1 CAPÍTULO 5 Conversión térmica de la energía solar
MATERIAL DEL CAPÍTULO 5 (PRIMERA PARTE) Kaltschmitt, M., W. Streicher y A. Wiese. Renewable Energy Technology, Economics and Environment. Capítulo 4: Solar thermal heat utilisation, pp. 123-159. Abal, G. y V. Durañona. Manual técnico de energía solar térmica. Vol. I: Fundamentos. www.fing.edu.uy/~abal/manual-rti/man-rti_vol1-v10.pdf Capítulo 2: Aspectos ópticos, pp. 81-116. Capítulo 3: Colectores planos sin concentración, pp. 117-137. 2
CONVERSIÓN TÉRMICA DE LA ENERGÍA SOLAR Formas de aprovechamiento Se pueden clasificar en base a la existencia o no de un dispositivo específico dedicado a la transformación de la radiación en calor, resultando en: Sistemas térmicos solares Utilizan dispositivos específicos (colectores) para capturar la radiación solar. Producen calor que se transfiere a un fluido para su posterior uso en diversos fines. Arquitectura solar o utilización pasiva de la energía solar Utilizan la estructura del edificio para proveer calefacción y refrigeración natural. Se basan en el diseño constructivo y la utilización de materiales apropiados. 3
CONVERSIÓN TÉRMICA DE LA ENERGÍA SOLAR Sistemas térmicos solares Se basan en convertir la radiación solar de bajas longitudes de onda en calor mediante la utilización de colectores solares. Aplicaciones más comunes Sin concentración (temperaturas bajas hasta ~120 C) Producción de agua caliente para uso sanitario (baño, cocina, lavadero, etc.) Calefacción de piscinas y edificios Secaderos, desalinización, etc. Aplicaciones industriales (pueden llegar a ~180 C) Con concentración (temp. medias-altas hasta 1000 o muy altas 3000 C) Producción de calor para uso industrial Generación de electricidad. Testeo de materiales, producción de hidrógeno. 4
SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES Sin concentración (hasta ~120 C) 5
SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES Con concentración (~400-1000 C) 6
Partes principales Cubierta transparente Reduce las pérdidas térmicas por convección al ambiente. Suele usarse vidrio con bajo contenido de hierro. Puede usarse plástico pero es menos eficiente. Resistencia al impacto (granizo). Placa absorbedora Capta la energía solar y la transfiere en forma de calor al fluido (agua, aire). Utilizan materiales selectivos especiales. Debe ser buen conductor térmico. Tubos Van en la placa absorbedora y suelen ser de cobre, alumino o acero inox. Configuraciones varias. Es clave la soldadura o fijación a la placa. Aislación térmica y elementos estructurales La aislación, evita las pérdidas por conducción con la estructura. Marco, cabezal para los tubos, fijaciones. 7
Características funcionales Requisitos para un buen colector Maximizar la energía absorbida en la placa colectora (buen absorbedor). Minimizar las pérdidas térmicas al ambiente. Maximizar la transferencia de calor al fluido de trabajo. Otras características deseables Minimizar costos de fabricación, instalación y mantenimiento. Maximizar la vida útil. Las partes constitutivas deben contribuir a estos objetivos 8
Características de las superficies Coeficiente de absorción (α) Representa la fracción de la radiación GA incidente que es absorbida por el cuerpo GI Valores límites: α=0 (no absorbe nada) y α=1 (absorbe toda la radiación incidente, cuerpo negro ideal). Materiales selectivos: un mismo material puede tener distintos valores de α en distintos rangos de longitudes de onda. Coeficiente de emisión o emisividad (ε) Representa la fracción de energía que emite el cuerpo por radiación Se calcula respecto a la radiación de un cuerpo negro ideal para la T dada De la definición, surge que para un cuerpo negro ideal ε=1., T G G E, T CN, T 9
Características de las superficies (cont.) Coeficiente de reflexión (ρ) Representa la fracción de la radiación incidente que es reflejada por el cuerpo. Reflexión especular: El coeficiente de reflexión es función del ángulo de incidencia (ley de Fresnel) 1 1 1 tan 1sen 2 tan 2 sen 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 G G R I donde los ángulos de incidencia y refracción se vinculan mediante el índice de refracción (ley de Snell) n sen n sen 1 1 2 2 Coeficiente de transmisión (τ) Representa la fracción de la radiación incidente que es transmitida a través del cuerpo G G T I 10
Características de las superficies (cont.) Relación entre los coeficientes de absorción y emisión Ley de Kirchoff : en equilibrio termodinámico, el cociente entre los coeficientes de emisión y absorción es invariante, i.e. para todos los materiales es una misma función de la temperatura y la long. de onda. Entonces un material con alta emisividad en un rango de long. de onda tiene alta absorción en ese rango. Relación entre los coeficientes ópticos Materiales opacos G G G G A R T G G G Materiales transparentes G 0 1 1 0 1 11
Características de los absorbedores Su función es absorber la mayor parte de la radiación solar para transferirla al fluido de trabajo. El coeficiente de absorción debe ser alto. Por Kirchoff, si es buen absorbedor en un rango del espectro también es buen emisor. La radiación solar está concentrada en bajas long. de onda (<3μm). y la radiación del absorbedor en long. de onda superiores (>3μm). 12
Características de los absorbedores (cont.) Propiedades deseables Absorber la radiación solar en bajas long. de onda (s: sol) 1 1 S S Evitar la radiación del absorbedor en altas long. de onda (I: infrarroja) para minimizar las pérdidas 0 0 I I No transmitir la radiación recibida (deben ser opacos) S 0 0 Las superficies selectivas se ven negras, no reflejan la luz visible. 1 1 I Superficie selectiva 13
Características de los absorbedores(cont.) Superficies selectivas Transición no abrupta y propiedades no uniformes en las bandas. Suelen utilizarse recubrimientos con alta absorción y alta transmitancia térmica sobre un sustrato con baja emisividad en long. de onda altas. Alúmninas impregnadas de Ni. (Galione et al., 2010) 14
Características de las cubiertas Su función principal es reducir las pérdidas térmicas por convección al ambiente. Propiedades deseables Transparentes en bajas long. de onda (sol) 1, 0 S S S Opacos en altas long. de onda (infrarrojo) para bloquear la radiación emitida por el absorbedor I 0 I I 1 en particular se busca que sean reflectivas para redireccionar la emisión del absorbedor 0, 1 I I Notar que en todo el espectro la absorción debería ser baja y por Kirchoff la emisividad también. S, I 0 0 Por lo tanto se denominan vidrios con baja emisividad (low-e glass) 15
Características de las cubiertas (cont.) Cubiertas selectivas Espectro solar (bajas long. onda) Infra-rojos (altas long. onda) Vidrio de 6 mm con diferente contenido de hierro Alto contenido de hierro: vidrio verdoso Óxidos conductores transparentes (TCO) y cobertura antirreflejo 16 http://www.isfh.de/institut_solarforschung/transparente-low-e-schichten.php?_l=1