Diferencias entre energía solar térmica y fotovoltaica

La transición energética es un proceso que conlleva, entre otras cosas, una tendencia cada vez mayor de
empoderar al usuario final a través de cambiar su condición de consumidor a prosumidor, mediante la
generación de energía de manera aislada o distribuida. Esta independencia energética ha encontrado, en
la energía solar, su principal baluarte. Sin embargo, es importante saber diferenciar las características y el
principio de funcionamiento de las dos tecnologías solares más empleadas; la fotovoltaica y la térmica.

El origen de ambas es el mismo. Hablamos de energía solar para referirnos a la radiación
electromagnética del Sol, la cual podemos emplear para generar electricidad, calor e incluso ambas. Para
aprovechar esta radiación solar se precisan captadores solares, que pueden ir desde células fotovoltaicas
(que forman los diferentes tipos de paneles fotovoltaicos) hasta colectores térmicos, pasando por toda una gama de modelos
con diferentes características para transformar esa radiación solar en energía útil y que podrás conocer
más adelante.

Además, debemos considerar que la radiación solar puede ser difusa, cuando se refleja en las nubes y en
la atmósfera, o directa, cuando llega de ese modo a la superficie terrestre. Aunque ambos tipos son
aprovechables en las dos tecnologías, la irradiación solar directa es la que ofrece unos mayores valores
de rendimiento para los componentes que la reciben. En el caso de la solar térmica, algunos captadores
se diseñan de tal modo que puedan dirigir toda la radiación recibida en una superficie, en un solo punto,
con el objetivo de aumentar la temperatura en ese foco. Es el caso, por ejemplo, de las centrales
termosolares de espejos, cuyos colectores, debidamente orientados, focalizan toda la radiación solar en
un punto concreto en lo alto de una torre que alberga un fluido de trabajo.

Cuando mencionamos un sistema de energía solar, podemos referirnos tanto a sistemas fotovoltaicos con
o sin almacenamiento, que generan electricidad de manera directa a través de la conversión en las
células fotovoltaicas de los paneles, como a sistemas de captación solar que aprovechan el calor de la luz
del Sol para calentar agua, que puede servir para consumo, calefacción e incluso para procesos
industriales.

Clasificación de la energía solar térmica

Según el rango de temperaturas a la que operan los sistemas de captación solar, sus aplicaciones
pueden ser unas u otras. Así, solemos distinguir a la tecnología solar térmica según los grados
de trabajo del fluido.

1. De baja temperatura
   Mediante el uso de colectores de baja temperatura, que pueden alcanzar rangos de entre 45ºC y 70ºC
   procedentes de la radiación solar, se puede calentar agua sanitaria para uso doméstico, principalmente,
   que se emplea tanto para calefacción como para uso directo.
2. De media temperatura
   Se clasifica como media temperatura a los sistemas capaces de alcanzar los 300ºC de temperatura. En
   estos casos, las aplicaciones suelen ser industriales y se emplean para calentar fluidos para procesos de
   fabricación, de montaje o de climatización, por ejemplo.
3. De alta temperatura
   Este principio de funcionamiento también se emplea para generar electricidad a gran escala. Los
   captadores solares de tipo espejo o cilíndrico parabólicos, entre otros, son capaces de alcanzar
   temperaturas superiores a los 550ºC. En estos sistemas se calienta un fluido de trabajo, por lo general un
   aceite sintético, que puede intercambiar su calor en otro sistema, generalmente para generar vapor, que
   hará funcionar una turbina eléctrica.

Tipos de colectores térmicos

También según el rango de temperatura al que operan, visto anteriormente, podemos distinguir 4 modelos
principales de colectores solares:

1. Colector plano.
2. Colector línea Fresnel.
3. Disco Solar (Stirling).
4. Colector cilíndrico parabólico.

El colector plano es el más sencillo y económico, tiene un bajo rendimiento y una baja relación de
concentración. Su uso más extendido es el calentamiento de agua sanitaria y no se suelen emplear para
la generación eléctrica.

Los colectores línea Fresnel son reflectores que siguen la trayectoria del sol en un eje y centran la
radiación de los rayos en tubos receptores por los que circula un fluido. La diferencia entre éstos y los
cilíndrico parabólicos es que el Fresnel emplea varios espejos ligeramente curvados o largos y planos
situados en el suelo, y el tubo receptor se eleva por encima de los espejos estando fijo.

El tercer modelo, los colectores cilíndrico-parabólicos, concentran la radiación en un receptor formado por
tuberías que transportan un fluido, agua o sintético, que transfiere la energía en un intercambiador de
calor. Se orientan de Norte a Sur y siguen la trayectoria solar de Este a Oeste. Son los más extendidos en
generación eléctrica pudiendo alcanzar capacidades de hasta 100-200 MW en centrales termosolares.

Los discos solares (Stirling) son espejos cóncavos parabólicos que tienen su receptor montado en el foco.
Son los que alcanzan mayores temperaturas, pero con potencias más bajas, por lo que son necesarias
varias unidades para conseguir potencias de MW.

• 

Sistema fotovoltaico Vs Sistema de captación solar

Cuando hablamos de autoconsumo, principalmente para el sector industrial, la tendencia es relacionarlo con sistemas fotovoltaicos que abastezcan parte del consumo eléctrico de los procesos de fábricas, centros de montaje, industrias etc. Estos sistemas están formados por los siguientes componentes:

1. Generadores fotovoltaicos: Comprende el conjunto de paneles fotovoltaicos que convierten la radiación solar en energía eléctrica de manera directa y que se suelen instalar en los tejados de las industrias o almacenes, donde se cuenta con una gran superficie útil de captación y sin uso.
2. Sistema de baterías: Encargado de suministrar energía almacenada cuando la irradiación sea escasa o nula. En industrias con operación las 24 horas del día, pueden ser muy importantes para satisfacer la demanda de los procesos cuando no hay radiación solar.
3. Regulador: Encargado del control del estado de la carga, adaptando los diferentes ritmos de producción y la demanda de energía.
4. Inversores: Encargados de transformar la corriente continua producida por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna, la cual alimentará directamente al sistema.

La principal diferencia entre los dos sistemas de energía solar es el principio de conversión energética, que sucede en el interior del captador. El efecto fotovoltaico, principio por el que se transforma la radiación solar en electricidad, es definido como la conversión de luz realizada por la célula del panel fotovoltaico. Una célula está formada por materiales semiconductores, principalmente silicio. La célula dispone de una capa de silicio tipo n y otra capa de mayor espesor de tipo p. El comportamiento eléctrico de ambas capas, por separado, es neutro, pero al entrar en contacto se genera un campo eléctrico en su interior.

Al unir ambos semiconductores, los electrones se desplazan desde la zona n hacia la zona p, para que el exceso de electrones de la primera ocupe los huecos de la segunda. Este flujo de electrones provoca la creación de un campo eléctrico. Al realizar esta combinación, aparece una carga negativa en la zona p y una positiva en la n.

Sin embargo, el principio de conversión de un captador térmico es la transferencia de calor entre el aire y el fluido de trabajo.

• 

Por tanto, el autoconsumo energético también hace referencia a sistemas de captación solar. En el ámbito industrial, se pueden confundir ambos sistemas (fotovoltaico y térmico) por el hecho de englobarlos bajo el nombre de autoconsumo, pero mientras el fotovoltaico permite una reducción en la factura eléctrica, el sistema de captadores térmicos permite reducir el consumo de energía, en general, para calentamiento de agua. Esta necesidad es muy extendida entre industrias papeleras, textiles o alimentarias, por ejemplo, y están formados por los siguientes componentes:

• Captadores/colectores solares

Visto anteriormente, son elementos que capturan la radiación solar y la convierten en calor, en energía térmica. A diferencia del efecto fotovoltaico, que se basa de un efecto químico, el proceso de conversión en estos captadores es térmico; el vidrio deja pasar la luz solar, que caliente los tubos metálicos del interior del panel, encargados de calentar el fluido. El vidrio que cubre el captador es de color oscuro por dos motivos. En primer lugar, para proteger la instalación y, en segundo, porque permite conservar el calor generando un efecto invernadero que aumenta la eficiencia del captador y mejora su rendimiento.

• Acumuladores

Es el conjunto encargado de almacenar el agua calentada durante el día para su consumo en cualquier momento. En algunos casos, este tanque puede llevar también un sistema intercambiador de calor en forma de serpentín o de doble envolvente. Este último es un depósito interior que almacena el fluido primario calentado por los colectores.

• Intercambiador de calor

Es el sistema encargado de transferir el calor. Se trata de un sistema de conductos en forma de serpentín para aumentar la superficie de contacto con el vidrio del panel. Su objetivo es transferir ese calor de un fluido, el calentado, al agua de uso, de modo que no se tenga que poner en contacto el fluido caloportador con el agua de consumo.

• Sistema hidráulico

Consta de una bomba hidráulica, válvulas y tuberías. Considera los dos circuitos existentes, el primario, que es por donde circula el fluido caloportador desde el sistema de captación solar al intercambiador de calor, y el secundario, que es por el que circula el agua desde el intercambiador al sistema de acumulación.

La bomba hidráulica es necesaria para paliar el rozamiento del fluido con las paredes de las tuberías y los distintos elementos del sistema.

• Caldera

Los sistemas térmicos necesitan, por lo general, un apoyo auxiliar que asegure la disponibilidad de agua caliente en todo momento, dado que el sistema de energía solar térmica no será capaz de cubrir las necesidades de consumo las 24 horas.

• 

Adicional a estas diferencias entre los sistemas de captación térmica y los fotovoltaicos, una de las grandes ventajas de los segundos es que la electricidad generada puede tener el mismo fin que los sistemas de captación térmica y emplearse para aplicaciones relacionadas con el suministro de agua. En ese sentido, la tecnología fotovoltaica puede utilizarse para el bombeo de agua y calentamiento a través de un calentador eléctrico.

Por tanto, muchas industrias optan por la opción de autoconsumo fotovoltaico también para calentar agua para sus procesos, e incluso para sus sistemas de calefacción en oficinas, por ejemplo. Podemos decir que, esta opción, es la que logra más ahorros y un retorno a la inversión antes, dado que el coste de la factura eléctrica siempre es mayor que el de consumo de otros combustibles para calefacción, como gas natural.

Los sistemas térmicos, explicados anteriormente, son dependientes de la irradiación solar, por tanto, es necesario la presencia de acumulación de energía. En este caso, es más eficiente un sistema de acumulación de agua en un depósito, de tal forma que, mientras haya irradiación, ésta se transforme en energía eléctrica que mediante un motor haga ascender el agua.

El autoconsumo energético con energía solar está cada vez más extendido, siendo la fotovoltaica la tecnología que más se utiliza para satisfacer la demanda de electricidad. Esto es debido a que, principalmente, el ahorro de costes es mayor dada la mejora en la competitividad de los componentes que forman parte de un sistema fotovoltaico, y a que la electricidad suele suponer un coste mayor que la calefacción en cualquier industria.

Además, la supresión del famoso “impuesto al sol”, unido al marco legal que establece las reglas de juego del autoconsumo industrial, permite que las empresas puedan aprovechar sus superficies útiles para la instalación de paneles solares, contribuyendo a la transición energética, reduciendo su huella de carbono y, sobre todo, abaratando su factura de electricidad. Además de todo esto, y al ser una energía sumamente importante y de amplia expansión en España, existen múltiples subvenciones para el autoconsumo fotovoltaico, las cuales ayudarán a todas las empresas que decidan dar el paso hacia esta nueva energía limpia.

Por sus aplicaciones, ventajas, reducción en los costes y beneficios medioambientales, la energía solar, en todas sus formas, seguirá siendo la principal tecnología promotora de la independencia energética e impulsora de la transición energética.