Un colector solar o captador solar es cualquier dispositivo diseñado para recoger (colectar) la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de un fluido con vistas a su aprovechamiento. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción, agua caliente sanitaria y climatización de piscinas fundamentalmente, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos que concentran la energía solar, y suelen ser utilizados para producir el vapor que mueve una turbina para la generación de energía eléctrica.
Tipos de colectores (paneles) Colectores de baja temperatura thumb|Colectores solares planos. Son aquellos que, por una inversión moderada, permiten obtener energía térmica para usos habituales en la construcción.
Colector solar plano También llamado panel solar térmico, consiste en una superficie plana por la que discurre, embebida o pegada, una tubería por la que discurre el agua que se ha de calentar. El conjunto de la superficie (panel) y tubería son o están pintados, de color negro, que absorbe la radiación solar. Hay dos tipos fundamentalesː
Colector plano protegido: cuentan con un vidrio fino en la cubierta que limita las pérdidas de calor y aumenta la captación por efecto invernadero. El resto de caras están aisladas térmicamente. Son los más utilizados por tener la relación coste-producción de calor más favorable. El captador está en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de espesor (aunque no están normalizados). Dentro de la caja, expuesta al sol, hay una placa metálica. Esta placa está unida o soldada a una serie de conductos por los que circula un caloportador —generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos—. A dicha placa se le aplica un tratamiento superficial selectivo para que aumente su absorción de calor, o simplemente se la pinta de negro. El sistema funciona por efecto invernadero.
El rendimiento de los colectores depende de varios factores. Naturalmente de la insolación (horas de sol y situación geográfica, de mayor o menor soleamiento) y de la buena colocación del colector (orientación, inclinación y ausencia de elementos que les dé sombra); aunque la caja está aislada térmicamente, tiene pérdidas hacia el ambiente exterior, pérdidas que aumentan cuanto más frío esté el aire ambiente y cuanto mayor sea la temperatura del caloportador (mayor diferencia de temperaturas con el exterior) por lo que mejora el rendimiento cuanto menor sea la temperatura de trabajo. También, a mayor temperatura de la placa captadora, más energética será su radiación, y más transparencia tendrá el vidrio frente a ella, disminuyendo por tanto la eficiencia del colector. Funcionamiento. El Colector funciona como lo haría un invernadero o estufas frías, de los jardines botánicos. Un invernadero consiste en un edificio cerrado con acristalamiento, cuyo interior se calienta porque el vidrio tiene un efecto selector de la radiación; es el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en verano. La luz visible calienta la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiación de onda larga. El vidrio actúa como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es poco transparente a la radiación infrarroja de mayor longitud de onda, por lo que, a pesar de las pérdidas por transmisión —el vidrio es un buen conductor térmico—, el recinto de la caja y, por lo tanto, el líquido que circula por los conductos, se calientan por encima de la temperatura exterior.
Colector plano no protegido: sistema más económico y de menor aislamiento al aire que lo rodea, utilizado esencialmente para climatización de piscinas en climas con temperaturas ambiente cercanas a la temperatura de la alberca (media diurna de 10 grados centígrados hacia arriba). En este caso no dispone de vidrio protector, por lo que no aprovecha el efecto invernadero, y se calienta simplemente porque la radiación solar es mejor absorbida por una superficie negra que otra de color claro, esto le permite en climas cálidos tener una mayor eficiencia para calentar a bajas temperaturas que los colectores encapsulados, por ejemplo en el caso de las piscinas (que se utilizan a temperaturas de 26 °C± 1 °C en el caso de competiciones olímpicas). Dada la simplicidad de este tipo de colectores, existen multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales; conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro es, en esencia, un colector solar plano no protegido sin embargo su problema es que al irse calentando dentro de la manguera, el agua deja de ganar el calor que llega del sol. Es decir, el primer metro es muy eficiente pero el segundo un poco menos y así sucesivamente hasta el punto en que ya está tan caliente el agua que el calor que llega del sol se pierde hacia el aire que es más frío que el agua precalentada provocando que los siguientes metros ya no haya ganancia de calor por parte del agua. En realidad un buen Colector desnudo se caracteriza por tener dos cabezales (tubos de diámetro superior, ubicados en los extremos del colector) y un cuerpo de multi-tubo (muchos tubos de menor diámetro en paralelo) que funciona con la eficiencia de los primeros metros de la manguera enrollada, al conectar colectores en paralelo obtenemos la misma eficiencia en cada uno de ellos y por lo tanto una gran eficiencia. En muchos casos se logrará mejores eficiencias que con un Colector Protegido porque en éste la Cubierta de Vidrio refleja la radiación Solar y según estudios de laboratorios se pierde alrededor del 21% del calor solar solamente para atravesar la cubierta transparente por reflexión y absorción de la misma (cuando esta cubierta está sucia, esta perdida puede ser bastante mayor). En climas Templados la Eficiencia de éstos equipos desnudos puede llegar a valores cercanos al 80% y necesitarse una superficie más pequeña de captación solar y de mucho más bajo costo. También es importante comentar es que el agua de las Piscinas es muy corrosiva y destruye los Colectores Metálicos protegidos y no protegidos, en cambio los Colectores Solares desnudos de Plástico tienen una vida útil mucho más larga y no presentan este problema de corrosión.
Colector de tubos de vacío Un colector solar de tubos de vacío consiste en una serie de tubos de vidrio de doble pared; la cámara intermedia está al vacío. Existen tres sistemas: Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos. Flujo indirecto con heat pipe: el calor evapora un fluido en el tubo, y este transmite su energía al condensarse en el extremo. y por el tubo interior discurre el caloportador Flujo indirecto sin heat pipe La diferencia con el anterior es que es construido al 100 % con cristal de borosilicato, evitando la utilización de cobre, por lo que abarata aún más sus costos, además eleva el rendimiento un 30 % con respecto a los tubos de vacío con Heat-Pipe.
Colectores de alta temperatura thumb|Concentradores solares de espejo cilíndrico-parabólico. Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parabólicos. Pueden ser: Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer una tubería situada en el foco de la parábola Sistemas puntuales (disposición esférica): con forma de paraboloide de revolución, utilizado para concentrar más la radiación y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas. Espejos planos o lentes Fresnel lineales, con idéntica función que los concentradores solares lineales.
Colectores de muy alta temperatura Llamada a veces horno solar, son sistemas para obtener muy altas temperaturas. Antiguamente se hizo con concentradores parabólicos fijos (horno solar de Odeillo) y actualmente se hace con campos de espejos planos orientables que dirigen su reflejo y lo concentran en un único punto situado en una torre, en la que se genera vapor de agua que suele servir para producir electricidad.
Tabla resumen de tipos de colector Movimiento Tipo de colector Imagen Tipo de absorción Ratio de concentración Campo indicativo de temperaturas de funcionamiento (°C) Estacionario Captador solar plano120px Plano 1 30-80 Estacionario Colector de tubo de vacío120px Plano 1 50-200 Estacionario - Seguimiento en un eje Colector parabólico compuesto120px Tubular 1-15 60-300 Seguimiento en un eje Reflector lineal de Fresnel - Tubular 10-40 60-250 Seguimiento en un eje Colector cilíndrico - Tubular 10-40 60-300 Seguimiento en un eje Colector parabólico - Tubular 10-40 60-400 Seguimiento en dos ejes Reflector de disco parabólico - Puntual 600-2000 100-1500 Seguimiento en dos ejes Colector por campo de heliostatos 120px Puntual 300-1500 150-2000
Aplicaciones Los colectores solares tienen múltiples usos, entre los que se encuentran: preparación de agua caliente para usos sanitarios, climatización de piscinas, calefacción, frío solar, crear vapor, cocinar, esterilización, pasteurización, desalinización, lavado, secado, tintado, entre otras, tanto a nivel doméstico como industrial.
Dependiendo de la estación del año, tanto en viviendas unifamiliares como en edificios, las instalaciones de energía solar térmica pueden proporcionar entre el 30 % y el 100 % del agua caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-100 % (dependiendo de la zona geográfica), por lo que necesitan el apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente.En la tabla 2.1 de la DB-HE 4 del Código Técnico de la Edificación de España, se establecen las aportaciones solares medias anuales mínimas a la producción de ACS; dependiendo del tamaño de la instalación y de la zona climática, oscilan entre el 30 y el 70 %. En la tabla 2.2, se listan las aportaciones mínimas para piscinas cubiertas.
Utilizados para calefacción solo son indicados para sistemas de baja temperatura, como el suelo radiante, donde se emplean para las épocas en las que no hace falta demasiada calefacción. En la práctica no es económicamente rentable dimensionar la instalación para reducciones de consumo mayores a un 30 %. El problema con el uso para calefacción es que los días en que las necesidades de calefacción son mayores, la captación y el rendimiento de los colectores disminuyen. Mientras que cuando los paneles son más eficientes, las necesidades de calefacción son menores.
Para calefactar espacios se pueden utilizar otros tipos de colector como el que hace circular aire entre láminas metálicas pintadas de negro contenidas en un dispositivo semejante al de los colectores cerrados antes descritos, pero especialmente diseñados para ello (caja aislada cubierta de vidrio pero de mayor espesor), que proporcionan calefacción directa sin los riesgos operativos que presenta el agua (aunque con menos eficiencia, debido a la menor capacidad caloportadora del aire y a que el aire suele estar más sucio y al no circular en circuito cerrado ensucia el vidrio).
El uso de colectores solares térmicos es particularmente adecuado para la climatización de piscinas, pues la baja temperatura de trabajo requerida permite incluso tipologías de colectores sin vidrio protector, lo que abarata enormemente tanto los costes como el impacto ambiental de la instalación. Además, no necesitan acumulador puesto que es la propia agua de la piscina la que actúa como tal. En el caso de piscinas cubiertas que funcionan en invierno es un ahorro de energía y en el de piletas al aire libre permite prolongar la temporada de baños al tener más caliente el agua.