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SUPERFICIES SELECTIVAS PARA
INSTALACIONES SOLARES: FUNDAMENTO Y
EVALUACIÓN DE SU APLICACIÓN.
Arcelio A. Hernández Fereira
Departamento de Física, Universidad de Cienfuegos, Cuba.
Autor para correspondencia: archdez@ucf.edu.cu
Fecha de recepción: 18 de julio de 2013 - Fecha de aceptación: 4 de octubre de 2013
El análisis de la eciencia de las instalaciones solares que tienen su fundamento de trabajo en la termo conversión exige que
en cada uno de sus elementos componentes se logre la mayor eciencia en los procesos relativos a la incorporación de la
radiación solar máxima para ser convertida en calor y la minimización de los procesos de pérdidas de energía en la instalación.
En este sentido se debe someter a análisis los dos componentes fundamentales de las instalaciones, el captador opaco y las
supercies aislantes transparentes que lo cubren.
El objetivo del presente trabajo es exponer los fundamentos de las supercies espectralmente selectivas que se usan tanto
en los captadores opacos como en los materiales aislantes transparentes que normalmente los cubren, cuáles materiales se
emplean que ya exhiben dichas características y cuál es su impacto en la eciencia de dichas instalaciones.
The analysis of the efciency of solar installations that have their foundation in-thermo conversion requires that in each of
its components the highest efciency be achieved in the processes related to the incorporation of maximum solar radiation
to be converted into heat and minimization of the energy loss processes in the installation. In this regard must be submitted
to the two fundamental components analysis facilities, opaque and transparent gauge overlying insulating surfaces.
The aim of this paper is to present the fundamentals of spectrally selective surfaces used in both opaque and transparent
sensors insulating materials that usually cover, what materials are used that already exhibit these characteristics and how they
impact on efciency of these facilities.
Palabras claves: Supercies selectivas, instalaciones solares, eciencia, termoconversión.
Keywords: Selective surfaces, solar installations, efciency, thermal conversion.
Imagen ilustrativa: Solar collectors. Fuente: http://www.bsp.lt
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1. INTRODUCCIÓN
Si se toma como punto de partida para el análisis
del funcionamiento de cualquier instalación solar
basada en la termo conversión un colector plano,
vemos que el mismo de forma general está inte-
grado por los componentes que aparecen en el
esquema representado en la Figura 1. El colector
comprende un arreglo térmicamente bien aislado
cuya cara superior es transparente de manera que
la radiación solar puede penetrar a una supercie
absorbente con propiedades cuidadosamente es-
cogidas en contacto con un medio al cual le trans-
ere el calor, generalmente agua o aire.
La eciencia de este colector viene dada por la
razón entre la energía útil obtenida y la energía
solar recibida. En el caso de la termoconversión
la energía útil se obtiene en forma de calor extraí-
do del colector por la sustancia de trabajo y su
manifestación concreta es el aumento de la tem-
peratura de dicha sustancia. Así, el incremento
de la eciencia de los colectores se consigue me-
diante un grupo de medidas que tiendan a reducir
las pérdidas y que la fracción de la energía solar
incorporada sea lo mayor posible.
Uno de los elementos esenciales en las instalacio-
nes solares es el absorbedor, captador o colector
solar, el cual tiene la función de recibir la radia-
ción solar y convertirla en otro tipo de energía
útil, generalmente en calor, si se trata de termo
conversión. Para hacer eciente el proceso de
conversión de la energía solar que llega al capta-
dor en energía térmica, la supercie del mismo, o
supercie absorbedora, debe exhibir una alta ab-
sorción de la radiación solar incidente en todo su
espectro y una baja emisión de radiación térmica
que necesariamente ocurre producto del calenta-
miento, o sea, debe ser espectralmente selectiva.
También se buscan alternativas para que el pro-
ceso de transferencia a la sustancia de trabajo sea
también lo más eciente posible. En este caso se
emplean metales con buena conductividad térmi-
ca y en algunos casos dispositivos favorecedores
del intercambio como aletas.
Para evitar pérdidas por intercambio de calor por conducción desde las
partes que adquieren altas temperaturas se utilizan sustancias aislantes.
Para reducir las pérdidas térmicas el captador debe ser aislado del medio
circundante para evitar pérdidas por intercambio de calor que no sea
con la sustancia de trabajo encargada de extraerla en forma útil. De esta
manera se evitan las pérdidas al aire, sobre todo por convección. En
este caso se coloca la supercie absorbedora debajo de una cubierta de
vidrio que evita las pérdidas por convección al limitar el movimiento
del aire. Se utilizan materiales aislantes transparentes como los vidrios
en múltiples variedades con diferentes propiedades ópticas. El carácter
espectralmente selectivo para estos materiales exige que sean muy trans-
parentes para la radiación solar incidente y reectantes para la radiación
térmica emitida por el captador en virtud de su elevada temperatura.
En las instalaciones que usan concentradores en forma de tubos y que
trabajan a elevadas temperaturas se evacúa el aire de los mismos para
acentuar el propósito anterior.
En el presente trabajo nos vamos a referir fundamentalmente a las pro-
piedades espectralmente selectivas que antes señalamos tanto para el ab-
sorbedor captador como para la cubierta transparente aislante.
2. SUPERFICIES ESPECTRALMENTE SELECTIVAS
PARA EL ABSORBEDOR. PROPIEDADES ÓPTICAS DE
LOS MISMOS.
La parte más crítica de un colector solar energéticamente eciente es el
absorbedor y en particular su supercie. El mismo debe absorber la ra-
diación solar incidente en su totalidad, o sea, toda la radiación solar pro-
veniente del sol en todas las longitudes de onda. Si tenemos en cuenta
el espectro característico de la radiación solar mostrado en la gura 2 de
la izquierda, vemos que toda la radiación está contenida en un intervalo
de longitudes de onda comprendidas entre los 0,2 µm y los 3 µm (200
nm < λ < 3000 nm).
Figura 1. Esquema de un colector solar plano.
Figura 2. Espectro solar sobre la supercie de la Tierra (izq.) y espectro solar
junto a curvas de emitancia espectral de un cuerpo negro para tres tempera-
turas (der.).
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La supercie del captador al absorber esta radiación solar se calienta
y como resultado de dicho calentamiento emite radiación térmica. Las
curvas de trazos de la gura 2 de la derecha muestran las grácas de la
emitancia espectral de un cuerpo negro para las temperaturas de 100,
200 y 300 ºC.
La energía emitida para temperaturas inferiores a 100 ºC es despreciable
para longitudes de onda inferiores a 3 µm. Las pérdidas asociadas con
la radiación térmica deben ser evitadas para ganar en eciencia. Esto
puede lograrse de dos maneras diferentes. La primera es depositar sobre
la parte interior del vidrio que cubre el absorbedor un recubrimiento que
reeje toda la radiación de longitudes de onda superiores a los 3 µm (λ >
3000 nm) provenientes del absorbedor debido a la radiación térmica de
manera que esta es devuelta al absorbedor. La segunda, y más común-
mente usada, es disminuir las pérdidas de calor teniendo una supercie
del absorbedor cuya emitancia térmica sea baja precisamente para ese
intervalo de longitudes de onda.
Como vemos, en lo relativo a la supercie del absorbedor, el carácter
espectralmente selectivo de la misma se logra cuando se satisfacen al
mismo tiempo ambas condiciones: absorción total de la radiación solar
en el intervalo 0,2 µm < λ < 3 µm y baja emisividad en el intervalo de
longitudes de onda correspondiente al espectro de emisión de la radia-
ción térmica, que depende de la temperatura del absorbedor.
De acuerdo a las leyes de la radiación térmica de un cuerpo negro opaco
se cumple:
El micro relieve es una forma de darle caracterís-
ticas absorbentes a la supercie y que sea inde-
pendiente de la longitud de onda de la radiación
incidente. Se basa en las reexiones múltiples que
atrapan los rayos luminosos de bajo ángulo de
incidencia entre las irregularidades. Estas pueden
obtenerse mediante un surcado mecánico de la
supercie metálica, como se muestra en la gura
4(a), o por métodos que permitan obtener es-
tructuras dendríticas, como las de la gura 4(b),
o similares como en el caso ya citado del ataque
químico.
Siendo: ρλ la reectividad espectral hemisférica, αλ el poder absorbente
espectral y ελ el poder emisivo espectral. De esta manera, si se conoce
ρλ se puede calcular tanto el poder absorbente espectral como el poder
emisivo espectral.
La reectividad espectral ρλ generalmente se determina experimental-
mente con ayuda de espectrofotómetros con esferas integradora que
permiten la medición de la misma teniendo en cuenta la reexión en
todas las direcciones. En la gura 3 se presenta una gráca típica de la
reectividad espectral en el intervalo de longitudes de onda que abarca
tanto la radiación solar como la parte infrarroja correspondiente a la
emisión por radiación térmica. Con línea de puntos está mostrado lo que
se considera el espectro que debería exhibir una supercie espectralmen-
te selectiva ideal para la cual en el intervalo 0,2 µm < λ < 3 µm exhibe
una αλ = 1 y en el intervalo correspondiente a la emisión de radiación
térmica una ελ = 0. Este caso corresponde a un recubrimiento de un
material compuesto de Al-Si atacado químicamente para obtener un mi-
cro relieve supercial que también contribuye a las propiedades ópticas
deseadas para los nes antes expuestos.
Los óxidos de muchos metales de transición y se-
miconductores poseen propiedades ópticas en la
región de longitudes de onda de interés que los
hacen idóneos para su uso como recubrimientos
con características espectralmente selectivas. Así
se pueden mencionar los óxidos de cobre, de hie-
rro, de cromo, de cobalto, de molibdeno, de wol-
framio, etc. También se usan otros compuestos
como carburos, sulfuros de metales o de aleacio-
nes como en el caso del níquel negro obtenido a
partir de una aleación de Ni-Zn-S. Las propieda-
des ópticas que le coneren el carácter selectivo
son muy dependientes del sustrato sobre el cual
se deposita el recubrimiento y de igual manera
varía mucho con las condiciones de obtención
de los mismos. Por esa razón es preciso obser-
var de forma estricta los parámetros tecnológicos
de cada una de las operaciones necesarias para su
obtención. En la literatura existen innumerables
reportes dedicados a estos recubrimientos. Brin-
daremos las características solo de algunos de los
más empleados.
αε ρ
λλ λ
==−1
Figura 3. Curva típica de reectividad espectral. Se muestra con línea de
puntos el comportamiento ideal.
Figura 4. Reexiones múltiples en irregularidades del
micro relieve (a) e irregularidades en forma de den-
dritas (b)
a
b
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El cromo negro es el más ampliamente utilizado,
el mismo resulta ser un compuesto complejo de
Cr metálico y Cr
2
O
3
dieléctrico. La concentración
del metal es baja en la interface hacia el aire y se
incrementa con la profundidad hacia el recubri-
miento. La absorción selectiva resulta una com-
binación del efecto del compuesto metal-dieléc-
trico y la pronunciada rugosidad de la supercie
que se observa en estas películas. En la gura 5
se muestran las características ópticas del cromo
negro obtenido por el método electroquímico y
por rociado (sputtered).
Bajo esta misma esencia se han producido otros recubrimientos comer-
ciales compuestos por partículas metálicas de Ni embebidas en Al
2
O
3
obtenido en un proceso anódico. El proceso se realiza en dos etapas.
Una etapa inicial de anodizado del aluminio para obtener el Al
2
O
3
en
una solución, por ejemplo, de ácido fosfórico diluido en el que se obtie-
ne la supercie porosa y otra en la que se precipita níquel en el interior de
los poros por electrolisis AC en un baño conteniendo sulfato de níquel.
En la Figura 7 se brindan las propiedades ópticas de tal recubrimiento.
Cuando se usa el depósito electroquímico los pa-
rámetros principales resultan ser la densidad de
corriente, regularmente muy alta y la duración
del proceso. En la gura 6 (izq.) se muestran las
curvas para productos de la densidad de corrien-
te y la duración del proceso igual a 500 mA.min
/ cm
2
en un depósito sobre acero con una sub
capa de níquel. En la gura 6 (der.) se muestra
un depósito hecho directamente sobre una lámi-
na de cobre. Se han investigado depósitos sobre
recubrimientos orgánicos realizados sobre acero.
Existen otras alternativas como la obtención de recubrimientos inte-
grados por varias capas. Por ejemplo, el uso sobre acero inoxidable de
compuesto en base a molibdeno para su uso a gran escala en colecto-
res solares tubulares diseñados para operar a temperaturas superiores a
300ºC. La microestructura abarca dos capas de compuesto Mo-dieléctri-
co de concentraciones diferentes y graduadas, sobre una capa reectan-
te a la radiación infrarroja. Una capa anti reectante de SiO
2
en la parte
superior y una barrera de difusión de Al
2
O
3
en el fondo completan el
diseño. En la Figura 7 se muestran las propiedades ópticas de este recu-
brimiento multicapa.
3. ALTERNATIVAS PARA LA CUBIERTA AISLANTE
TRANSPARENTE.
En la actualidad se proponen cuatro tipos genéricos, ilustrados en la
gura 8, los cuales muestran comportamientos físicos diferentes e in-
cluyen materiales más reales.
Figura 5. Propiedades ópticas del recubrimiento
cromo negro.
Figura 6. Propiedades ópticas del cromo negro depo-
sitado sobre níquel (izq.) y sobre cobre (der.)
Figura 7. Propiedades ópticas de recubrimiento de Al2O3 embebidos en
níquel (arriba) y multicapa de compuesto de Mo, SiO2 y Al2O3.
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El primer tipo es el bien conocido cubierta de absorbedor paralelo con
varias láminas de vidrio o plástico las cuales pueden ser claras, pero tam-
bién difusas. Las altas pérdidas ópticas por reexión prohíben el uso de
un gran número de capas. Los paneles de vidrio o láminas de plástico
deben tener alta transmitancia. En la gura 9 se muestra los valores de la
misma para tres tipos de vidrio. Como se conoce el contenido en óxido
de hierro empeora sensiblemente esta propiedad óptica en los mismos.
Con el proceso de aplicación de recubrimientos con una alta reectan-
cia en el intervalo 3 µm < λ < 50 µm en las supercies interiores de
las láminas de vidrio se le coneren propiedades ópticas que resultan
espectralmente selectivas y rechazan la radiación térmica proveniente
del absorbedor, evitando pérdidas por este concepto. El esquema más
empleado, conocido como D/M/D, es una película extremadamente
na de metal embebida entre dos capas de dieléctrico de alto índice de
refracción con espesor seleccionado de manera que maximice la trans-
mitancia o capas de óxidos semiconductores altamente dopados. En la
gura 10 se muestran las propiedades ópticas de los mismos, caracte-
rizadas por una alta transmitancia y baja reectancia en la región de
longitudes de onda correspondiente a la radiación solar incidente y una
alta reectividad y baja transmitancia para la radiación de longitudes de
onda correspondientes a la radiación térmica.
El segundo tipo son los absorbedores verticales
que incluye los materiales de panales y capilares
de diferentes geometrías en su sección transver-
sal. Como el haz incidente se reeja y se transmite
por la estructura de paredes hacia el absorbedor,
las pérdidas ópticas pueden ser muy pequeñas
y solo alguna dispersión y absorción dentro de
las láminas reduce la transmitancia global. Si se
combinan los dos primeros tipos se obtiene el
tercer tipo que son las estructuras de cavidades
representada en realidad por placas múltiples de
conductos transparentes o espuma transparente
con burbujas o pompas de dimensiones de algu-
nos milímetros.
Figura 8. Tipos genéricos de esquemas de aislantes transparentes
Figura 9. Calidades del vidrio atendiendo a su transmitancia.
Figura 10. Propiedades ópticas de los recubrimien-
tos selectivos para la cara interior de los paneles de
vidrio. Esquema D/M/D (a) y óxidos semiconductores
altamente dopados (b).
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El último tipo son las capas cuasi homogéneas
caracterizadas por propiedades similares a las
mencionadas anteriormente, pero basadas en
otros mecanismos físicos tales como la disper-
sión y absorción. El aerogel, una espuma de sili-
cato micro porosa pertenece a esta clase. Debido
a los poros con dimensiones de algunas decenas
de nanómetros, la luz se dispersa en el interior de
los mismos de forma análoga a la conocida dis-
persión de Rayleigh que le da el color azul al cielo.
En la gura 11 se ilustran las propiedades ópticas
de los panales (a) y del aerogel (b).
Estos esquemas también son aplicables para la colocación entre dos pa-
neles de vidrio (ver gura 13) y los materiales de las láminas, las espumas,
los panales, los capilares y el aerogel tienen las mismas propiedades óp-
ticas para que exhiban las características espectralmente selectivas que se
pretende para los nes de elevar la eciencia del trabajo del colector. A
manera de ejemplo, en la gura 14 (a) se muestran las propiedades de las
láminas colocadas entre estas, que como se observa, resultan similares a
las depositadas sobre la supercie interior que ya analizamos.
La combinación de varios de estos métodos,
como se ilustra en el esquema general del colector
plano que usamos para el análisis, reporta resulta-
dos muy favorables. Por ejemplo, en la gura 12
se presentan las curvas de eciencia para colecto-
res solares con diferentes elementos de los mate-
riales aislantes transparentes en su diseño. Como
se aprecia, la combinación de una placa de vidrio
con características selectivas con una estructura
tipo panal eleva considerablemente la eciencia
a valores cercanos a los correspondientes al uso
de tubos al vacío (50% para un ΔT=100ºC y una
irradiación de 800 W/m
2
).
Por su parte, en la gura 14 (b) se ilustra la transmitancia para la radia-
ción solar difusa de capilares y espuma. Para los primeros la transmitan-
cia no se reduce apenas con el espesor, sin embargo para las espumas el
aumento del espesor reduce la transmitancia.
4. INFLUENCIA EN LA EFICIENCIA DE LOS COLECTO-
RES.
Los cálculos teóricos y los datos experimentales de la eciencia para
colectores planos con doble cubierta de vidrio en calidad de aislante
térmico transparente para tres tipos de construcción fueron realizados
tempranamente (Winegarner, 1976).
Figura 11. Transmitancia espectral obtenida para el
intervalo de longitudes de onda correspondiente a la
radiación solar incidente. Para esquema de panales
(a) y para aerogel (b).
Figura 12. Eciencia de un colector solar para diferentes variantes de ma-
terial transparente aislante. 1- supercie selectiva. 2- supercie selectiva y
panales. 3- tubos al vacío.
Figura 13. Esquema de uso de materiales entre paneles de vidrio.
a
b
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Los tipos de construcción considerados fueron: (1) dos láminas de vi-
drio común en calidad de aislante térmico transparente y supercie ne-
gra absorbente sobre la lámina absorbedora (2) dos láminas de vidrio
común en calidad de aislante térmico transparente y supercie selectiva
sobre la lámina absorbedora (3) cubierta de vidrio con recubrimiento
espectralmente selectivo (transparente a la radiación solar y reectante
a la radiación térmica infrarroja proveniente del absorbedor) en la cara
inferior del vidrio interior y supercie negra absorbente sobre la lámi-
na absorbedora. En la gura 15 se muestra un esquema de la distribu-
ción de los ujos de energía y temperaturas En el colector A la lámina
absorbedora tiene supercie absorbedora negra (α=0,92; ε=0,92). La
supercie de la lámina absorbedora del colector B tiene características
espectralmente selectiva (α=0,90; ε=0,10). El colector C tiene la misma
su lámina absorbedora como la del colector A, pero con recubrimiento
selectivo en la cara inferior del vidrio interior de la cubierta.
Como resultado de las pérdidas que tienen lu-
gar en la cubierta de vidrio y en el absorbedor
del colector A, la cantidad de energía que llega al
absorbedor es solo el 76,3% de la energía solar
incidente y debido a las pérdidas por radiación,
convección y termo conductividad se trasmite a
la sustancia de trabajo aproximadamente la mitad
de este calor. Al cambiar a una supercie selectiva
en el absorbedor, como en el colector B, las pérdi-
das por radiación disminuyen del 26% al 6,4% el
calor transferido a la sustancia de trabajo aumenta
de 38,2% al 51,3%. Al comparar la temperatura
en la cara inferior del vidrio interior, vemos que
en el colector C alcanza 83,9ºC mientras que en
el colector A es 67,2ºC y en el B 50ºC. De esta
manera la diferencia de las temperaturas entre la
lámina absorbedora y la parte inferior del vidrio
disminuye por lo cual las pérdidas por radiación
disminuyen. Así las pérdidas en el colector A serán
de 33,6% mientras que en el C sólo alcanzan 17%.
Como resultado de esto la cantidad de calor útil
incorporado a la sustancia de trabajo se incremen-
ta de 38,2% a 48,3%.
Para colectores con concentradores cilindro pa-
rabólicos también la presencia de recubrimientos
selectivos trae consigo un aumento de su ecien-
cia. En la gura 16 se muestra esquemáticamente
el aumento de la temperatura del absorbedor, la
disminución de la temperatura de la cubierta de
vidrio y cuanto aumenta la eciencia de 40% al
62,5% producto de la reducción de las pérdidas
asociadas con estos cambios y el aumento del ujo
de calor a la sustancia de trabajo. La temperatura
del aire exterior se tomó como de 21 ºC y la tem-
peratura de trabajo del colector 315ºC.
Figura 14. Propiedades de los materiales que se intercalan entre dos paneles
de vidrio. Propiedades ópticas de las láminas con características selectivas
(a). Transmitancia de la radiación difusa para capilares y espumas (b).
Figura 16. Comparación de las eciencias y tempe-
raturas en un concentrador cilindro parabólico con y
sin recubrimiento selectivo.
Figura 15. Comparación de colectores solares con
diferentes construcción para I = 946 W/m
2
, Ta = 21ºC.
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5. CONCLUSIONES
El uso de recubrimientos con propiedades ópti-
cas que le coneran características espectralmen-
te selectivas a las supercies tanto de la cubierta
aislante tanto de la cubierta aislante transparente como del absorbedor,
de conjunto con otras soluciones tecnológicas más conocidas, elevan
considerablemente la eciencia de las instalaciones solares.
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