Temario Colectores térmicos 1. El colector de placa plana 2. Pérdidas térmicas 3. Superficies selectivas 4. Pérdidas ópticas
1. El Colector de placa plana Curiosidad: La potencia solar incidente en un metro cuadrado de plano perpendicular a los rayos del sol en un día despejado a nivel del mar puede aproximarse a los 1000 W. Si toda esta energía fuese absorbida por una masa de agua de 50 kg, el líquido se calentaría 17,2 C por encima de la temperatura inicial. Si la masa a calentar disminuye a la mitad, es decir, 25 kg el incremento de la temperatura se duplicaría. Empleando la misma radiación solar para calentar otro fluido, aire en lugar de agua, se obtendría que 50 kg de aire en una hora incrementan su temperatura en 72 C. Se puede concluir que en lugares con radiaciones promedio de 4kWh/día se pueden calentar 100 litros de agua con un captador de 1m 2 desde 20 C a prácticamente 55 C
El colector solar es una especie de intercambiador térmico que transforma radiación solar en energía térmica utilizable. Ésta es la aplicación más inmediata de la energía solar. Usualmente el dispositivo se emplea para calentar un fluido que pasa a un sistema de almacenamiento intermedio para disponer de él en cualquier momento. Los rendimientos y temperaturas alcanzados en los colectores térmicos distan de los expuestos en la anterior diapositiva. El rendimiento, porcentaje de radiación incidente transformada en energía térmica del fluido, y la temperatura que suministra dependen del balance de energía producido en él. En el proceso se presentan dos tipos de pérdidas: térmicas y ópticas.
Pérdidas ópticas: Son responsables de que sólo una parte de la radiación recibida sea absorbida por la placa metálica y consecuentemente transferida al fluido caloportador. Pérdidas térmicas: implican que una parte o porcentaje de la energía absorbida es cedida al entorno del colector y no del fluido hacia el sistema de almacenamiento. El colector por lo tanto tiene unas limitaciones de manera que transforma sólo una parte de la radiación solar en calor o energía útil en el fluido. Comercialmente estos dispositivos dan un rendimiento cercano al 40%. También debe considerarse que el colector no actúa solo. Éste debe conectarse a otros dispositivos tales como válvulas, tuberías, tanques, bombas eléctricas, etc.
Componentes Un colector de placa plana está constituido por un elemento absorbente metálico protegido térmicamente mediante un aislante y una cubierta de material transparente. Una caja rígida o carcasa da cuerpo y resistencia mecánica a todo el dispositivo permitiendo su anclaje a un lugar determinado responsables de que sólo una parte de la radiación recibida sea absorbida por la placa metálica y consecuentemente transferida al fluido caloportador. Este captador térmico recibe el nombre de colector de placa plana porque básicamente está constituido por una caja de superficie mucho mayor que su altura y utiliza una placa plana metálica como superficie absorbente. Aprovechan la radiación directa como la difusa; no necesitan del seguimiento del Sol y requieren de un mantenimiento prácticamente nulo.
2. Pérdidas térmicas En la mejora del rendimiento de los colectores solares de placa plana existen dos líneas de trabajo: la reducción de las pérdidas térmicas y el incremento de la energía solar absorbida. La tarea de evaluación de las pérdidas en colectores es compleja dado que es el resultado de fenómenos dinámicos en el que intervienen procesos y materiales diversos, resultado de los intercambios que se producen entre los diferentes elementos del colector. El sistema de captación está transferencia energética: supeditado a los siguientes procesos de Conducción Convección Radiación
Conducción Consiste en la transferencia de calor por medio de colisiones de los átomos que forman la materia. La conducción térmica aparece cuando la temperatura varía dentro de un sistema material y el flujo de calor trata de establecer el equilibrio térmico de manera que el flujo calórico va de las zonas de alta temperatura a las zonas más frías. dq dt dt = ka dx Donde la constante de proporcionalidad k se denomina conductividad térmica (W/mK) la cual es propia del material.
Conductividad térmica de algunos materiales (W/mK)
Resistencia térmica Con respecto al proceso de aislamiento (a fin de evitar que el colector pierda calor almacenado) es útil emplear la siguiente ecuación: ΔT = R Q I Q Donde I Q y R Q es la corriente térmica y la resistencia térmica, respectivamente.
Convección Es la transferencia de energía por el movimiento de un fluido. Como la mayoría de los fluidos se expanden al calentarse, el fluido caliente es menos denso que el fluido frío que se encuentra sobre él, y la fuerza de flotación hace que se mueva hacia arriba. El fluido frío se desplaza para tomar el lugar del fluido caliente, a continuación se calienta, de modo que el flujo continua. dq dt h ( ) A T = Conv 0 T f Donde h Conv es el coeficiente de transferencia de energía por convección (W/m 2 K) que depende de la forma, rugosidad y posición de la superficie así como de las características del fluido, temperatura de la superficie y del fluido. Los mecanismo de convección en el colector también se relacionan con la convección natural entre placas planas, convección al interior de conductos cerrados y pérdidas convectivas por el viento.
Radiación Es el mecanismo de transporte de energía mediante radiación electromagnética emitida por un cuerpo en virtud de su temperatura y a expensas de su energía interna. Al igual que con la convección, deben destacarse: La radiación entre placas planas paralelas Radiación Celeste
Efecto invernadero Si se tiene un colector por el que no circula fluido alguno su temperatura aumenta hasta alcanzar la temperatura de equilibrio térmico o estancamiento. A la temperatura de equilibrio las ganancias en radiación solar del colector equilibran las pérdidas energéticas hacia el entorno y se obtiene la máxima temperatura que alcanza el dispositivo.
3. Superficies Selectivas Se consideran aquellas superficies que permiten una elevada absorción en el rango de la radiación solar (0,3 2 μm) mientras que en el rango del infrarrojo térmico (> 2 μm) presentan una baja emisividad (elevada reflectividad). Se pueden conseguir dos configuraciones básicas: Espejo caliente Espejo oscuro
4. Pérdidas ópticas Éstas pérdidas relacionan la energía solar térmica recibida por el colector con la energía recibida por las placas. La transmisión, reflexión y absorción de radiación solar y la infrarroja térmica por las cubiertas y la placa de un colector determinan su funcionamiento. Transmisividad de la cubierta La cubierta es un medio parcialmente transparente de forma que absorbe parte de la irradiancia solar incidente τ = I S, transmitida I S, reflejada = exp - K0Δx () cos i Donde τ es la transmisividad, K 0 es el coeficiente de extinción y Δ x es el grosor del vidrio.
Transmisividad de algunos materiales Propiedades térmicas y ópticas de diferentes cubiertas
Transmisividad - absortividad La cubierta es un medio parcialmente transparente de forma que absorbe parte de la irradiancia solar incidente
5. Clasificación de los colectores Normalmente los colectores se pueden clasificar según los parámetros de su recta de rendimiento y sus temperaturas de trabajo. Colectores para piscinas Colectores planos Colectores de aire (secadores)
Colectores para piscinas Actualmente se emplean unos colectores solares sin cubierta para calentamiento de piscinas en rangos de temperaturas que van de los 10 a los 40 C. Se justifica el uso sin las cubiertas por dos razones: a) Mayor rendimiento b) Precio Estos colectores constan de tubos o placas de polipropileno que realizan todas las funciones descritas anteriormente para los colectores.
Colectores planos Para aplicaciones en las cuales es necesario contar con agua caliente sanitaria o mantener la temperatura constante del agua para uso doméstico se recurren a colectores solares planos los cuales contemplan la reducción de pérdidas y el aumento de la eficiencia de trabajo.
Colectores planos de tubos evacuados Estos colectores poseen un tubo cilíndrico doble de vidrio. Una de los tubos actúa como superficie captadora para lo cual se recubre con un absorbedor selectivo de alto nivel (cermet de Mo-Al 2 O 3 )
Colectores de aire Para aplicaciones agrícolas es muy común el uso de secadores solares o colectores de aire que básicamente buscan elevar el nivel de temperatura del aire para aplicaciones de secado.
Bibliografía: Ibañez Plana, M. et al. Tecnología Solar. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid. 2005. 544 p. ISBN: 84-8476-199-1 Perales Benito, Tomas. Guía del Instalador de Energías Renovables: Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización. Ed. LIMUSA / Noriega. México. 2005. Domínguez Garrido, Urbano. Energía y Energías Renovables. Universidad de Salamanca. España. 1990