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CAPÍTULO 5Conversión térmica de la energía solar

MATERIAL DEL CAPÍTULO 5 (PRIMERA PARTE)

Kaltschmitt, M., W. Streicher y A. Wiese. Renewable EnergyTechnology , 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.

Capítulo 2: Aspectos ópticos, pp. 81-116.

Capítulo 3: Colectores planos sin concentración, pp. 117-137.

Martínez Escribano, J.C., P. Franco Noceto, R. Alonso Suárez. Manual técnico de energía solar térmica. Vol. II: Aspectos T´ecnicos y Normativos.

https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/57934/mod_resource/content/1/man-RTI_Vol2-v10.pdf

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CONVERSIÓN TÉRMICA DE LA ENERGÍA SOLAR

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Clasificación de los sistemas de aprovechamiento

En base a la presencia o no de un dispositivo específico dedicado a la transformación de la radiación en calor se reconocen dos clases

Arquitectura solar o utilización pasiva de la energía solar

Sistemas térmicos solares


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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.

Bloquear el ingreso de radiación en verano y proveer ventilación natural

Maximizar el ingreso en invierno y mantener el calor.

Un buen diseño reduce considerablemente la carga energética del edificio (passivhaus, edificios de consumo casi nulo NZEB, etc.)

https://www.youtube.com/watch?v=MSBB6KhglxE


Sistemas térmicos solares

Convierten la radiación solar de bajas longitudes de onda en energía térmica mediante la utilización de colectores solares.

Aplicaciones más comunes

Sin concentración (temperaturas bajas hasta uno 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 unos 180°C)

Con concentración (temp. medias-altas hasta 1000°C o muy altas 3000°C)

Producción de calor para uso industrial

Generación de electricidad.

Testeo de materiales, producción de hidrógeno.

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SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES

Sin concentración (hasta ~120°C)

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SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES

Con concentración (~400-1000°C)

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COLECTORES SOLARES PLANOS

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. Suelen ser de cobre, aluminio o acero inoxidable.

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.

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Características funcionales

Requisitos de 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

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Características de las superficies

Coeficiente de absorción (α)

Representa la fracción de la radiación incidente que es absorbida por el cuerpo

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 para distintas 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

Para un cuerpo negro ideal ε=1.

A

I

G

G

,

,

,

E T

T

CN T

G

G

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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)

Ley de Snell: vincula los ángulos de incidencia y refracción mediante el índice de refracción

Coeficiente de transmisión (τ)

Representa la fracción de la radiación incidente que es transmitida a través del cuerpo

T

I

G

G

R

I

G

G

2 2

1 2 1 2

2 2

1 2 1 2

tan sen1 1

2 tan 2 sen

1 1 2 2sen senn n

1 1

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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:

Materiales transparentes:

1

A R TG G G G

G G G

G

0 1

1 0

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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.

Por la temperatura de las superficies, la radiación solar está concentrada en bajas long. de onda (< 3μm) y la del absorbedor en long. de onda mayores (> 3μm).

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Características de los absorbedores (cont.)

Propiedades deseables

Absorber la radiación solar en bajas long. de onda (s: Sol)

Evitar la radiación del absorbedor en altas long. de onda (I: infrarroja) para minimizar las pérdidas

No transmitir la radiación recibida(deben ser opacos)

Las superficies selectivas se ven negras, no reflejan la luz visible.

1 1S S

1

1I

0 0I I

0

0S

Superficie selectiva

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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)

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Características de las cubiertas

Buscan reducir las pérdidas térmicas por convección al ambiente.

Propiedades deseables

Transparentes en bajas long. de onda (sol)

Opacos en altas long. de onda (infrarrojo) para bloquear la radiación emitida por el absorbedor

en particular se busca que sean reflectivas en el infrarrojo para redireccionar la emisión del absorbedor

Notar que en todo el espectro la absorción debería ser baja y por Kirchoff la emisividad también.

Por lo tanto se denominan vidrios con baja emisividad (low-e glass)

1 , 0S S S

0 1I I I

0, 1I I

, 0 0S I

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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

http://www.isfh.de/institut_solarforschung/transparente-low-e-schichten.php?_l=1

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Rendimiento del colector

Planteando un balance de potencia en estado estacionario sobre el absorbedor se determina que la potencia térmica utilizable es

El rendimiento se obtiene dividiendo la potencia utilizable por la potencia incidente (irradiancia por área)

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U I CUB ABS L ABS a ABS a cQ G U T T T T A

2

ABS aU ABS aCUB ABS L

c I I I

T TQ T TU

A G G G

Pérdidas ópticas Pérdidas térmicas

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Rendimiento del colector (cont.)

Despreciando el término no lineal, resulta

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U ABS aCUB ABS L

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Q T TU

G A G

ABS aT T



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Absorbedor simple: negro, no selectivo; sin cubierta

Colector plano 1: absorbedor no selectivo; 1 vidrio

Colector plano 2: absorbedor no selectivo; 2 vidrios

Colector plano 3: absorbedor selectivo; 1 vidrio

ABS aT T



Las expresiones de potencia utilizable y rendimiento mostradas antes no resultan muy prácticas por dos motivos

Están en función de la temperatura media del absorbedor (es difícil de medir y no indica en forma directa la temperatura del fluido).

El coeficiente de pérdidas UL depende de la temp., difícil de medir.

La mayor potencia utilizable se obtiene cuando las pérdidas térmicas son las menores, esto ocurre con la menor temperatura del absorbedor que es la de ingreso del fluido Tfi.

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U C aL

c I I

Q T TU

A G G

C aU L c I

I

T TQ U A G

G

C fiU U

T TQ Q

C ABST TAdaptación de nomenclatura (temp. media del absorbedor)



Factor de remoción de calor

Como es la máxima potencia que puede transferirse al fluido, este factor puede interpretarse como la eficiencia del absorbedor.

El factor de remoción de calor depende del caudal, pero permite expresar la potencia útil en función de la temperatura del fluido al ingreso al colector.

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C fi

fi a

U R U R L c IT T

i

T TQ F Q F U A G

G

C fU

T TQ

1

C fi

UR

UT T

QF

Q



En función de la temperatura del fluido de ingreso

Expresión muy útil para ensayar el colector y obtener su característica (Hottel, Bliss y Whiller)

Se mide la radiación sobre el colector (Gi) y la potencia transferida al fluido para diferentes caudales ( )

Es fácil medir el caudal y las temperaturas de ingreso y egreso del fluido, y la ambiente .

Calculando el rendimiento y ajustando los parámetros de la curva, se obtienen los coeficientes característicos

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fi a

R L

i

T TF U

G

U P fs fi P fs fiQ m c T T C c T T

R R LF F U

C



En función de la temperatura media del fluido en el colector

El factor F’ se denomina factor de eficiencia del colector.

Depende de las características constructivas y materiales del colector.

Se calcula a partir de las dimensiones, materiales, disposición, etc.

Para colectores con agua, los coeficientes y prácticamente no varían con el caudal. No ocurre lo mismo con y , que deben corregirse.

La temperatura media se puede computar con la media aritmética sin introducir un error considerable

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2

fs fi

f

T TT

f a

L

i

T TF U

G

F LF U

RF R LF U



Relación entre los coeficientes FR y F’

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1

c L

P

A U F

m cR P

c L

F m ce

F AU F

: caudal másicom



Factor de corrección de la eficienciaóptica por ángulo de incidencia

Para ángulos de incidencia mayores a 60° el coeficiente disminuye abruptamente.

La aproximación es buena para ángulos menores a 75°.

Rendimiento corregido

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cos

oo

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K b

fi a

R R L

I

T TK F F U

G

0.15ob

33° 44° 51° 56° 60°


Curvas de rendimiento de colectores comerciales

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Curvas de rendimiento de colectores comerciales (cont.)

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Temperatura de estancamiento

Si se interrumpe la circulación del fluido en el colector, la temperatura del fluido se eleva hasta igualar a la de la placa.

En este caso no hay transferencia de calor y el rendimiento es cero

Esta condición puede ser riesgosa para el colector, sobre todo si ocurre con niveles de radiación altos

Para colectores con pintura negra: 100-120°C.

Para colectores con absorbedores selectivos: 160-180°C.

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0U C aL c

I I

Q T TU A

G G

,maxI

C a

L

GT T

U


Nivel de radiación crítica

Es el valor de radiación para el cual la potencia absorbida iguala a las pérdidas térmicas.

Por debajo de este nivel de radiación el colector no transfiere energía al fluido (la absorbe). Resulta clave para evaluar la producción de calor en el tiempo.

La potencia utilizable se puede expresar en función de la radiación crítica

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U c R I L fi a c R I ICQ A F G U T T A F G G

R L fi afi a

R R L IC

IC R

F U T TT TF F U G

G F


Fluido

Ventajas y desventajas de líquido y aire

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Absorbedores para líquidos

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Absorbedores para aire

Requieren mayor superficie de contacto que las de fluido líquido (coeficiente de transferencia de calor pobre).

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Circuito hidráulico del absorbedor

Los más comunes son los que tienen un circuito de tubos en forma de parrilla o serpentín.

Debe mantenerse el equilibrio hidráulico para que no haya disminución del rendimiento.

La pérdida de carga también debe tenerse en cuenta.

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