'efecte corrosiu de l'aigua calenta emmagatzemada sobre els materials. Per fora té una capa de material aïllant que evita pèrdues de calor i està cobert per un material que protegeix l'aïllament de possibles humitats i cops.
Circuit secundari El circuit secundari o de consum (circuit obert), entra aigua freda de subministrament i per l'altre extrem l'aigua escalfada es consumeix (dutxa, lavabo…). L'aigua freda passa per l'acumulador primerament, on escalfa l'aigua calenta fins a arribar a una certa temperatura. Les canonades d'aigua calenta de l'exterior, han d'estar cobertes per aïllants.
Bombes
Les bombes, en cas que la instal·lació sigui de circulació forçada, són de tipus recirculació (sol haver-hi dues per circuit), treballant una la meitat del dia, i la parella, la meitat del temps restant. La instal·lació consta dels rellotges que porten el funcionament del sistema, fan l'intercanvi de les bombes, per tal que una treballi les 12 hores primeres i l'altra les 12 hores restants. Si hi ha dues bombes en funcionament, hi ha l'avantatge que en cas que una deixi de funcionar, hi ha la substituta, de manera que així no es pot parar el procés davant de la fallada d'una d'aquestes. L'altre motiu a considerar, és que gràcies a aquest intercanvi la bomba no sofreix tant, sinó que se la deixa descansar, refredar, i quan torna a estar en bon estat (després de les 12 hores) es torna a posar en marxa. Això ocasiona que les bombes puguin allargar durant més el temps de funcionament sense haver-hi de fer cap mena de manteniment previ.
En total sol haver-hi quatre bombes, dues en cada circuit. Dues al circuit primari que bomben l'aigua dels col·lectors i les altres dues al circuit secundari que bomben l'aigua dels acumuladors, en el cas d'una instal·lació de tipus circulació forçada.
Vas d'expansió El vas d'expansió absorbeix variacions de volum del fluid caloportador, el qual circula pels conductes del captador, mantenint la pressió adequada i evitant pèrdues de la massa del fluid. És un recipient amb una cambra de gas separada de la de líquids i amb una pressió inicial la qual va en funció de l'altura de la instal·lació.
El que més s'utilitza és amb vas d'expansió tancat amb membrana, sense transferència de massa a l'exterior del circuit.
Canonades Les canonades de la instal·lació es troben recobertes d'un aïllant tèrmic per evitar pèrdues de calor amb l'entorn.
Panell de control Es disposa també d'un panell principal de control a la instal·lació, on es mostren les Temperatures en cada instant (un regulador tèrmic), de manera que pugui controlar-se el funcionament del sistema en qualsevol moment. Apareixen també els rellotges encarregats de l'intercanvi de bombes.
Tipus d'instal·lacions Es coneixen dos tipus principals d'instal·lacions solars tèrmiques, la de circulació natural i de circulació forçada.
Sistema solar tèrmic de tipus circulació natural o Termosifó