La tecnología solar utiliza la radiación proveniente del sol para producir energía fotovoltaica o energía térmica. En este estudio nos avocaremos en la energía solar térmica.
Las aplicaciones de la energía solar térmica son muy amplias y cada día se avanza más. En la actualidad la energía solar térmica es utilizada para:
- Calentar el agua de las albercas de exterior o interior.
- Calefacción por suelo radiante o radiadores.
- Calentar agua de uso doméstico para la ducha, lavar platos, lavarse las manos, etc.
- Secaderos de productos agrícolas.
- Uso industrial, por ejemplo, en hornos solares.
- Refrigeración por medio de energía solar
- Transformar este calor en energía eléctrica.
- Desalinización mediante energía solar
El aprovechamiento directo de la energía solar térmica da lugar a sistemas termodinámicos solares que se clasifican de acuerdo con su aplicación en activos y pasivos.
Los sistemas que son de nuestro interés en este block son los sistemas activos tanto estacionarios como con seguimiento al sol.
Sistemas térmicos solares
Están conformados por dispositivos llamados colectores o captadores que transforman la radiación solar en energía térmica. Dentro de estos captadores circula un fluido caloportador (agua, aire o aceites térmicos) que se calienta gracias a la radiación solar, haciendo que se eleve la temperatura del fluido el cual en el caso del agua y de los aceites pueden ser almacenados en un depósito para ser usado durante las horas de ausencia de radiación solar.
Los colectores solares térmicos son, por tanto, los encargados de hacer que este proceso de aprovechamiento del calor del sol funcione. En un colector solar se presentan los tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
Los colectores pueden ser de tres tipos diferentes, según las temperaturas requeridas:
Colectores para sistemas de baja temperatura (CSBT): el calentamiento del fluido caloportador se produce a temperaturas que se encuentran por debajo de su nivel de ebullición. Dentro de estos solemos encontrar los captadores solares para uso sanitario o de climatización como los de placa plana, los no vidriados y los de tubos evacuados o al vacío. estas instalaciones son adecuadas para cubrir un porcentaje de la demanda de agua caliente en los sectores residencial, industrial y de servicios. Trabajan con temperaturas hasta los 80°C para producir agua caliente sanitaria (ACS), calentamiento de albercas, calefacción y climatización, otras aplicaciones térmicas como secado agrícola, evaporación de agua, cocción de alimentos, etc.
Colectores para sistemas de media temperatura (CSMT): estos se emplean cuando se necesita que el agua se caliente entre 100 y 300°C, generalmente para producción de vapor para procesos industriales, producción de energía eléctrica a pequeña escala, desalinización del agua de mar y refrigeración por absorción mediante energía solar. Para alcanzar más temperatura se requiere de concentración de la radiación solar.
Colectores o sistemas de alta temperatura: las temperaturas requeridas son superiores a 300°C, pudiendo llegar a alcanzar incluso los 1000°C, aplicándose, fundamentalmente, para la producción de electricidad a gran escala. No obstante, en este rango se contemplan otros usos como por ejemplo la síntesis y/o tratamiento superficial de materiales en hornos solares, producción de hidrógeno y otros combustibles solares (bioetanol, biodiesel, etc.) e, incluso, experimentos astrofísicos.
En esta clasificación podemos mencionar a los receptores centrales, discos parabólicos y los hornos solares.
Ecuación básica del balance energético en colectores de placa plana
En un colector solar es de gran importancia maximizar la energía incidente a transferirse al fluido caloportador y minimizar todas las pérdidas térmicas. La Figura siguiente evidencia tales flujos de energía.
Fuente: Adaptado de ADEME
En otras palabras, se desea maximizar la eficiencia térmica (𝜂) de los colectores solares, que está definida como la razón entre la velocidad de transferencia de calor hacia el agua denominado calor útil, y la razón de energía solar incidente en el plano del colector, es decir:
El calor perdido por la parte superior lo hace por mecanismos de convección y radiación. En cambio, por la base y las partes laterales el paso limitante de la pérdida de calor es la conducción a través de la aislación térmica.
La fuerza motriz responsable de las pérdidas de calor es la diferencia de temperatura entre la placa (Tp) y el ambiente (Ta) se puede escribir.
p = ULA(Tp-Ta) (5)
siendo UL el coeficiente global de pérdidas de calor, que incluye las pérdidas por la parte superior, base y laterales.
Sustituyendo las expresiones (3) y (5) en la (2) se obtiene la siguiente expresión para el calor útil.
Qu= A[tcapI–UL(Tp-Ta)] (6)
Sustituyendo en (1) y reordenando términos se obtiene la siguiente expresión para la eficiencia térmica del colector.
Siendo AA el área de apertura del colector solar. Como la temperatura de la placa es difícil de calcular o medir, se prefiere usar una expresión que tenga como variable la temperatura media (Tm) o de entrada (Ti) del fluido que circula por el colector. Para lograr una ecuación de eficiencia más útil, es necesario incluir un Factor de Remoción (o de eficacia) FR. Este factor sería igual a 1 si el transporte de calor desde la placa al fluido no tuviera ninguna resistencia y la temperatura de placa y fluido fueran iguales [11].
La expresión de eficiencia queda entonces de la siguiente forma:
Determinación de las pérdidas de calor del colector.
El valor de Qp como se mencionó con anterioridad es de la forma
Qp = UC A (TP – Ta) (5)
Un modelo adecuado de análisis térmico de un colector de placa plana puede considerar las siguientes hipótesis simplificadoras [12]:
- El colector está térmicamente aislado en estado estacionario;
- La caída de temperatura entre la parte superior e inferior de la placa es despreciable;
- El flujo térmico se puede considerar
- monodimensional, tanto a través de las cubiertas, como de los aislamientos laterales;
- Los cabezales que conectan los tubos cubren solamente una pequeña superficie de la placa colectora y proporcionan un flujo térmico uniforme a los tubos;
- El cielo se puede considerar como si fuese una fuente térmica equivalente a un cuerpo negro, en lo que respecta a la radiación infrarroja, a una temperatura del cielo equivalente;
- Se supondrá que la radiación, I = I0(ta), sobre la placa plana absorbente del colector es uniforme.
La distribución de temperaturas sobre el colector de placa plana se puede representar mediante el circuito térmico aproximado que se presenta en la Figura siguiente, en la que la placa colectora absorbe una energía incidente igual a, as·Is. A continuación, se realiza el análisis de un circuito térmico de un colector solar con dos cubiertas transparentes a las temperaturas T1 y T2.
Si la superficie inferior del colector está bien aislada (de la placa absorbente hacia abajo), la mayor parte de las pérdidas al exterior se producen a través de su superficie superior, es decir, a través de la cubierta o cubiertas que constituyen la ventana del colector; el calor se transfiere entre la cubierta y la segunda placa de vidrio, y entre las dos placas de vidrio, por convección y radiación. La velocidad de transferencia de las pérdidas térmicas por unidad de área del colector entre la placa absorbente a Tp y la segunda cubierta de vidrio a T2, es la misma que entre las placas de vidrio que conforman las cubiertas a T2 y T1 y la misma que entre la placa de vidrio de la cubierta exterior a T1 y el medio exterior a Ta.
Teniendo en cuenta la Figura 8.17, se encuentra que las pérdidas térmicas hacia arriba, entre la placa colectora y la segunda cubierta, se pueden poner en la forma:
en la que:
| hc(p-2) | es el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la segunda cubierta. |
| epi | es la emitancia infrarroja de la placa. |
| e2i | es la emitancia infrarroja de la segunda cubierta. |
La ecuación anterior se puede poner en función de, Tp – T2, como:
en la que:
(8)
La velocidad de la transferencia de las pérdidas térmicas entre las dos placas de cubierta es de la forma:
(9)
en la que hr es el coeficiente de transferencia de calor por radiación entre las dos cubiertas transparentes.
:
(10)
Las emitancias e1i y e2i de las dos cubiertas transparentes serán iguales, si ambas están construidas del mismo material. Si no fuese así, se pueden obtener algunas ventajas económicas utilizando una cubierta de plástico entre la cubierta más exterior, que será de vidrio, y la placa absorbente; en este tipo de construcción sería posible el que las propiedades radiantes de las dos cubiertas no fuesen iguales.
Si el aire está en reposo, para hallar la ecuación de la resistencia térmica entre la superficie superior de la cubierta exterior y el aire ambiente, se pueden utilizar correlaciones de convección natural, pero si sobre el colector está soplando el viento, hay que aplicar correlaciones de convección forzada. A su vez se produce un intercambio de radiación entre la cubierta superior y el cielo a una temperatura Tcielo, mientras que el intercambio de calor por convección se produce entre T1 y el aire ambiente a Ta.
Por comodidad consideraremos que, Tcielo = Taire = Ta, lo que permite obtener:
(11)
en la que:
(12)
Para el colector de placa plana y doble cubierta de vidrio, la conductancia de la pérdida de calor Uc(Total) se puede expresar en la forma:
(13)
El cálculo de Uc(Total) exige la resolución iterativa de las ecuaciones Q* y Q’ por cuanto las conductancias de radiación unitarias son función de la temperatura exterior de la cubierta y de la placa absorbente, que en principio no son conocidas.