Principios de la termoconversión solar, dispositivos y sistemas de baja y mediana temperatura
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México
IER
sistemas de baja y mediana temperatura
Isaac Pilatowsky Figueroa
Roberto Best y [email protected], [email protected]
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México
La conversión fototérmica y los
dispositivos conversores de baja
temperatura
2
La conversión fototérmica y los dispositivos
conversores de baja temperatura
Parte I : La conversión termosolar.
Parte II. Captador solar plano
Parte III: Tecnologías para aumentar la
temperatura y la eficiencia de conversión
Clasificación y eficiencias de conversión.
Parte IV:. Captador solar al vacío
Parte V: Inclinación y orientación
3
El sol es un enorme reactor nuclear, en dondese convierte el hidrógeno en helio a una velocidadde 4 millones de toneladas por segundo, radiando
¿ Que es la energía solar ?
de 4 millones de toneladas por segundo, radiandoenergía y partículas a una temperatura superficialde cerca de 6000 ºC.
La tierra recibe del sol anualmente alrededor de 5.4x 1024 J, lo que representa unas 4,500 veces elconsumo mundial de energía.
40 N
Energía Solar, un recurso “inagotable”
La energía solar recibida cada 10 días sobre la Tierra equivale a
TODAS las reservas conocidas de petróleo, carbón y gas.
www.cie.unam.mx
35 S
y gas.
El 70% de la población del planeta vive dentro de la denominada “Franja Solar”.
¿Porque la energía solar ?
¿Porque la energía solar ?
• Seguridad energética
• Crecimiento económico
¿Porque la energía solar ?
• Crecimiento económico
• Sustentabilidad
• Impacto ambiental
Parte I
La conversión termosolarLa conversión termosolar
4
E = hν
Cuerpo absorbedor
Principio de un termoconversorPrincipio de un termoconversor
solar
Componentes de un captador solar sin concentración óptica
Superficie absorbedora
La superficie absorbedora esta caracterizada por un materialque tiene una alta absorción (absortividad) de la radiaciónsolar, produciendo una elevación de la temperatura.Normalmente es una superficie metálica recubierta con unmaterial absorbente de la radiación solar incidente.
Componentes de un captador solarsin concentración óptica
Cubierta transparente
(Radiación solar)
(aire) (Radiación infrarroja)
La cubierta transparente tiene como funciones: permitir el paso de la radiación solar, disminuir las pérdidas de calor producidas por el viento y reducir las pérdidas de calor por radiación del absorbedor (radiación infrarroja).
Componentes de un captador solar sin concentración óptica
Aislamiento térmico
El aislamiento térmico permite disminuir las pérdidas de calordebidas a la conducción de calor de la superficie absorbedora haciael fondo y las partes laterales
Componentes de un captador solar sin concentración óptica
Sistema de transporte de calor
El sistema de transporte de calor permite transferir la energíasolar transformada en calor desde la superficie absorbedorahacia un fluido (agua, aire), el cual circula en el interior de losductos.
10
Componentes de un captador solar sin concentración óptica
Caja protectora
La caja exterior permite proteger el interior del captador de lalluvia, de posibles problemas de corrosión y darle rigidezestructura. Esta caja se une a la cubierta por medio de un sello,para evitar la introducción de polvo, humedad, etc.
Captador solar
El captador es el principal componente de los sistemas solares térmicos. El rendimiento térmico esta determinado por la relación entre la ganancia y la pérdida de calor, en donde intervienen los parámetros fundamentales que caracterizan su funcionamiento. funcionamiento. Además del rendimiento térmico, para la selección del captador se deben considerar los siguientes factores:a) Costo.b) Durabilidad.c) Facilidad de instalación y transporte.d) Fiabilidad, garantía y servicio postventa por parte del fabricante.
Captadores solares estacionarios o sin concentración
• Los captadores solares estacionarios por logeneral permanentemente fijos, deben estarorientados hacia el ecuador y no requierenorientados hacia el ecuador y no requierenseguir al sol, existiendo tres tipos:
• Captadores planos, CSP
• Captadores parabólicos compuestos, CPC
• Captadores con tubos evacuados, CTE
Captadores solares con concentración
• Captador solar de canal parabólico, CCP
• Captador solar con reflector lineal tipo Fresnel, RLFRLF
• Captador solar con reflector de disco parabólico, RDP
• Captador solar con campo de helióstatos, CH o sistema de receptor central, RC
Parte II
Captador solar plano
15
Datos técnicos
• Dimensiones principales: alto, ancho y largo.• Área de la superficie transparente• Material y transmisividad de la cubierta transparente• Tipo de configuración del absorbedor• Materiales y tratamiento superficial del absorbedor.• Ubicación y dimensiones de las tomas de entrada y salida• Ubicación y dimensiones de las tomas de entrada y salida• Materiales de las juntas de sellado de la cubierta y de las
entradas y salidas• Material de la caja protectora• Tipo de cierre de la cubierta transparente• Materiales y características de los aislantes térmicos• Esquema general del captador
Balance de energía en el captador solar
Balance térmico en un captador solar plano
Q Q Q QABS U P AL= + +
QAL
QU
QP
Rendimiento térmico
• Rendimiento instantáneo
η =Q
I AU
T C
η =∫
∫
Q dt
I A dt
U
t
T C
t0
0
• Rendimiento promedio sobre un período de tiempo
Rendimiento óptico y pérdidas térmicas totales
Rendimiento óptico
ηOPABSQ
I A=ηOP
T CI A=
η τ αOP CT A=
Q A U T TP C C C a= −( )
Pérdidas térmicas totales
20
Calor útil y eficiencia
Q A U T TU C f C f= −( )dQ
dtAL = 0
I A Q A U T TT C CT A U C C C aτ α = + −( )
U −1
I A QU
UA U T TT C CT A U
C
fC C f aτ α = +
+ −1 ( ) F
U
UC
f
'= +
−
1
1
Q I A FU
IT TU T C CT A
C
Tf a= − −
' ( )τ α
η τ α= − −
F
U
IT TCT A
C
Tf a' ( )
Eficiencia de conversión
Si la eficiencia η, se traza en función de ( Tf,e - Ta )/I , resulta una línea recta en la cual la pendiente es FRUL , cuando la curva se intercepta con el eje y, se tiene el valor máximo de
q
A
mC T T
Au
C
p f e f i
C
=−( ), ,
−′=
−
X
eFF
X
R
1
tiene el valor máximo de la eficiencia, FR (τα). FRUL no es constante en realidad, sino es una función débil de la temperatura de operación del termocolector, además FR (τα) varía con el ángulo de incidencia de la radiación solar
p
L
mC
AFUX
′=
−−=
I
TTUFF aef
LReR),
)(ταη
IA
TTmC
C
sfefp )( ,, −=η
Eficiencia térmica
Absortancia-trasmitancia
Las propiedades ópticas τCT y αA dependendel ángulo de incidencia, el producto (τα)
iACTCTABS AIQ θατ cos=
[ ] [ ]( ) ( ) ( ) ( ) ( )τα τα θ τα ρ α θ τα ρ α θ αD I d d i d d i d= + − + − −1 1 12
= − −
τα θρ
α( )i d1 1CT A
del ángulo de incidencia, el producto (τα)decrece rápidamente cuando el ángulo deincidencia θi es superior a 60º en función de ladisminución de τCT , la expresión anterior noconsidera la fracción de la radiación que nofue absorbida por el absorbedor y reflejada demanera difusa hacia la cubierta transparenteque a su vez reenvía una parte hacia elabsorbedor, existiendo reflexiones yabsorciones múltiples entre el absorbedor y lacubierta .Si se considera este efecto, entonces seránecesario reemplazar el producto ( τα) por elproducto (τα)D
=− −
− −
τα θ
ρ αρ
α
α θ
( )
( ) ( )
i
d dd
d
i1 11 1
( )( )
τατ α
ρ αd
d d
d d
=− −1 1
Trasmitancia de cubiertas
'' seni
seni
n
n= L
L
i=
'
cos '
En el diseño de los colectores es necesario considerar las propiedades ópticas delas cubiertas, como el índice de refracción (n), el cual determina las pérdidas decalor por reflexión de la cubierta y el coeficiente de extinción (K), el cualdetermina las pérdidas térmicas debidas a la absorción . La relación de índices derefracción para dos medios diferentes queda determinada por:
'' senin icos '
τ =−
+
−er
rKL 1
1
Siendo L, la longitud de la trayectoria de la luz a través del material (numéricamente igual al espesor cuando la luz incide normalmente). La transmitancia de la radiación solar para una cubierta transparente, se puede calcular a partir de la relación siguiente:
Siendo r la reflectividad de la superficie, la cual depende del índice de refracción del material
25
Refracción y reflexión
( )( )
( )( )
+
−+
+
−=
12
2
12
2
12
2
12
2
tan
tan
2
1
θθ
θθ
θθ
θθρ
sen
sen
θ1
Coeficiente de reflexión
Incidencia normal
2
21
21
+
−=
nn
nnρ
Medio 1
Medio 2
θ1
θ2
n1sen θ1 = n2sen θ2
2
1
1
+
−=
n
nρ
Si el medio es el aire (n≈ 1)
y Suponiendo que n2 = n
Efecto de múltiples reflexiones sobre el factor de trasmisión de una cubierta
transparente
1
ρ (1-ρ)2ρ (1-ρ)2ρ3
(1-ρ)2 (1-ρ)2ρ2 (1-ρ)2ρ4
Trasmitancia de cubiertas
Sí i e i’ son los ángulos incidente y refractado, respectivamente,entonces el índice de refracción queda determinado con larelación:
ni
i'
sen
sen '=
a incidencia normal2
01'
1'
+
−=
n
nra incidencia normal
1' +n
para otros ángulos de incidencia ri i
i i
tan i i
tan i i=
+
+ ′+
+
+
1
2
2
2
2
2
sen ( ' )
sen ( )
( ' )
( ' )
( )( )( )
τ 1 21 1 2 2
1
1 2 1, ,...
( ... )
n
K L K L K Le
r
n rn n=
−
+ −
− + +
Para calcular la trasmitancia de un sistema formado por n cubiertas, las cuales tienen el mismo índice de refracción
Trasmitancia de cubiertas
Para dos cubiertas: τ12 = 1.006 τ1τ2
Para tres cubiertas:τ123 = 1.018 τ1τ2τ3
Para cuatro cubiertas: τ1234 = 1.035 τ1τ2τ3τ4
La cubierta transparente absorbe una parte de la radiación solar incidente, pero esta energía absorbida no se pierde completamente ya que esta se puede traducir en una mejora del rendimiento óptico ( o quizás por una disminución de pérdidas térmicas).de pérdidas térmicas).
A partir de balances térmicos tanto en la cubierta como en el colector ydefiniendo a αCT como el coeficiente de absorción de la cubierta, el factor (τα)se debe reemplazar por:
( ) ( )τα τα αeff VCVa
Va
U
U= +
Esta ecuación se puede aplicar tanto para la componente directa como ladifusa de la radiación solar. En general la corrección no es muy importante,sólo de alguno 2 a 4%.
Transmitancia óptica del vidrio en función del espesor y del ángulo de incidencia de la radiación
solar.
_________________________________________________________________
Espesor
(mm) Transmitanciaen %
0º 50 300 450 600 7500º 50 300 450 600 750
3 86 86 86 84 77 54
4 85 84.5 84 82 75 54
5 83 83 82.5 80 73.5 51
6 81.5 81 81 78.5 72 50
30
Absortancia de cubiertas
Para una cubierta FABS = 1.002 τ1 αPara dos cubiertas FABS = 1.012 τ1 τ2 αPara tres cubiertas FABS = 1.025 τ1 τ2 τ3 αPara cuatro cubiertas FABS = 1.050 τ1 τ 2τ 3 τ 4 α
Las cubiertas transparentes son al mismo tiempo superficies absorbedoras, provocando un aumento pequeño en la temperatura de la cubierta. La energía almacenada reduce la velocidad de pérdida de la cubierta. La energía almacenada reduce la velocidad de pérdida de energía hacia el exterior. Esta cantidad de energía absorbida es difícil de evaluar, por lo tanto se le puede considerar como un “ incremento artificial” de la transmitancia, definiéndose con esto el concepto del producto efectivo de la trasmitancia - absortancia ( τα )ef , el cual se puede calcular como:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )τα ef ABSK L K L K L K LF a e a e a e a e= + − + − + − + −− − − −
1 2 3 41 1 1 11 1 2 2 3 3 4 4
Los cálculos efectuados son considerando una incidencia normal de la radiación,siendo necesario obtener correlaciones para otros ángulos de incidencia.
Coeficientes para el cálculo del producto efectivo (τα)eff
No. De Cubiertas Coeficiente Emisividad
cuerpo negro
(0.95)
Emisividad
cuerpo
selectivo ( 0.2)
1 a1 0.23 0.14
2 a1 0.17 0.10
a2 0.63 0.44
3 a1 0.13 0.08
a2 0.47 0.35
a3 0.76 0.58
4 a1 0.11 0.07
a2 0.39 0.30
a3 0.62 0.50
a4 0.83 0.67
Factor de ensuciamiento y sombreado
En términos generales, en localidades industriales se considera unadisminución global del 4% sobre la transmitancia y en otras zonas seconsidera un valor promedio del 2%. En este caso se define un factor deensuciamiento Fe el cual es igual a (1-E), siendo E el porcentaje deensuciamiento sugerido, en un caso general Fe se toma como 1 - 0.02 =0.98.
Sí la radiación solar no incide normal al plano del colector, tanto lasparedes laterales de la caja como los soportes de las cubiertas llegan aSí la radiación solar no incide normal al plano del colector, tanto lasparedes laterales de la caja como los soportes de las cubiertas llegan asombrear parte de la superficie absorbedora. Cálculos detallados de laspérdidas de energía captada debido al sombreado indican que para ángulosde incidencia mayores de 45º , el efecto neto de pérdidas por sombrado esdel 3%.En el caso del sombrado debido a los soportes intermedios de la cubierta,también se deben tomar en cuenta en el balance térmico del colector solar.Debido a estos soportes, el área neta de absorción es por lo general de un 2a un 4% más pequeña que el área total del absorbedor.Para fines de ingeniería, se supone un factor de sombreado FS = 1-S, endonde S representa la fracción de sombreo, resultando para el caso generalun valor de FS = 0.97 al mediodía, el cual varía con respecto al ángulo deincidencia.
Cubierta transparente
Las múltiples reflexiones intervienen también en el balance global de absorción
solar de la superficie absorbente. Para una unidad de energía solar solo la
fracción αp* se absorbe, el resto; (1- αp* ) se refleja..
Esta fracción se va a reflejar
sobre la cubierta siendo el
coeficiente de reflexión ρc.
Una cantidad de energía
Efecto de múltiples reflexiones absorbedor-cubierta
Absorbedor
1
α*(1-αp*)ρc*αp*
(1-αp*)2ρc*2 αp*
Una cantidad de energía
igual a (1-αp*)ρc* va a
alcanzar la superficie
absorbente que almacenará la
cantidad; (1-αp*)ρc*αp*
( ) cp
pe
ρα
αα
∗
∗
−−=
11
Energía neta absorbida, Q’ABS
La cantidad neta absorbida Q’ABS se puede calcular a partir de la siguiente relación:
[ ] [ ] diefDefABS ISEISEQ 050)1)(1()()1)(1()('
=−−+−−= τατα
−−τα[ ]
+
−−
−−+−−= =
I
I
SE
SE
I
IISE d
Ief
iefDef
)1)(1()(
)1)(1()()1)(1()(
050
τα
τατα
En días claros, la radiación difusa representa entre un 8 y 10 % y en áreashúmedas o industriales son de aproximadamente el doble. El valor numéricodel término enmarcado por paréntesis cuadrado es cerca de 1 y confrecuencia de 0.98. Simplificando para fines prácticos:
[ ] fIISEQiefABS =−−= )1)(1()(98.0' τα
35
Energía neta absorbida, Q’ABS
Es importante mencionar que no toda la energía que incidesobre el colector proviene del sol, cerca de un 10% llega de laatmósfera con ángulos de incidencia diferentes, por lo generalprovenientes del albedo o emisiones de los componentesgaseosos en el aire. Para determinar todos los factores quegaseosos en el aire. Para determinar todos los factores queintervienen en la trasmitancia, se supone un ángulo promediode incidencia de 50º ( En un cielo uniforme, el ángulo teóricode incidencia para un colector colocado horizontalmente es de58º ). Hay que considerar el hecho que el cielo no tiene unabrillantez uniforme.
Energía neta absorbida, Q’ABS
con (1-E) = 0.98 y (1-S)I=0
[ ]QS
SI fIABS ef i
ef
ef
i
i
' . ( )( )
( )
( )
( )¡
=
−
−
==
==
0 931
1000
τατα
τα
en donde f representa la fracción de la radiación solar incidenteutilizable que es absorbida por el colector. Para fines prácticos sepropone para todas las horas del día, la siguiente ecuación::
[ ]Q I fIABS ef i' . ( )= =
=085
0τα
cubierta
aire
cielo TC
Ta
Tc
Temperaturas de los componentes de un termoconversor que intervienen en el rendimiento térmico
aislamiento
aire
cubierta
aire
Tc
Taabsorbedor
TA
Tais
Ta
a
b
Perdidas térmicas en los termoconversores
• Las pérdidas térmicas en un captador solar se llevan a cabo pormedio de los procesos conocidos de transferencia de calor, yaque la superficie absorbedora está más caliente que lascondiciones de los alrededores.
• Estas pérdidas de calor se llevan a cabo hacia arriba a travésde las cubiertas transparentes, a los lados y hacia abajo a travésdel aislamiento térmico lateral y posterior.
• Los factores que determinan el flujo de calor hacia arriba a• Los factores que determinan el flujo de calor hacia arriba através de las cubiertas transparentes son: la temperatura delabsorbedor, la temperatura del aire ambiente, el número decubiertas transparentes y su espaciamiento, el ángulo deinclinación del colector con respecto a la horizontal, lavelocidad del viento sobre la cubierta y la transmisión de laradiación de longitud de onda larga de las películas y placasplásticas que se usan como cubiertas en lugar del vidrio.
Pérdidas de calor en un
termoconversorradiativas
convectivas
conductivasconductivas
40
Conducción• En los medios materiales donde existe un gradiente de temperatura, existe
un mecanismo de transferencia de calor de las regiones calientes a lasregiones frías, en donde no intervienen ni la radiación, ni losdesplazamientos macroscópicos de la materia: es la conducción. En elgas, las moléculas de las regiones calientes que posen más energíacinética pierden una parte de esta energía por colisión con las moléculasde energía cinética más débil, cuando penetran en las regiones frías.Desde un punto de vista macroscópico, hay así una transferencia de calor.En los líquidos, el proceso es así similar, pero las moléculas están masEn los líquidos, el proceso es así similar, pero las moléculas están maspróximas y es evidentemente más complejo. En los sólidos, la energía estransportada por los electrones libres y las vibraciones de la red cristalina.
• La potencia calorífica trasmitida por conducción a través de un elementode superficie dS situado al interior de una material, donde existe ungradiente de temperatura esta dado por la ley de Fourier:
kgradTndSdq −=
Donde k es la conductividad térmica del material (en W/Mk) y n es el
vector unitario llevado por la normal a dS
dxkSdTq /−=
Conducción
0 x
ab
c
T1 T2 T3T4
a b c
( ) ( ) ( )433221 TTTTL
SkTT
L
Skq
c
c
L
Sk
b
b
a
a −=−=−=
++=−
Sk
L
Sk
L
Sk
LqTT
c
c
b
b
a
a41
x1x2 x3 x4
Analogía eléctrica
cba RRRR ++=cba RRRR
1111++=
Coeficiente global de transferencia de calor por conducción
RTq /δ= TUSq δ=
Coeficiente global de transferencia de calor por conducción
L
k
SRU ==
1
)(kgradTdivPt
Tc +=
δ
δρ
Ecuación general de conducción
Con ρ la masa volumétrica del medio, c el calor específico, P potencia disipada bajo forma de calor en el seno del medio (efecto Joule por ejemplo)
Convección
La convección es un mecanismo de transferencia de calor en los fluidos que
implica los movimientos del medio a escala macroscópica. Según el origen
de estos movimientos es natural o al contrario impuesta por fuerzas
exteriores, distinguiéndose la convección natural y la convección forzada.
Existiendo los casos mixtos en donde estos dos tipos de convección
coexisten.
Cualquiera que sea el tipo de convección, la potencia térmica dqcCualquiera que sea el tipo de convección, la potencia térmica dqc
intercambiada entre el fluido y un elemento de superficie dS del sólido, se
representa por:
( )dSTThd fscqc−=
Donde: hc es el coeficiente local por convección (W/M2 K), Ts y Tf las
temperaturas del elemento de la superficie y del fluido no perturbado,
respectivamente
Convección
El coeficiente hc depende de la densidad del fluido, de su viscosidad, de su
velocidad y de sus propiedades térmicas (conductividad, calor especifico).
Para una superficie sólida de dimensión finita:
( )fSc TThSq −=
Donde hc es e coeficiente promedio de intercambio por convección.
Como en el caso de la conducción, se puede utilizar una analogía eléctrica e
introducir la resistencia térmica por convección:
ShR
cc
1=
45
Números adimensionales
ReynoldsEl número de Reynolds Re esta definido por:
µ
ρ LvRe =
Masa volumétrica, ρ, viscosidad µ, v velocidad y L, la dimensióncaracterística.Para un flujo al interior de una tubería, se utiliza la dimensióncaracterística el diámetro hidráulico DH igual a cuatro veces la relaciónde la sección interna del conducto a su perímetro. Por ejemplo, parauna tubería rectangular en donde las dimensiones internas son a y b,el diámetro hidráulico es:
( )ba
abDH
+=
2
Números adimensionales
Desde un punto de vista físico, el Número de Reynolds se puede expresar
como la relación entre la densidad de la energía cinética en la corriente y
una densidad de energía ligada a las fuerzas de viscosidad.
Lv
vRe
/
2
µ
ρ=
Lve/µ
Se concibe que, para bajos valores de Re las fuerzas de viscosidad sean
suficientes para estabilizar el flujo que ahora es laminar. Por el contrario,
cuando el Re es grande, la densidad de energía cinética es tal que el flujo se
convierte en turbulento. De acuerdo a la experiencia, si el flujo en los
conductos es laminar, el Re ≤2100 y completamente turbulento cuando Re≥6000
Números adimensionales
Nusselt
Este número es la relación entre la transferencia de calor real en el fluido y la que sería si solo hubiera la conducción operará:operará:
f
cu k
LhN =
Donde kf es la conductividad térmica del fluido. Para Nu = 1 la transferencia se hace sólo por conducción.
Números adimensionales
Prandtl
Este número relaciona la difusividad mecánica delfluido, definida por:
ρµν /= ρµν /=m
f
pmr k
c
aP
µν==
pf cka ρ/=
Números adimensionales
• Grashof
En convección natural , la velocidad del fluido no es conocida a priori y no
se puede utilizar el número de Re , por lo que se introduce el número de
Grashof:
( ) 32 βρ −( )2
3
21
2
µ
βρ LTTgGr
−=
g es la aceleración de la gravedad y β la dilatación volumétrica del fluido (β=1/T
para un gas perfecto). Las temperaturas dependen del sistema considerado.
Físicamente, el número de Grashof se puede interpretar como la relación del
producto de la densidad de energía cinética (α ρv2 ) por una densidad de energía
ligada al impulso de Arquímedes ( α ρβ(T1-T2) al cuadrado de la densidad
energética ligada a la viscosidad (α µv/L)50
Números adimensionales
Rayleigh
Este número interviene frecuentemente y es el producto delnúmero de Grashof y del número de Prandtlnúmero de Grashof y del número de Prandtl
rra PGR =
Convección natural
• Convección natural entre dos planos paralelos a temperaturas T1 y T2.Cuando la inclinación s de los planos sobre la horizontal es inferior a 75º:
( )0
3/16.10
15830
cos
cos
17088.11
cos
1708144.11
−
+
−
−+=
sR
sR
ssen
sRN a
aau
Donde el exponente 0 significa que el término entre paréntesis debe de tomarse igual a cero si el es negativo. Para las inclinaciones 75º < s < 90º
( ) ( )[ ]3/14/1039.0;288.0;1max aau sensRAsensRN =
Donde A es la relación entre la separación L de los dos planos y la longitud del lado inclinado. En estas ecuaciones las propiedades del fluido se calculan para una temperatura promedio
Convección natural
• Convección natural sobre una placa planaPara una placa plana de longitud L llevada a una temperatura Tp e inclinada
un ángulo s sobre a horizontal, a la presión atmosférica:
( ) 4/1
42.1
−=
L
sensTTh ap
c
Donde Ta es la temperatura de la atmosfera . Esta relación es válida si 10 4< Gr
< 109 Si Gr > 109 se debe reemplazar por:< 10 Si Gr > 10 se debe reemplazar por:
( )[ ] 3/195.0 sensTTh apc −=
Convección natural en un cilindro horizontal
( ) 4/153.0 rru PGN =
Para un cilindro vertical se puede aplicar la ecuación para superficies planas
Convección natural en una esfera ( ) 4/145.02 rru PGN +=
Convección forzada
• Flujo laminar en conductos. Siendo un conducto de diámetro hidráulico Dh
y una longitud L. Cuando RePrDh/L > 10, se obtiene:
14.03/1
86.1
=
p
mhreu L
DPRN
µ
µ
Con µm y µp las viscosidades d a la temperatura media del fluido y a latemperatura de la pared. Para conductos cortos, cuando RePrDh/L > 100, setiene:
1Dtiene:
( )
−=
−− 5.0167.0/654.21
1
4 LDPRPLog
L
DPRN
hrer
hreu
En las aplicaciones solares, la velocidad de desplazamiento del fluido puede
ser suficientemente baja para que la convección natural sea significativa, lo que
se produce cuando L/D > 50 Y Gr/Re2 < 10. La ecuación propuesta es:
2/13/4
3/114.0
012.075.1
+
=
L
DPRG
L
PRN hrerre
p
mu
µ
µ
Donde la diferencia de temperatura a introducir en el cálculo del número de
Grashof es entre la temperatura de las paredes y la temperatura promedio del
fluido
Convección forzada
Ecuaciones simplificadasAire a presión atmosférica en un conducto largo:
2.0
8.0
5.3h
cD
Vh =
Para 300 < T< 380 K
• Aire a presión atmosférica entre dos placas distantes
2.0
8.0
6.2h
cD
Vh = Para 300 < T< 380 K
• Agua en un conducto largo de diámetro D
( )2.0
8.006.402.01056
D
VThc
−= Para 278 < T< 378 K
55
Convección forzada
• Flujo laminar sobre una placa plana
Este caso tiene una importancia práctica ya que se trata de edificaciones y
de captadores solares expuestos al viento; la relación es:
Vhc 8.37.5 +=
Este coeficiente así calculado tiene cuenta de la convección natural y Este coeficiente así calculado tiene cuenta de la convección natural y de las pérdidas por radiación y se propone de reemplazarlo por:
Vhc 0.38.2 +=
• Flujo alrededor de un cilindro en donde el eje es perpendicular
eeu RRN 00128.046.02/1
+=
Cuando Re > 500
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentesLa cantidad total de calor perdida, se puede calcular por medio de una
expresión linearizada :
Q U A T TP C C C a= −( )
con esta relación se supone que la temperatura del absorbedor esuniforme y UC representa el coeficiente global de pérdidas del colector.Las pérdidas de calor hacia arriba a través de las cubiertas se lleva acabo entre la superficie absorbedora y la cubierta y de esta hacia elambiente, que es el caso mas general. En el caso de tener variascubiertas habría que considerar el intercambio térmico entre ellas y laúltima con el ambiente. Como caso general se considera un colectorsolar con una sola cubierta y un absorbedor aislado.
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
Las pérdidas de calor entre la cubierta y el absorbedor se hacen por conducción-convención y por radiación:
Q A h T T A T TC V C CC C V C CV S C V− = − + −( ) ( )ε σ 4 4
en donde TV es la temperatura del vidrio, hCC el coeficiente deintercambio térmico por conducción-convección, ε , la emisividadintercambio térmico por conducción-convección, εCV , la emisividadcolector vidrio, la cual se expresa por:
1 1 11
ε ε εCV C V
= + −
en donde εC y εV , representan respectivamente las emisividades delcolector y del vidrio. La ecuación anterior se puede escribir bajo la forma:
Q A h h T TC V C CCV RCV C V− = + −( )( )
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
Con: h T T T TRCV S CV C V C V= + +σ ε ( )( )2 2
Sino se considera la energía absorbida en el vidrio, la energía transferidadel absorbedor hacia el vidrio y de este hacia el ambiente, se puedeexpresar como:expresar como:
Q A h h T TC V a C CVa RVa V a− − = + −( )( )
donde hCVa es el coeficiente de pérdidas de calor por convección debidas a la presencia del viento y hRVa , esta dado por:
h T T T TT T
T TRVa V S cielo V cielo VV cielo
V a
= + +−
−ε σ ( )( )2 2
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
Al cielo se le considera como un cuerpo negro radiando a la temperatura Tcielo
Tcielo = 0.0552 Tamb 1.5 (K)
Entonces, el coeficiente total de pérdidas del colector al vidrio es:
U h hCV CCV RCV= +U h hCV CCV RCV= +
y, el coeficiente total de pérdidas del vidrio al ambiente es:
U h hVa CVa RVa= +
el coeficiente total de pérdidas del colector hacia el ambiente a travésde las cubiertas es:
1 1 1
U U UCVa CV Va
+ +
60
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
por lo tanto la ecuación general del calor perdido del colector a través dela cubierta de vidrio es:
Q A U T TCVa C CVa C a= −( )
Como se puede observar T no está implícita en esta relación, sinComo se puede observar TV no está implícita en esta relación, sinembargo como se ha observado, que esta incluida tanto en loscoeficientes de transferencia de calor convectivos promedios, así como enlos coeficientes de transferencia de por radiación.
El coeficiente UCVa se calcula de manera iterativa. Conociendo TC , secalcula TV , y se deduce en coeficiente global utilizando la ec. QCVa. Unavez conocidas estas pérdidas, la ec. QCV o la ec. QC-V-a , da una nuevaestimación de TV , de donde se calcula un nuevo coeficiente UCVa y asíhasta que los valores de TV derivados de estas dos iteraciones sucesivassean muy próximos.
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
Este método iterativo puede resultar muy laborioso, pudiéndose utilizar uncálculo alternativo ( Duffie y Beckman, 1980), en donde se cuenta con unrelación empírica debida a Klein, la cual permite calcular el coeficiente UCVa
, para un dominio de temperaturas en el colector entre 0 y 200 °C, con unerror estimado inferior a ± 0.3 W/m2 °C:
+ +
−1
2 2σU
N
C
T
T T
N f
h
T T T T
NhN f
NCVa
C
C a
eCVa
S C a C a
C CVaC
V
=−
+
+
++ +
+ ++ − +
−−
1
0 005912 1 01333
2 2
1
σ
εε
ε
( )( )
( . ).
siendo N el número de cubiertas transparentes y con:,
f h h NCVa CVa C= + − +( . . )( . )1 0 089 01166 1 0 07866ε
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
• con
eTC
= −
0 43 1
100.
cs
c=
−
520 1 0 000051
70
2( . )
( )
para 0° < s < 70°
para s ≥ 700
Calculo de la eficiencia térmica de un captador solar
Calculo del coeficiente global de pérdidas
• Cálculo del coeficiente de convección natural entre la placa y el vidrio.• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre superficies
paralelas.• Cálculo del coeficiente de convección entre el vidrio y el exterior.• Cálculo del coeficiente de convección entre el vidrio y el exterior.• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre el vidrio y el
cielo.• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico por conducción.• Cálculo del coeficiente global de pérdidas térmicasCálculo de la eficiencia ópticaDeterminación de la irradiancia solarCálculo de la eficiencia térmica instantánea ( )
I
TTU ap
op
−−=ηη
Marco
Sello
Cubierta transparente
1. Marco
2. Sello
3. Cubierta transparente
Anatomía de un captador solar planoAnatomía de un captador solar plano
Cubierta transparente
Marco lateral
Aislamiento térmico
Superficie absorbedora
Ductos para el fluido
Fijación
Caja protectora
3. Cubierta transparente
4. Marco lateral
5. Aislamiento térmico
6. Superficie absorbedora
7. Ductos para el fluido
8. Fijación
9. Caja protectora
65
Áreas en un captador
área de absorción
área de abertura
área total
Configuraciones de captadores planos
Absorbedor sin cubierta Captador con aislamiento térmico
transparente
cCaptador estandar
Captador con convección limitada
transparente
Captador al vacío con pilares
Captador para calentamiento de aire
Superficie absorbedora
A B C
A) Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí.
B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o
conjunto de aletas.
C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.
Propiedades ópticas de algunos recubrimientos selectivos.
Recubrimien
to selectivo
Sustrato
metálico
Absortividad
solar
Emisividad
infrarroja
Cromo negro Acero,. cobre 0-91 – 0.96 0.07 – 0.16
Cobre negro Acero,. cobre 0.81 – 0.93 0.11 – 0.17Cobre negro Acero,. cobre
Aluminio
0.81 – 0.93 0.11 – 0.17
Níquel negro Níquel, acero 0.89 – 0.96 0.07 – 0.17
Óxidos de
aluminio
aluminio 0.90 - - 0.40
Oxidos de
fierro
acero 0.85 -
Material plástico transmitancia Temperatura máxima, ºC
Resistencia a la intemperie
policarbonatos 0.73 – 0.84 100 – 130 De pobre a media
poliésteres 0.80 – 0.87 140 De media a
Propiedades ópticas de cubiertas transparentes
poliésteres 0.80 – 0.87 140 De media a buena
polietilenos 0.90 50 pobre
Polivinil fluoruro 0.92 – 0.94 160 De buena a excelente
Fibra de vidrio reforzada
0.77 – 0.87 90 buena
acrílicos 0.80 – 0.90 70 - 135 De media a buena
70
Captadores solares planos
Captador solar plano de plástico (Polipropileno) para el Calentamiento de agua a bajas
temperaturas
Durabilidad y fiabilidad.
• Entrada de agua en el interior del captador
• Degradación del tratamiento del absorbedor.
• Corrosión de la superficie absorbedora.
• Corrosión galvánica
• Corrosión por picaduras
• Corrosión por esfuerzos
• Corrosión biológica
• Degradación y ruptura de la cubierta.
• Degradación de los aislamientos térmicos
• Degradación del material de las juntas.
Criterios de diseño del colector.
• Rígidez de la caja protectora y la sujeción del absorbedor, de forma que se evite su deformación y pérdida de estanqueidad por fatiga térmica
• Diseño de la fijación de la cubierta que permita absorber las dilataciones e impida la entrada de agua.
• Un proceso industrial de aplicación del recubrimiento de la superficie absorbedora que garantice su calidad
• Selección del material de juntas de forma que se asegure el cumplimiento de las normas de prueba de estos materiales.
• Control de calidad de las especificaciones del aislamiento térmico utilizado.
Criterios de diseño del colector.
• El material de la cubierta transparente en el caso del vidrio sea normal o templado, el espesor de debe ser inferior a 3mm y su trasmisividad mayor o igual a 0.8.
• La distancia media entre la cubierta transparente y el absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4 cm.absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4 cm.
• En ningún caso, el recubrimiento del absorbedor se debe de aplicar sobre acero galvanizado.
• La caja protectora del captador deberá contener un orificio de ventilación de un diámetro superior a los 4 mm colocado en la parte inferior, para poder eliminar las posibles acumulaciones de agua. El agua deberá drenarse sin afectar al aislamiento térmico.
• Se sugiere no utilizar más de una cubierta transparente
Parte III
Tecnologías para aumentar la temperatura y la eficiencia temperatura y la eficiencia
de conversión
75
Aumento de los aislamientos
térmicos
• Convectivos (cubiertas transparentes)
• Radiativos (recubrimientos selectivos • Radiativos (recubrimientos selectivos
internos; en el absorbedor y en las cubiertas.
• Conductivos (aislamientos de mejor calidad
y aumento del espesor)
Aumento de aislamientos térmicos
Tecnologías para aumentar temperatura
y eficiencia
Disminución de las pérdidas convectivas
• Barreras anticonvectivas• Barreras anticonvectivas
• Disminución del contenido de aire interior
• Dispositivos concentradores
Barreras anticonvectivas
Si las cubiertas se cortan en una cierta longitud y se colocan perpendicularmente a la superficie, resulta que en el caso de cubiertas paralelas la radiación reflejada sale de la superficie absorbedora Cubierta exterior, mientras que en el caso
Cubierta exterior
Radiación solar
mientras que en el caso perpendicular se dirigen hacia el absorbedor y no se pierden. Por otro lado, debido a que las particiones se pueden hacer bastante delgadas, las absorciones en las particiones se pueden evitar con el resultado neto que la transmisión solar del aislamiento convectivo puede ser bastante alta.
Superficie absorbedora
Barreras anticonvectivas
Considerando que están debidamente diseñadas las particiones verticales, estas pueden suprimir las corrientes de convección natural. Si son de un material opaco a la radiación de longitud de onda larga, pueden también substancialmente reducir las pérdidas radiativas del absorbedor. Si son transparentes, se
Cubierta
transparente
absorbedor. Si son transparentes, se debe usar una superficie selectiva en el absorbedor y las particiones verticales se usarán solamente para suprimir la convección. En un principio la forma de las particiones fue hexagonal, teniendo la forma de un panal, por lo que originalmente este tipo de captadores se le conoce con el nombre de captadores solares planos tipo panal, la figura Barrera anticonvectivamuestra un ejemplo de este tipo de captador solar.
Barrera
anticonvectiva
Aislamientoabsorbedor
80
Captadores solares a vacío
Parte IV
Captadores solares al vacío
Un captador solar “al vacío” esta compuesto por unaserie de tubos transparentes por lo general de vidrio. Encada uno de ellos hay un absorbedor que capta la energíasolar y un intercambiador para permitir la transferenciasolar y un intercambiador para permitir la transferenciade la energía térmica. A todos los tubos se les hace vacíopara disminuir en lo posible las pérdidas térmicasconvectivas de absorbedor, el cual contiene un tratamientoselectivo para disminuir a su vez las pérdidas térmicasradiativas (baja emisividad).
Transferencia de calor en función de la presión
2/322/12/1 )100)(21()(
29.0
lTTCosP
cA ααθ +−=
La presión requerida para lograr una capa estacionaria de aire (presión reducida)
TA = Temperatura del absorbedor (K), Tc = Temperatura de la cubierta, α = 100/TmK, Tm = promedia aritmética de TA y Tc en K, l = distancia entre el absorbedor y laK, Tm = promedia aritmética de TA y Tc en K, l = distancia entre el absorbedor y la
cubierta . De la ecuación anterior, para un colector típico con l = 0.05 m, TA =100ºC, Tc = 25ºC, θ = 45º, la presión requerida es, P = 0.0684 atm = 52 mmHg.
La dependencia de la conductividad térmica de la capa de aire con la presión, puede
cuantificarse a través del Número de Knudsen ( Kn):
Kn = L /lEn donde L es el camino libre medio de las moléculas, que para el casodel aire se puede considerar como una buena aproximación la relaciónsiguiente:
=
P
P
T
TLL m 0
0
0
L0 = 6.38 X 10-8m, T0 = 288 K, P0 = 1atm, P = Presión de operación,en atm., K0 = conductividad térmica del aire a presión atmosférica. Laconductividad térmica del aire es independiente de la presión paravalores P ≥ 1 atm. Sin embargo, para valores de Kn ≥ 10, K esproporcional a la presión y a la distancia (l) y se calcula por medio de larelación siguiente:relación siguiente:
2/1
0
00
0
=
mT
T
P
Pl
L
KK
De tal manera que en este régimen, el coeficiente de transferencia de calor es:
l
Khc =
85
El coeficiente global de pérdidas para un colector
evacuado
1
''
1
'
11−
+++
+=
cvrcdcvr
Lhhhhh
U
en donde:
hr = coeficiente de radiación (absorbedor-cubierta).hcv = coeficiente de convección (absorbedor-cubierta).h’cd = coeficiente de conducción en la cubierta transparente.h’r = coeficiente de radiación (cubierta-ambiente).h’cv = coeficiente de convección (cubierta-ambiente).
Análisis comparativo
Colector plano Colector plano Colector evacuado1 cubierta εεεε =0.95 1 cubierta εεεε =0.1 εεεε =0.1, P=10-4 Torrs
hcv 3.24 3.24 ------hcd ------ ------ 0.06
hr 6.74 0.58 0.58
h’cv 9.50 9.50 9.50 h’cv 9.50 9.50 9.50
h’r 5.00 5.00 5.00UT 5.90 3.02 ------
UB 0.72 0.72 ------
UL 6.62 3.74 0.62
TA = 100ºC, Ta = 20ºC, Tc = 25 0C v = 1ms-1 h = w/ºcm2
Captadores solares al vacío
Normalmente la presión al interior debe ser del orden de < 10-3 Pa, para eliminar la transferencia de calor por convección, por lo que debe estar completamente hermético. estar completamente hermético. Con el objeto de controlar la permanencia de este vacío, algunos fabricantes colocan un compuesto de bario, que deposita una capa metalizada sobre el interior del tubo durante su fabricación. Esta capa plateada de bario se convierte en blanca en contacto con el aire, sirviendo así como testigo de la pérdida del vacío.
Clasificación
• Captador solar a vacío con circulación directa.
• Captador solar a vacío con caloriducto• Captador solar a vacío con caloriducto
• Captador solar a vacío con efecto "Termo"
• Captador solar a vacío tipo "Schott"
Captadores solares con tubos evacuados
• Una técnica para disminuir las pérdidas convectivasconsiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, eneste caso; a estos captadores solares se les conoce con elnombre de; “captadores solares evacuados.
• El captador solar evacuado más conocido consiste en untubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca untubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca unabsorbedor solar de placa plana unido a un tubo en dondecircula el agua a calentar y que cuenta además con unrecubrimiento selectivo.
• Existen comercialmente dos tipos de colector solarevacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidrio-metal.
90
Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio
El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio,por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre siy durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extraela mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cualactúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interiorse deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentrode este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solarevacuado vidrio-vidrio.evacuado vidrio-vidrio.
Sección evacuada Vidrio exterior
Agua caliente
Agua fría
Agua caliente
Vidrio exterior con recubrimiento absorbente
Tubo evacuado tipo vidrio-metal
El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de unabsorbedor metálico de placa plana con recubrimientoselectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicatounido al metal por medio de una junta de expansión paraamortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extraeel aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente parareducir al máximo las pérdidas de calor por convecciónreducir al máximo las pérdidas de calor por convección
Tubo metálico para
transporte del aguaAleta metálica absortiva
Junta de
expansión vidrio
metal
Envolvente de vidrio Sección evacuada
Agua fría
Agua caliente
Agua caliente
El captador a vacío con circulación
directaEsta técnica fue la primera en desarrollarse hace más de 30 años, con el objeto de mejorar la eficiencia del captador plano normal. La concepción del absorbedor y los ductos de circulación del fluido térmico son como las del captador plano, con como las del captador plano, con la diferencia que las entradas y salidas son estrechas para poderse introducir al interior de un tubo de vidrio, en cuyo interior el aire se evacua, haciendo el vacío necesario y cerrando posteriormente de manera hermética. Existen en versiones vidrio-vidrio y metal-vidrio, en donde la complejidad radica en la formulación de los sellos vidrio/ metal.
El captador solar a vacío con caloriducto• La diferencia con un captador solar a
circulación directa es que el intercambio de calor se lleva a cabo siguiendo un mecanismo natural de evaporación y de condensación de un fluido. Este dispositivo de intercambio térmico se llama caloducto o caloriducto o por su nombre en ingles: heat pipe. El caloriducto esta en contacto con el absorbedor y permite transferir el calor captado fuera del tubo para calentar un fluido en el captador. En todos los casos existe una unión vidrio/metal hermética. Los fluido en el captador. En todos los casos existe una unión vidrio/metal hermética. Los caloriductos deben estar inclinados para permitir la termocirculación del fluido en el caloriducto.
1. Captador aislado al interior de la envolvente de
protecció, 2. Condensador del caloriducto, 3.
Circulación del agua en el captador, 4. Tubo de acero
hermético, 5. Absorbedor , 6. Liquido descendiendo7. Vapor subiendo, 8. Tubo de vidrio al vacío
90
Tubo evacuado con caloriducto
Calodiructos o heat pipes
Módulo de captadores solares del tipo tubos evacuados,
con intercambiador de calor de cambio de fase
(caloriductos)
Ficha técnica
Model NSC-70-10 A NSC-70-15 A NSC-70-20 A
Number of Tubes 10 15 20
Gross Area 2.27 m2 3.27 m2 4.26 m2
Absorber Area 1.04 m2 1.56 m2 2.08 m2
Weight 45 kg 60 kg 80 kg
Max Working Pressure 6 barTechnical Data:
Max Stagnation Temperature 250℃
Absorber Coating SS-ALN-CU (σ>0.96 ε<0.05 )
Long-term Vacuum 10-8 bar
Manifold Shell Frosted Aluminum Alloy (Grey or Black painting)
Insulation Rock Wool, 50mm thickness, 180kg/m3
Frame Stainless Steel or Aluminum Alloy
Recommended Installation Angle
15°~ 90°
El captador solar a vacío con efecto
"Termo"En esta tecnología se aplica el principio de una envolvente al vacío que se utiliza para conservar bebidas calientes, conocida como botella Termos. El tubo interior funciona como absorbedor, ya que su superficie es tratada para ser absorbente y selectiva, emitiendo poca radiación en el infrarrojo. El calor es trasmitido fuera de la envolvente al vacío del tubo por la circulación de un fluido en contacto el absorbedor o por un caloriducto. A este
Recubrimiento selectivo
Tubo exterior
absorbedor o por un caloriducto. A este tipo de captador también se le conoce con el nombre de “Sydney”, debido a que esta técnica fue desarrollada por primera vez en la Universidad de Sydney en Australia. Actualmente es una tecnología china, considerada como "Hi-Tech" , en Europa, representando cerca del 65% del mercado chino. Su fabricacion se ha simplificado, ya que no hay soldaduras vidrio/metal. Sin embargo, son frágiles en la parte de su unión con el termotanque, en donde la parte exterior e interior de cada tubo se juntan.
Tubo interior
95
tecnología de colectores parabólicos tecnología de colectores parabólicos compuestoscompuestos
COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC
CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA
NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR
ABSORBEDOR CON CAMPANA
vidrio
Absorbedor
caja
aislamiento
Captadores solares al vacío con concentración óptica
• En algunos casos se integra a este tipo de capatadores los reflectores del tipo de concentradores parabólicos compuestos, Tubo al vacío
Conductor del calor Superficie
selectiva
parabólicos compuestos, CPC, ya que como la superficie del absorbedor es cilíndrica cubre la totalidad de la superficie del tubo interior. Así la cara al sol puede captar la radiación directa y la parte oculta la radiación por reflexión.
Tubo al vacío
reflector
Tecnología de captadores solares con tubos evacuados
Estos equipos al trabajar al vacío
tienen menos pérdidas térmicas
por convección
47 < T < 190 OC
Absorbedor de tubo con placa, tipo estacionario
Tubo al Vacíoentrada salida
vidrio
vacíoagua
Campo de tubos evacuados
SISTEMAS DE CALENTAMIENTO SOLAR DE
AGUA CON TUBOS EVACUADOS
100
Sistemas de calentamiento solar de aguapara uso doméstico
Eficiencias de conversión para diferentes tecnologías
termosolares
E
F
I
C
I
E
N
C
Captador solar plano
Captador evacuado
Captador para piscina
Diferencia de temperaturas entre el captador solar y el ambiente
C
I
A
Calentamiento de piscinasCalentamiento de agua y de espacios
Calor para procesos
Tipo de captador
solar
Dominio de temperatura
Costo internacional, usd
Costo en México, mn
Plano de plástico 30 - 45 550 -650
Plano con superficie selectiva
30 – 100 357
Plano de metal 30 – 80 950 -1700
CARACTERÍSTICAS DE TERMOCONVERSORES SOLARES
Plano de metal 30 – 80 950 -1700
Plano evacuado 60 – 120 390 2000 - 3000
Plano con barreras anticonvectivas transparentes
60 – 100
Cilíndrico – parabólico compuesto
100 – 250 390
Cilíndrico Parabólico 200 – 400 405
Tecnologías solares dealta temperatura
Tecnologías solares
Captador plano doble
cubierta, antreflectivas
(80-150 °C) concentrador parabólico
compuesto, estacionario,
(80-110 °C)
Concentrador de
canal parabólico con
cubierta (100-200 °C)
Tecnologíassolares
captador de canal parabólico modular,
(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólicoCon cubierta, (80-300 °C)
(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólico (100-200 °C)
Tecnologías solares
Captador de canal con foco fijo Captador de canal con foco fijo (100-200 °C)
Concentrador lineal tipo Fresnel (100-400 °C)
Concentrador de canal parabólico Combinado :calor-potencia 80-150 °C
Parte V
Inclinación y orientaciónInclinación y orientación
Orientación e inclinación
Sur geográfico
• Círculos indios
• Observación de la estrella • Observación de la estrella
polar
• Brújula
105
PRIMERAS HORAS
NORTE
90º
ESTEOESTE
Trayectoria solarSUR
Círculos indios
90º
Declinación magnética
La declinación magnética es el ángulo formado entre la
meridiana geográfica (o norte geográfico) y la meridiana
magnética (o norte magnético). Cuando ese ángulo se
presenta al oeste del norte geográfico, se habla de
Líneas isogónicas en la Tierra
presenta al oeste del norte geográfico, se habla de
declinación oeste y en el caso opuesto se habla de
declinación este.
Dado el carácter dinámico del campo magnético
terrestre, la declinación también es cambiante, y para
un mismo lugar la declinación medida en una fecha es
distinta a la medida en otra fecha distinta, pese a
tratarse del mismo punto de la superficie terrestre. Esta
variación se mide en una tasa anual, que establece en
qué magnitud angular la declinación variará y en qué
sentido será el giro (hacia el este o el oeste)
Declinación magnética en la República Mexicana
Declinación magnéticaVariación de la declinación magnética en el año 2006
Ciudad de México
Longitud oeste: 99° 08’
Latitud norte: 19° 26’
Ciudad de Temixco, Morelos
Longitud oeste: 99° 13’ 48”
Latitud norte: 18° 51’
Fecha Declinación
1 de enero 5° 59’ E
1 de junio 5° 56’ E
1 de diciembre 5° 53’ E
Fecha Declinación
1 de enero 6° 02’ E
1 de junio 6° 00’ E
1 de diciembre 5° 57’ E
Variación anual 0° 6’ hacia el oeste
Análisis de sombras• En las instalaciones solares es muy importante realizar un
análisis de la proyección de sombras sobre el sistema debido a los obstáculos adyacentes, como la posibilidad de nuevas construcciones anexas y el crecimiento de árboles y plantas y por las mismas hileras de captadores y termotanques.
• El criterio generalmente aceptado es que las sombras proyectadas por lo captadores sobre total de la instalación no deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía del solsticio de invierno. Este criterio debe ser ajustado por el diseñador para cada caso particular.
• La distancia entre filas de captadores no deberá ser inferior a la obtenida por la siguiente expresión:
D = kh
En donde k es un coeficiente en función de la inclinación y h es la altura del colector.
110
Análisis de sombras
Inclinación 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º
k 1.532 1.638 1.732 1.813 1.879 1.932 1.970
La distancia entre la primera fila de captadores y algúnLa distancia entre la primera fila de captadores y algúnobstáculo que pueda producir sombra sobre lainstalación, deberá ser superior al obtenido por lasiguiente expresión:
hd 732.1=
Donde h es la altura del obstáculo.
Cálculo para evitar el sombreado
sobre un captador solar
h
A. Determinación del ángulo α:
1. Medir la distancia d
2. Medir la altura h
3. Calcular α
α
d
B. 1. Conociendo α (se toma como valor la altura solar mínima durante el año;
siendo el 21 de diciembre a la 12:00 h, tiempo solar) 2. Conociendo el valor de
h, 3. Se calcula d que es la distancia mínima que hay que colocar el captador
para evitar el sombreado.
Espaciamiento entre captadores
+= i
seniLX
m
costanh
X
X1 X2
L
i hm
Efecto de sombreado
P
a
El ángulo límite al este:
tan-1(c/b) = e
El ángulo límite al oeste:
tan-1(d/b) = f
La altura angular al meridiano (e):
tan-1(a/√b2 + c2) = g
y en el plano del meridiano (f):
tan-1(a/ √b2 + d2) = h
P b
c
d
eef
gh
S
(Vista de arriba) f
Muchas Gracias por su atención
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