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Un acercamiento a los paneles solares termodinámcios

Ayer estuve en una charla en la que la empresa Capsolar hablaba de la tecnología que fabrica: los paneles solares termodinámicos.

Descubrí esta interesante tecnología hace tiempo y uno de cuyos mayores inconvenientes, en mi opinión, es un aspecto que no tiene poco que ver con la propia tecnología y más con el marketing: el nombre tiene mucho de "solar" y pero el sistema tiene realmente mucha más de "termodinámica". Los paneles solares termodinámicos son más una evolución de la bomba de calor que de una panel solar. Y el acercamiento a esta tecnología puede ser muy desconcertante, tanto, que podría parecernos que nos están tomando el pelo o que nos están intentando vender otro de esos aparatitos imposibles del cantamañanas energético de turno (...). Al fin y al cabo... ¿cómo puede funcionar un panel solar sin sol? Pueden porque realmente es una bomba de calor mejorada y optimizada gracias a paneles, funcionando como evaporador, en los que se capta calor del ambiente, haga sol o no (mejor que lo haga, por supuesto).

Para los que no estén familiarizados con los ciclos frigoríficos. La termodinámica es muy puñetera y además de ser imposible sacar energía de la nada, nos pone alguna que otra limitación: la energía en forma de calor no puede moverse de un sitio frío a uno más caliente sin aporte de trabajo. En otras palabras, que lo más frío no puede calentar a lo más caliente.

En números: si tenemos un vaso de agua a 10 ºC y otro a 20 ºC, en teoría y sin violar lo de "la energía no se crea ni se destruye" podría ser que el primero pase a 5ºC y el segundo a 25ºC, ¿verdad? Hemos tranferido, por ejemplo, 1000 julios de uno a otro. Bueno la termodinámica nos dice que eso no se puede hacer de "forma natural", tenemos que gastar trabajo para conseguirlo, por ejemplo 500 julios. Esta energía (aportada como trabajo) suele, finalmente transformarse en calor y que tiene que ir a algún sitio. Si nuestro sistema de dos vasos está perfectamente cerrado, y el calor no se ha podido escapar, los 500 julios de trabajo habrán pasado al segundo vaso, al más caliente, calentándolo un poco más. De tal forma que al final tendremos realmente un vaso a 5ºC y el segundo, por ejemplo, a 27,5ºC.

Si nuestro objetivo era enfriar el primer vaso (foco frío) porque nos queríamos tomar una cerveza fresca, el sistema que hemos diseñado es un frigorífico y el vaso caliente (foco caliente) representa el ambiente exterior (¿a que en la parte trasera del frigorífico sale calor? Ese es el "vaso caliente" de nuestro ejemplo). Hemos gastado 500 julios para enfriar 1000 julios. Si nuestro objetivo era  calentar más el vaso caliente (por ejemplo, queremos calentar una casa "extrayendo" calor del exterior, más frío), entonces hemos diseñado una bomba de calor: hemos gastado 500 julios de trabajo para calentar 1000+500=1500 julios. Le hemos sacado un rendimiento del 300% al trabajo gastado (normalmente electricidad). Aparentemente violamos la primer ley de la termodinámica, pero como vemos, no es así: la termodinámica dice que debe ser así.

Mas detalles... resulta que el trabajo que gastamos para transferir energía del vaso frío al caliente, los 500 julios, no siempre son así... tiene menos rendimiento cuanto más alejadas están las temperaturas de ambos vasos. En nuestro ejemplo: si hemos gastado 500 julios para que el vaso frío se enfríe y el caliente suba su temperatura, para que el vaso frío pase ahora de 10 a 5ºC y el caliente de 27,5 a 32,5 (es decir 5ºC más de traferencia) necesitaremos más energía.. digamos que 1000 julios adicionales. Cuanto más separada esté la temperatura de los dos vasos, menos eficiente es el sistema y más energía en forma de trabajo necesitaremos para transferir la misma cantidad de energía en forma de calor del vaso frío al caliente. En último termino, nos encontraremos que apenas enfriaremos el vaso frío y que el vaso caliente se seguirá calentanto, sí, pero no por el calor que le viene del vaso frío sino por el calor que le viene del trabajo realizado: realmente hemos dejenerado el ciclo termodinámico a una calentamiento como si fuese una resistencia eléctrica pero utilizando un aparato muchísimo más complejo.

Lo dicho, que interesa que los dos vasos (los dos focos) estén lo más cercano posible en temperatura para tener el mejor rendimiento. Y ahora llegamos a los paneles solares termodinámicos... Nuestra casa la queremos tener siempre a una temperatura de confort, digamos 22ºC. Y la de fuera está a la que esté... por ejemplo 10ºC. Ponemos los paneles para que capte energía solar (o del ambiente) de forma que la temperatura "equivalente" del exterior sea superior, pase, por ejemplo a 20ºC... y de esa forma tenemos un ciclo de bomba de calor funcionando con una eficiencia enorme, ya que las temperaturas del foco frío y el caliente están muy cercanas. Otra forma de verlo es que tenemos unos paneles solares cuya energía es "multiplicada" por un ciclo termodinámico.

¿Qué pasa si no hace sol? Pongamos un caso extremo: de noche y con una helada a -5ºC... el foco frío (los paneles) en vez de estar a una temperatura "equivalente" de 20ºC como en el párrafo anterior, se quedarán a -5ºC... el ciclo termodinámico seguirá funcionando pero a muchísimo menos rendimiento. En lenguaje de marketing: "los paneles aportan calor incluso de noche y en invierno".

Alguna información comparativa interesante:

El sistema de paneles solares termodinámicos (PST) son capaces de cubrir mucho más porcentaje de las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción. Hablan del 100% frente a un 65% habitual de los paneles térmicos convencionales (PTC)

Los PST no necesitan tanto espacio como los PTC y son mucho más ligeros. La contribución de la radiación directa del sol no es tan importante en los PST, por lo que pueden estar más apilados, las sombras son más admisibles, no tienen un encapsulamiento tan importante (menos peso) y pueden orientarse de forma diferente a la óptima, con lo que se pueden integrar arquitectónicamente mejor.

El precio de instalación de los PST es ligeramente menor que os PTC y el coste la energía suministrada (€/kWh, sin contar amortización de capital) es menor que otras energías convencionales (electricidad al 100%, gasóleo, gas natural, etc.). Sin embargo en esta última comparativa, los de Capsolar se "olvidaron" de comparar el precio por kWh con los PTC, los cuales, aplicando el mismo criterio de cálculo, sería cero. En esto los PTC ganan a los PST.

Eché de menos también alguna gráfica o tabla de rendimientos en función de las condiciones climáticas o de radiación. Se pondría de manifiesto un problema (que ya sucede con los PTC) que es que tienen mucho mejor rendimiento cuando hay menos necesidades de energía. Con la diferencia que, según sospecho, las variaciones del rendimiento son más acusadas en los PST que en los PTC.

Hablaban de los PST como de energía sustitutiva, no complementaria. Normalmente, si instalas energía solar térmica, necesitas un sistema complementario de apoyo cuando no hay sol. Los PST, como no exigen tener radiación directa, se pueden dimensionar directamente sin necesidad de otra instalación complementario. En teoría, no necesitas otro aporte energético. Digo en teoría, porque los PST necesitan de energía eléctrica para funcionar. Y no estoy hablando de alimentar una bomba pequeña como en los PTC, sino del trabajo necesario para funcionar el ciclo frigorífico que, en situaciones adversas, puede ser importante. Si necesitas otra energía, que es la electricidad, aunque no como complemento sino como parte de las necesidades del sistema termodinámico.

Entre otras cosas, informaron que Capsolar ha conseguido para sus equipos la certificación que acredita el cumplimiento del códico técnico de edificación, en lo relacionado al porcentaje solar. Como no son unos paneles solares al uso, no entran per sé, sino que han requerido de una autorización expresa en un trámite que ya contempla el propio código. Un ejemplo: la Comunidad de Madrid no subvenciona esta tecnología dentro de los programas de energías renovables pero sí dentro de los de eficiencia energética.

Y como anécdota, y para enfatizar mi argumento de que son más "termodinámicos" que "solares", indicar que Capsolar ya ha desarrollado (y recién lanzado al mercado) un equipo solar termodinámico sin panel y otro equipo que es reversible, es decir que en invierno aporta calefacción a los radiadores y en verano frío (como el aire acondicionado frío/calor, pero adaptando la idea de los PST)

Este fin de semana intentaré subir alguna imagen, diagrama o foto para que quede más explicado. Pues al final va a ser que no.

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4 comentarios

carne de gallina -

Te confirmo el funcionamiento.
Antes de todo, decir que Daikin y Mitsubishi, que son las marcas punteras, tienen sistemas muy similares, aunque de concepción más clásica, que funcionan mucho mejor y mucho más fiables, y si me apuras más baratos inclusive. Además muchísimo más precisos y regulables. Sólo tienes que ir a las páginas web de estos fabricantes y ver el sistema Altherma de Daikin, por ejemplo. Y luego comparas.
Lo que vende CAPSolar, no es más que una bomba de calor ¿mejorada?. Hay varios tipos de bomba de calor. Se denominan genericamente Aire-Aire, aire-Agua, Agua-Aire y agua-agua. Esto es en función de cual es la naturaleza del foco frio y caliente. En el caso del aire, se suele extraer/añadir su energia mediante ventilación forzada a través de un intercambiador, y en el caso del agua, por paso de esta a un caudal determinado a través de un intercambiador (de placas, de tubo en tubo, estatico...).
Bueno. Pues los de Capsolar, lo único que hacen, es cambiar el intercambiador (evaporador este caso) forzado de la unidad exterior (siempre comparando con una bomba de calor clásica aire-aire o aire-agua, por ejemplo un aire acondicionado normal con bomba de calor es del tipo aire-aire), por un intercambiador (evaporador)estático con forma de panel. Punto. Esto tiene ciertamente una serie de ventajas, pero tambien una serie de inconvenientes que aún están por solventar.
Las ventajas, es sobre todo la eliminación el ventilador exterior (15% aprox de consumo, y algo de ruido), y quizá la eliminación de los sistemas de desescarche, que en función de su diseño y regulación pueden suponer en tiempo muy frío hasta un 20% del consumo. Y sobre todo que recogen la luz del sol... si están bien colocados claro. Esto implica como máximo unos 450W/m, que puede ser suficiente... o no.
Aquí se acabaron los ventajas, y comienzan los inconvenientes, casi todos de índole técnica, que explica el porqué aún Daikin no lo tiene en su catálogo... por lo menos a un precio competitivo, pues como sabes todo tiene un précio, pero si este no es razonable...
Todas las ventajas de estos paneles, son ciertas, pero a partir de ahora vamos a llamarlos por su nombre: Evaporador estático en panel orientable.

La potencia de cada panel es muy variable, ya que depende de muchos factores, como temperatura externa, sol y viento. Este factor es más importante de lo que parece.
Para ir haciendo equipos de distintas potencias, se colocan dichos paneles en paralelo, con lo cual, vas ampliando el rango de capacidad de evaporación y también el rango de variabilidad de capacidad, ya que la configuración de los paneles es fija e invariable. Osea, que se diseña de una manera, con 12 paneles por ejemplo, y en circunstancias favorables te "sobraran" incluso 6 y en condiciones desfaborables te faltarán incluso 10. Por lo menos en las bombas de calor clásicas, y buenes, que también hay que decir que las hay malísimas, puedes regular la velocidad del ventilador y adecuar la oferta a la demanda en algún porcentaje. Aquí es imposible, con lo cual muchas veces te faltará potencia, y otras te sobrará. Y según el diseño de estos equipos, esto es un problema muy gordo, ya que no puede regularse el caudal de gas para nada. O te sobra a veces, o te falta. hacer funcionar bien una máquina así, es imposible.
Otro problema. El equipo no usa otra regulación más que la temperatura de retorno del agua de condensación, o en todo caso, por temperatura ambiente. No saben hacerlo de otra forma. No está mal, pero no tiene ningun tipo de regulación proporcional. Hoy en día esto lo ofrecen los aparatos de aire acondicionado inverter desde 300-500€ para climatizar un salón.
Tiene gordos problemas de caracter técnico y control de calidad, que no voy a comentar aquí, pero no saben cómo solucinarlos.
Los paneles ocupan mucho sítio. Requieren una instalación de soporte que hay que fabricar, y en muchos casos es inviable. Aquí el equipo tradicional gana por goleada.
Es mucho más eficaz usar una bomba de calor con energía geotérmica que atmosferica, por todo. tamaño, estabilidad, regulación, control. solo que es más cara, pero funciona mejor.

MontanNito -

Muy interesante.
Aunque parece inevitable compararlo con los PTC, creo que su funcionamiento es más parecido a la geotermia para edificios, donde también se utilitza una bomba de calor aprovechando una fuente de T constante (el suelo a 2 metros de profundidad se encuentra siempre a unos 15ºC).
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Indarki -

Gracias.

La verdad es que no sabía si había quedado suficientemente claro.

Me encanta la termodinámica pero soy consciente que es una parte de la ciencia que puede ser bastante ininteligible.

Colomer -

Muy buen post.
Alguna vez he hablado con gente que instalaba los paneles estos y la verdad, no sabían ni lo que estaban instalando. Y claro, no lo podían explicar y te quedabas con la duda de si realmente servía para algo o era el típico timo.
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