Un captador solar plano es el tipo más habitual de colector solar. Es un dispositivo que sirve para aprovechar la energía de la radiación solar, transformándola en energía térmica de baja temperatura para usos domésticos o comerciales —calefacción, agua caliente y climatización de piscinas, fundamentalmente—. Es el componente principal de un calentador solar.
Los captadores solares planos pueden clasificarse en dos grandes grupos:
Son los más utilizados por tener la relación «coste-producción de calor» más favorable. En ellos, el captador se ubica 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 grosor, si bien existen modelos más grandes. La cara expuesta al sol está cubierta por un vidrio (habitualmente templado), mientras que las cinco caras restantes son opacas y están aisladas térmicamente. Dentro de la caja, expuesta al sol, se sitúa una placa metálica. Esta placa está unida o soldada a una serie de conductos por los que fluye un caloportador (generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos). A dicha placa se le aplica un tratamiento selectivo para que aumente su absorción de calor, o simplemente se le pinta de negro.
Son una variante económica de los anteriores donde se elimina el vidrio protector, dejando la placa expuesta directamente al ambiente exterior. Carecen también de aislamiento perimetral. Dada la inmediatez y simplicidad de este tipo de paneles, 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. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo coste.
Los captadores o colectores solares planos funcionan aprovechando el efecto invernadero —el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol en verano—. El vidrio actúa como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es menos transparente con las ondas infrarrojas de menor nivel de energía.
El sol incide sobre el vidrio del colector, que es transparente a la longitud de onda de la radiación visible, dejando pasar la mayor parte de la energía. Ésta calienta entonces la placa colectora que, a su vez, se convierte en emisora de radiación en onda larga (infrarrojos). Pero como el vidrio es muy opaco para esas longitudes de onda, entra más energía de la que sale, y el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior.
La placa colectora tiene unos conductos por los que circula un fluido caloportador que se calienta, y transporta esa energía térmica a donde sea necesario.
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 de 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.
Dependiendo de la estación del año, tanto en viviendas unifamiliares como en edificios, las instalaciones de energía solar térmica proporcionan habitualmente entre el 30 % y el 100 % del agua caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-50 %, por lo que necesitan el apoyo de sistemas convencionales de producción de agua caliente.
Utilizados para calefacción sólo son indicados para sistemas de baja temperatura, como el suelo radiante, donde se emplean para precalentar el agua de la caldera. Según los diferentes estudios que se consulten, la reducción del consumo obtenida se estima entre un 25-45%, aunque en la práctica no suele ser económicamente rentable dimensionar la instalación para reducciones de consumo mayores a un 30%, salvo que la instalación esté subvencionada. El problema que se presenta 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 son menores, mientras que cuando los paneles son más eficientes, las necesidades de calefacción son menores.
Para calefactar espacios se puede también hacer circular aire a través de paneles especialmente diseñados para ello, proporcionando calefacción directa sin los riesgos operativos que presenta el agua (aunque con menos eficiencia debido a la menor capacidad caloportadora del aire).
El uso de paneles 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.
Está en desarrollo el empleo de colectores para refrigeración con máquinas de absorción, pues al contrario que en calefacción, la mayor demanda de refrigeración coincide con el mejor rendimiento de los colectores.
Se estima que el 80 % del consumo energético de una vivienda se produce en forma de agua caliente a baja temperatura (calefacción y agua caliente sanitaria). De este consumo, aproximadamente el 70 % se emplea en calefacción. La calefacción es por tanto uno de los grandes caballos de batalla del ahorro energético.
Los captadores solares planos no son tecnológicamente complejos, por lo que su margen de evolución es muy limitado. No obstante, actualmente consiguen captar en torno al 80 % de la energía recibida del sol. (Compárese con el 15-20 % de los paneles solares fotovoltaicos comunes).
Por ejemplo, en Ciudad de México, se obtienen 15 MJ/día/m² en verano, y 8-10 MJ/día/m² en invierno.
Si bien hasta finales de 2006 su empleo en calefacción era económicamente discutible y su viabilidad dependía de subvenciones estatales, hoy en día y debido sobre todo al aumento del precio del petróleo, constituyen una interesante inversión.
Sin embargo, el principal escollo que tiene que superar esta tecnología es su escasa utilización a lo largo del año: la demanda anual de calefacción, a diferencia del agua caliente, no se reparte homogéneamente, sino que se concentra en los meses más fríos, que además coinciden con los de menos luz solar. Por este motivo, los paneles de calefacción permanecen inactivos la mayor parte del año, dificultando su amortización en el tiempo. La utilización masiva de paneles solares térmicos dependerá por tanto de nuestra capacidad para dotarlos de uso en verano, por ejemplo para refrigeración. Otras mejoras menores incluirían qué hacer con el calor sobrante en los meses en los que, aun disponiendo de ellos para refrigeración, no se utilicen los colectores (como en primavera u otoño), ya que si no se disipa adecuadamente, el exceso de calor puede destruir los colectores, por lo que hay que dotarlos de sistemas de prevención tales como pequeños radiadores exteriores, que elevan el coste de la instalación.
Por último, su uso para calefacción está viéndose amenazado por la popularización creciente de la calefacción geotérmica.
El estándar EN 12975 es el que se utiliza para las pruebas de los captadores solares.
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