A raíz del espectacular aumento que están experimentado los sistemas solares térmicos de baja temperatura globalmente y, en especial, en América Latina, han proliferado multitud de tipos de captadores solares diferentes. Esto ha provocado cierta confusión en el sector sobre las ventajas y desventajas de cada uno de ellos y el criterio de selección del más adecuado según cada caso.

En ese sentido, siguiendo la trayectoria de análisis de equipos solares, que caracteriza a Censolar, hemos realizado una labor de identificación de todos los tipos de sistemas existentes en el mercado para intentar clasificar, de forma rigurosa, todos ellos.

Se puede afirmar que existen  cuatro factores determinantes a la hora de identificar un sistema solar térmico: 1º) la presión a la que trabajará el sistema, 2º) la forma en que se trasmitirá el calor del captador al consumo, 3º) el modo de hacer circular el fluido caloporador y 4º) la tecnología de captación utilizada. Veámoslo en detalle.

La presión de trabajo de un sistema solar térmico dependerá, en primera instancia, de las presiones máximas que puedan soportar el captador y el acumulador solar. Según esto, se pueden clasificar las instalaciones en atmosféricas o presurizadas. Las primeras no resisten presiones mayores de una atmosfera, por lo que sus elementos tienen alguna parte abierta y en contacto con la atmósfera. Los segundos trabajan en un rango de presiones que va desde 1.5 atm hasta más de 6 atm. Por supuesto, en estos sistemas las variaciones de presión en la atmósfera no deben afectar a la presión de trabajo, es decir, están presurizados.

Por otro lado, existen dos formas de trasmitir la energía calorífica absorbida por los captadores al consumo, la primera de ellas es hacer pasar el propio fluido que se quiere consumir, normalmente agua caliente sanitaria (ACS), por el captador; a estos sistemas se les denomina directos. La segunda forma es utilizar un fluido caloportador (que puede ser agua o una disolución con anticongelante) por el captador para posteriormente trasmitir el calor, por medio de un intercambiador, al fluido de consumo. Este tipo de sistemas, llamados indirectos, debe disponer, por lo tanto, de dos circuitos separados por el intercambiador, que se denominan primario y secundario. Por el contrario, los sistemas directos solo disponen de circuito primario.

Para hacer circular el fluido por el captador se puede instalar una bomba, en cuyo caso se habla de sistemas forzados, o bien se puede aprovechar el efecto termosifónico.

Por último, dependiendo de la tecnología utilizada los captadores pueden ser planos o tubulares de vacío, esta última categoría se divide a su vez entre captadores de flujo directo y los denominados heat pipe.

Figura 1. Clasificación de los sistemas solares térmicos de baja temperatura.

Hay que tener en cuenta que los cuatro factores anteriormente detallados son independientes entre sí, es decir, una instalación solar térmica puede ser el resultado de combinar cualquiera de cada una de las opciones de cada factor. Con todo, no existen productos comerciales de todas las combinaciones posibles. A continuación veremos algunos ejemplos de las principales y expondremos las ventajas y desventajas de cada una de ellas.

Figura 2. Esquema de un equipo termosifón atmosféricos indirectos de tubos de vacío. (Cortesía de FujiSol).

En primer lugar, trataremos los sistemas termosifónicos, ya que es donde más variedad existe. Por ejemplo, un tipo de instalación muy frecuente en la actualidad es el de los sistemas termosifónicos atmosféricos. Estos sistemas se presentan normalmente de forma compacta y se basan en un captador de tubos de vacío encajado en un acumulador de inercia. Como se puede ver en la figura 2, al contrario que la mayoría de sistemas solares térmicos el serpentín está en el circuito secundario y su presión dependerá de la presión de la red de distribución de agua. Por el contrario, el acumulador está en contacto con la atmosfera (que es la que fija la presión) por medio de un conducto de ventilación colocado en su parte superior.  Debido a que el acumulador no puede ser conectado a la red de distribución, ya que la presión haría que el agua se derramase por el conducto de ventilación, frecuentemente se equipan estos sistemas con sistemas de llenado automático, que suelen consistir en un pequeño acumulador auxiliar equipado con un sistema de boya más válvula que se llena cuando el nivel del agua baja de cierto límite preestablecido. Debido a las frecuentes pérdidas por evaporación o pequeñas fugas que sufren estos sistemas, el dispositivo de llenado automático se activa frecuentemente.

Figura 3. Sistema de termosifón atmosférico indirecto de tubos vacío. Obsérvese el sistema de llenando automático en la parte superior del acumulador de inercia. (Cortesía de Saiar).

La baja presión a la que trabajan estos equipos posibilita utilizar poco material en la elaboración del acumulador y que por consiguiente se emplee en ellos elementos con buenas condiciones como el acero inoxidable.

Las ventajas principales de este tipo de equipos son su bajo precio y su reducido peso. Lo último facilita la instalación del acumulador, evita el uso de grúas y vuelve sencillo el proceso general de montaje del sistema.

Sus desventajas son las propias de los equipos atmosféricos: elevadas pérdidas de agua por sobrecalentamiento y evaporación, acumulación de residuos en el depósito, dificultad de utilizar un fluido caloportador anticongelante y la mayor pérdida de agua en caso de rotura de alguna parte del circuito primario (siempre que el captador no sea de heat-pipe). Además, hay que añadir que los sistemas con serpentín en el secundario,  son menos eficientes que aquellos que lo incoporan en el primario.

Para evitar la última de las desventajas, una variante de los anteriores sistemas consiste en quitar el serpentín, es decir, hacerlos directos. Un ejemplo de esto se puede ver en la figura 4, en donde se observa que la única entrada del agua de red está conectada al sistema de llenado automático, idéntico al del sistema anterior. La desventaja de utilizar sistemas directos es que el agua pasa siempre por el captador (sea de vacío o no) dejando a su paso múltiples impurezas como la cal, lo que a la larga causa graves problemas de funcionamiento. Es por ello que muchas legislaciones nacionales prohíben los sistemas solares térmicos directos.

Figura 4. Equipo de termosifón atmosférico directo con tubos de vacío.

Frente a los sistemas atmosféricos se encuentran los equipos presurizados. La mayoría de ellos son de tipo indirecto y con el serpentín o intercambiador de calor en el primario y siempre dentro del acumulador. El acumulador está compuesto normalmente de hierro vitrificado o acero inoxidable. Son destacables los denominados acumuladores de doble envolvente, caracterizados por incorporar al mismo una pared extra de modo para formar un pequeño espacio entre ambas envolventes que haga las veces de intercambiador de calor. En todo caso,  debido a que el acumulador debe soportar una presión considerable, su peso será siempre elevado. En estos equipos, el fluido caloportador del circuito primario es en general una disolución anticongelante de propilenglicol.

En este tipo de sistemas se puede emplear tanto la tecnología de tubos de vacío como los captadores planos. Independientemente de esto, la principal desventaja de estos equipos es su precio elevado en comparación con los sistemas atmosféricos y su mayor peso, lo que dificulta las tareas de instalación. Por el contrario, los sistemas presurizados presentan una mayor eficiencia, durabilidad y fiabilidad que los atmosféricos; además de un mantenimiento menor. En general, los sistemas presurizados son más recomendables que los atmosféricos.

Figura 5. Esquema de un sistema de termosifón indirecto presurizado con acumulador de doble envolvente. (Cortesía de Promasol).

Hasta aquí hemos hablado de sistemas termosifónicos, que son los más adecuados, debido a su relación precio-eficiencia, para cubrir consumos bajos o moderados, como son los habituales de viviendas unifamiliares o pequeños comercios. Sin embargo, cuando es necesario acumular grandes cantidades de ACS, la acumulación se hace de forma distribuida o se necesitan más de dos o tres captadores, el sistema basado en el efecto termosifón se hace inviable. En esos casos es necesario instalar al menos una electrocirculador  en el circuito primario, en cuyo caso se habla de instalación forzada.

Los sistemas forzados son mayoritariamente indirectos y presurizados; el intercambiador puede estar en el interior del acumulador, ser de doble envolvente o situarse de forma previa al sistema de acumulación. Como fluido caloportado se emplea siempre algún tipo de anticongelante.

Los equipos forzados tienen dos ventajas principales frente a los termosifónicos: no tener limitación en cuanto a su tamaño y ser más eficientes. Por el contrario, este tipo de instalación es en general más cara, más dificultosa de instalar y requiere un mantenimiento mucho mayor.

Figura 6. Esquema de una instalación solar térmica forzada, donde el intercambiador de calor es externo a los acumuladores.

Por último, independientemente del tipo de sistema empleado (forzado, termosifónico, atosféricos, etc.), hay que tener en mente que los captadores planos son más baratos que los de tubos de vacío, especialmente los de heat-pipe; es por ello que los segundos suelen ser económicamente viables, gracias a su mejor eficiencia, solo en localizaciones con promedios de temperaturas muy bajas o en aplicaciones donde se requiera una temperatura de consumo elevada.