energia solar tèrmica capitulo 3

7/24/2019 Energia solar trmica Capitulo 3

1/20

3 Captadors solars fototrmics 45

3 Captadors solars fototrmics

3.1 Tipus de captadors

Lobjectiu essencial de qualsevol sistema trmic solar s transformar lenergia que prov del Sol perpoder-la captar i transportar de la manera ms econmica i efica possible. Les aplicacions poden serdirectes, en forma de calor, o b indirectes, utilitzant aquesta calor per obtenir treball mecnic en un eix.

Quasi tots els sistemes trmics que utilitzen lenergia solar com a font primria es poden representar perun mateix diagrama bsic (figura 3.1), que consisteix en el que sentn per captador solar, lelementessencial, que ens permet absorbir lenergia radiant, ms un element dacumulaci, que ens permetsubministrar la citada energia quan ho exigeix la demanda.

Fig. 3.1 Equema bsic dun sistema trmic solar.

En aquest captol ens centrarem en lestudi dels captadors solars en lmbit domstic, perqu slaplicaci que ms endavant desenvoluparem. Una primera classificaci de captadors seria la donadaper la taula 3.1.

captador

bomba o

ventilador

acumulador

sistemad'energiaauxiliar

bomba oventilador

ACSo

calefacci

xarxa

oretorn

Els autors, 2001; Edicions UPC, 2001.


2/20

46 Energia solar trmica

Taula 3.1 Classificacidels captadors solars.

Temperatura del

procs

Temperatura baixa

(30 C 100 C)

Temperatura mitjana

(100 C 400 C)

Temperatura alta

(400 C - 3.000 C)

Captador Captador pla

(no concentrador)

Concentrador

lineal o esfric

Concentrador de disc parablic

Concentrador de camp dhelistats

Aplicaci Aigua calenta sanitria

Calefacci

Escalfament de piscines

Assecatge

Dessalinitzaci

Destillaci

Processos industrials

Refrigeraci(cicles dabsorci)

Processos qumics

Dessalinitzaci

Centrals solars:

fototrmiques

fotovoltaiques

fotoqumiques

Forns solars:

tractaments trmics

recerca de materials

De forma general, es pot fer una primera gran divisi entre captadors no concentradors iconcentradors.

Els primers sn, de lluny, els ms utilitzats en aplicacions domstiques i el captador pla s el msconegut. El disseny bsic dels captadors plans utilitzats per escalfar aigua i aire es mostra a les figures3.2 i 3.4 respectivament.

Fig. 3.2 Captador pla per a lquid de coberta nica i seccitransversal.

1 m

10 cm

Absorbidor

Allament

Contenidor

Coberta transparent Sortida de

fluid calent

Entrada de

fluid fred

2 m23 cm

510 cm

Allament

Coberta transparent

Conductes

Absorbidor



3/20


3.1.1 Captadors solars plans d'aigua

Els captadors plans d'aigua sn els ms utilitzats habitualment. Tot i aix, la descripcique aquse'n fai els conceptes dels quals es tracta sn aplicables a captadors que funcionin amb altres fluids portadorsde calor (com, per exemple, aire o olis trmics).

El cor daquests captadors s la superfcie absorbidoraencarregada de transferir lenergia del Sol alfluid portador de calor. Els materials que formen aquesta superfcie inclouen el coure i lalumini (elsms comuns), aixcom lacer, el vidre i el plstic. En sistemes per aigua, el fluid acostuma a circularper linterior de tubs units a supefcies aletejades que serveixen dabsorbidor (figura 3.3).

Fig. 3.3 Detalls dels tubs aletejats dels captadors per aigua: a) extrudit, b) soldat, c) uniforada, d) multicanal perabsorbidors de baixa conductivitat.

La superfcie absorbidora sacostuma a cobrir amb algun tipus de material que permeti una elevadaabsortivitat solar i sovint ens podem trobar amb el que anomenem superfcies selectives. Les superfciesselectives sn superfcies amb tractaments superficials de tipus negre de zenc, negre de crom i pinturesacrliques, que, a ms duna elevada absortivitat, tenen una baixa emissivitat a la banda infraroja.

Daltra banda, disposem duna coberta per sobre de la superfcie absorbidora que ens redueix lesprdues per convecci i radiaci trmica des del captador. Les cobertes poden ser de vidre, plstic ofibra de vidre, per han de ser transparents per permetre el pas de la radiaci. Per ltim, cal un bonallament a les parts posterior i laterals del captador per limitar les prdues per conduccia lexterior.

3.1.2. Captadors solars plans daire

Els sistemes solars per aire tenen una srie davantatges i de limitacions respecte als sistemes solars enquel fluid portador de calor s lquid.

En general, tenen una resposta rpida a la radiaci i es poden integrar en sistemes convencionals decalefacci, ventilacii aire condicionat mitjanant elements fcils de controlar (com ara els ventiladors).Lavantatge ms important s que no presenten cap mena de problema ni per congelaci ni percorrossi. En aquest sentit, l'estanquetat del sistema per evitar fuites es relativitza i, si n'hi ha, no sntan importants com en el cas de sistemes per lquid.

a) b) c) d)



4/20


Ara b, els sistemes solars que utlitzen aire pateixen problemes produts per velocitats a vegadesexcessivament elevades, i cal un estudi acurat per minimitzar els consums elctrics dels ventiladors(cosa que saconsegueix minimitzant les prdues de crrega en els conductes daire). Tamb calpreveure un sistema de proteccions contra la pols i la humitat.

Fig. 3.4 Captador pla per aire de coberta nica i seccitransversal.

En els captadors solars daire, laire acostuma a circular entre dues plaques metlliques que separenlaire de la coberta i lallament posterior. En el captador daire, la placa absorbent pot ser metllica odun altre material, per s habitual la utilitzaci de plaques en forma de U o V per augmentar lasuperfcie de contacte i, en conseqncia, laccidescalfament.

Fig. 3.5 Funcionament de sistema solar daire Solarwall (Estats Units) a l'hivern.

1 m

15 cm

Absorbidor

Allament

Contenidor

Coberta transparent

Sortida

d'aire calent

Entrada

d'aire fred

2 m

Conductes

d'aireAbsorbidor

Coberta transparent

Conductes

12 cm

23 cm

510 cm



5/20


Els captadors solars daire sn ms fcils dintegrar en la pell dels edificis. Poden formar partestructural de sostres, faanes, etc., i fins i tot poden tenir altres funcions no energtiques, com ara ferde barreres de so. A lanterior figura es mostra un exemple de sistema solar daire basat en unasuperfce metlica amb petits foradets perqupassi laire i que sinstalla en faanes sud dedificis.

3.1.3. Captadors de tub de buit

Altres tipus de captadors no concentradors sn els que utilitzen els tubs de buit (figura 3.6). Aquestscaptadors aprofiten el buit creat al seu interior per eliminar les prdues per convecci i augmentar aixla temperatura del fluid portador de calor amb menys necessitat de superfcie de captaci efectiva.Tamb permeten ms integraci en lmbit arquitectnic perqu possibiliten la seva installaci, perexemple, a les arestes de la construcci.

Fig. 3.6 Seccitransversal dalguns tubs de buit.

3.1.4. Captadors concentradors

Pel que fa a la segona famlia de captadors, els concentradors, i que nosaltres no estudiarem, els podemclassificar en concentradors lineals o bpuntuals, i basen justament el seu mecanisme a concentrarlenergia solar mitjanant la utilitzacide miralls i vidres reflectants en un punt especfic per on circulael fluid portador de calor. Per descomptat, aquests captadors poden fer arribar aquest fluid (que no

acostuma a ser ja aigua sin generalment oli trmic) fins a temperatures molt elevades per cobriraplicacions en lmbit industrial, ja sigui donant energia trmica per a determinats processos oproporcionant vapor per fer funcionar una turbina i obtenir, aix, electricitat. Una ullada ms a fons

Recobriment

selectiu

Superfcieselectiva

Anada

Retorn

Mirall

Tub de vidre

Buit

Buit

Tubs

absorbidors

Anada

Retorn

Vidre interior amb

recobriment selectiu



6/20


daquest tipus de captadors i la seva utilitzaci la donarem al captol corresponent a les centralstrmiques solars.

3.2 Mecanismes de transmisside calor

Lestudi de laprofitament de lenergia solar en lmbit trmic domstic passa per entendre el principi defuncionament del captador solar pla. El captador essencialment funciona pels efectes selectius de la

coberta i de la superfcie absorbidora, que permeten la transformaci de lenergia radiant del Sol enenergia calorfica apta per escalfar el nostre fluid de treball. Ara b, per entendre aquesta transformacii aquest efecte selectiu de quparlem, ens cal entendre abans els mecanismes fsics que ho regeixen.

Els mecanismes fsics que regeixen la transmissi de calor sn tres: la conducci, la convecci i laradiaci. Tots ells esdevenen simultniament a la natura i a vegades costa molt de separar-los. Per atots ells, per, sacompleix que:

R

TTU

A

Q ==

(3.1)

On Q s el flux denergia per unitat de temps (Joules/s = W), A s la superfcie de transmissi, Us

un factor de proporcionalitat que anomenem conductncia trmicai R , el seu invers, s la resistnciatrmica. s un valor que depn del tipus de mecanisme de transmissi.

La conducci s deguda a la interacci mecnica entre les molcules venes en tots els estats de lamatria pers un tipus dinteraccique es presenta especialment en els slids. Els metalls, per sobrede tots, es veuen afavorits pel nvol delectrons lliures que permet el pas fluid de lona trmica.Lequaci3.1, per al cas de la conducci, rep el nom de llei de Fourier, i per a una direccidonadapren la forma

x

T

dx

dT

A

Qx

=

(3.2)

On el coeficient sanomena conductivitat trmica i s una caracterstica fsica del medi en si. Si elmedi s un slid, es considera aproximadament constant. Per a lquids i gasos, s funcide T i noes pot predir perqusha de mesurar experimentalment. Les seves unitats sn

[ ]Km

W

mK

mW

dxdT

AQx

===

2

s a dir, = 1 implica el slid que, sotms a una diferncia de temperatures d1 K entre les seves cares,per cada metre de gruix deixa passar un flux trmic d1W.

Lequaci3.2 ve a dir que el flux de calor en una direccideterminada s proporcional al gradient detemperatures en aquella direcci(amb el signe canviat, ja que pel principi 0 de la termodinmica, el fluxva de positiu a negatiu en direccioposada a lincrement del gradient de temperatures). Lequaci3.2generalitzada per una direcciqualsevol queda com



7/20


Tkdz

dTj

dy

dTi

dx

dT

A

Q=

++=

(3.3)

La conveccis el tipus de transmisside calor caracterstic de les interfcies(superfcies comunes aslid i fluid) ja siguin slid-lquid o slid-gas. La interaccimecnica entre el cos i el fluid juntamentamb la deformabilitat i densitat variable (en funcide la temperatura) daquest ltim provoca que tot elfluid es posi en moviment i es deformi a causa de la temperatura i la transmisside calor. La conveccies podria entendre com una conducci acompanyada dun moviment. Si aquest moviment del fluid snatural, simplement afectat per la gravetat, parlem de convecci natural. Si, pel contrari, afegim unmoviment artificial (agitaci, ventilaci, etc) parlem de convecciforada. Lequaci3.1 per al cas dela conveccirep el nom de llei de Newton de la conveccii sexpressa com

( )fluidparet

TThThA

Q==

(3.4)

On h s el coeficient superficial de transferncia de calor per conveccii, a diferncia de , no s unapropietat del fluid ni del slid: es calcula a partir de nmeros adimensionals com el nde Nusselt (Nu),Reynolds (Re), Prandlt (Pr), i on es tenen en compte les propietats fsiques del fluid aix com la sevavelocitat i la geometria dels slids en contacte amb ell.

Per ltim, la radiaci no s res ms que lemissi denergia electromagntica deguda a la prpiatemperatura del cos (T> 0 K). Aix, com la conducci i la convecci sn interaccions mecniques, la

radiacis una interaccielectromagntica esdevinguda en medis transparents o semitransparents quepermet lintercanvi energtic en forma dones (o tambquantumsdenergia) entre els cossos a diferentstemperatures. Sovint es pot considerar un fenomen restringit a la superfcie de la matria i no al seuvolum sencer i no necessita cap tipus de suport mssic per transmetres. s el fenomen predominant aaltes i baixes temperatures i ve regit per la llei de la radiaci, la llei de Steffan-Boltzmann, de la forma:

( )2cos41cos44 TTTA

Q==

(3.5)

On s la constant de Steffan-Boltzmann i que val 5,6710-8W / (m2K4).

Recordem com al captol anterior (figura 2.1) viem quin era lespectre de la radiaci solar (de formasemblant als espectres demisside tots els cossos) quan considervem el Sol com un cos negre emetentaproximadament a 6.000 K. El concepte de cos negres una idealitzacique ens permet quantificar elfenomen de la radiacicom ho fa lequaci3.5. Un cos negre s un cos ideal capadabsorbir totes lesones incidents, en totes direccions i en totes les longituds dona: s un absorbidor perfecte. A la vegada,per la primera llei de la termodinmica, cal que sigui un emissor perfecte, que emeti la mxima quantitatde radiacipossible (perqusi no, saniria escalfant progressivament).

Ara b, els cossos reals (tamb anomenats opacs) no sn pas negres, s a dir, absorbeixen i emetenradiaci a diferents nivells sempre per sota del nivell dabsorci i emissi del cos negre a aquellamateixa temperatura. La relacientre la radiaciemesa pels cossos reals, els de la natura, i la del cos

negre ens defineixen les propietats radiants dels primers.



8/20


9/20


3.3 Principi de funcionament dun captador solar pla

Un captador solarplas un tipus particular de bescanviador de calor que transfereix lenergia radiantdel Sol a un fluid, augmentant-ne la temperatura i provocant una variacidel seu estat energtic. Comdiem, el captador funciona segons els efectes selectius de la coberta i de la superfcie absorbidoraafavorits pel fet que els espectres de la radiacisolar i la radiacitrmica sn disjunts. Expliquem-ho.

La distribuciespectral de lenergia per un cos real segueix aproximadament la distribuciespectral delseu homleg ideal, el cos negre. Ara b, per a cada temperatura existeix un espectre especfic quedesplaa el seu pic energtic cap a longituds dona cada vegada ms petites a mesura que augmenta latemperatura. Si ens fixem en la figura 3.7, veiem com un cos a 400 K emetrenergia amb el pic a 8 m(radiacitrmica), mentre que un cos a 6.000 K (radiacisolar) tindraquest pic als 0,5 m (rang delvisible).

Fig. 3.7 Distribuciespectral normalitzada de la radiacidel cos negre a temperatures diferents.

A nivell percentual tindrem el segent:

Tipus de radiaci Temperatura demissi(K) Rang (m) % denergia en el rang considerat

Radiacisolar 6.000 0,25 - 4,14 98%

Radiacitrmica 300 5 - 80 98%

Aquest fet de tan poca consideraciaparent s fonamental per entendre el funcionament dels captadors.Fixem-nos ara en la figura 3.8, la qual ens mostra el valor de la transmitncia en funcide la longituddona per un vidre de 6 mm de gruix amb diferents continguts dxids. El cas amb 0,5% de Fe2O3seriael dun vidre normal de finestra. La seva transmitncia tun pic a 0,3 m mentre que ms enllbaixa enpicat (i ttot seguit un comportament poc regular).

T=

6.000K

T = 1.000 KT = 400 K

Longitud d'ona (m)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Pe

rcentatgederadiacie

mesa

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22



10/20


s a dir, per longituds dona petites, el vidre s transparent a la radiacii deixa passar les ones mentreque per longituds ms enllde 0,5 - 0,6 m ns totalment opac. El cas amb 0,02% de Fe2O3seria eldun vidre utilitzat en energia solar amb menys contingut en xids per fer-lo ms transparent i allargar

aquest comportament dalta transmitncia fins a 3 m ( = 0,9 - 1), mentre que ms enll baixa enpicat. s a dir, per longituds dona entre 0 i 3 m, aquest tipus de vidre s transparent a la radiaci ideixa passar les ones mentre que per longituds ms enll de 3 m s totalment opac a elles, no lestransmet i les ha de reflectir.

1

Situem-nos ara en un captador: la cobertade vidre (o en general qualsevol superfcie transparent queactucom a coberta) deixa passar la radiaci solar (ja que el 98% de la seva energia cau entre 0,25 i4,14 m) perquescalfi la superfcie captadora del seu interior. Aquesta superfcie captadora arriba aaltes temperatures per que resten sempre per sota dels 100 - 150 C. La radiaci emesa a aquestatemperatura s de naturalesa trmica i el vidre, en aquest cas, no pot deixar sortir aquesta radiaciperqu la seva transmissivitat per a aquestes longituds dona s quasi nulla. Lambient entre coberta isuperfcie augmenta de temperatura i afavoreix la captacienergtica i leficincia.

Fig. 3.8 Transmitncia dun vidre de 6 mm de gruix amb diferents continguts dxid.

En lmbit terrestre, el comportament del vidre s imitat per les mollcules de CO2de latmosfera en elque es coneix per efecte hivernacle. Aquest component atmosfric tles bandes dabsorcidesplaadesmajoritriament al voltant de la banda trmica, fet que implica transparnciaper a lenergia del Sol iopacitatper a lenergia trmica evacuada des de la Terra. Resultat: un augment de temperatura globaldel planeta.

1Noteu com el nostre rang de visiva de 0,4 a 0,7 m; per aquest motiu per als humans, el vidre s transparentperqucaiem en el seu rang dalta transmissivitat.

Longitud d'ona (m)

0,2 1,0 2,0 3,0

Tr

ansmitncia,

1,0

0,5

0

0,50% Fe2O3

0,10% Fe2O3

0,02% Fe2O3



11/20


Fig. 3.9 Absortivitats dalgunes superfcies selectives.

Un ltim element per tractar s la superfcie captadorao placa absorbidora, que acaba de completar elsefectes selectius del captador. En aquest cas, lefecte que busquem s dalguna manera invers: volemuna alta absortivitat en lespectre solar i molt baixa emissivitat en el rang dona llarga (rang del trmic).Aix saconsegueix mitjanant recobriments selectiuscom ara negre de plat, negre de crom i algunscompostos atacats amb cids, que tenen un comportament com el mostrat a la figura 3.9.

3.4 Equacifonamental dun captador solar pla

En rgim no transitori, permanent, el funcionament dun captador solar ve descrit mitjanant un balan

energtic, que ens indica la part de lenergia incident que es transforma en energia til, en prduestrmiques i en prdues ptiques. La figura 3.10 ens mostra els fluxos energtics en un captador pla: dels1.000 W/m

2que ens poden arribar com a radiaciincident, noms naprofitem un 60%.

La radiacisolar incident cal, doncs, que sigui absorbida i a la vegada retinguda. s a dir, duna bandacal observar quines seran les prdues ptiques i, de laltra, quines seran les prdues trmiques.

Lesprdues ptiquestenen en compte la radiacisolar que ja no s transmesa pel vidre (a causa de lareflexii labsorciper part del mateix vidre), i la que no s absorbida per la superfcie captadora (acausa de la seva reflexi). s a dir

( )= 1op cs AIP (3.6)

Absortivitatespectralnormal,

Longitud d'ona (m)

0,1 0,2 0,4 1,0 2,0 4,0 10 20

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

xid de silici

sobre alumini

xid de silici -germani - coure

Superfcies selectivesideals



12/20


Ons

I s la radiaci solar incident instantnea sobre la superfcie de captacic

A del vidre, s latransmissivitat del vidre i s labsortivitat de la superfcie captadora.

Fig. 3.10 Fluxs energtics en un captador pla.

Lesprdues trmiquesavaluen la quantitat denergia que cedim al medi ambient deguda a prdues perconveccii radiaci:

a) Les prdues degudes a la convecci vindrien donades per la llei de Newton (equaci 3.4)modificada sensiblement:

( )amp TTAUP =conv (3.7)

On U s el coeficient global dintercanvi per convecci, Aplrea de placa (que coincideix ambAcen el cas dun captador pla perno en el cas dun concentrador), Tala temperatura ambient iTmla temperatura mitjana de placa.

b) Les prdues degudes a la radiacivindrien donades per la llei de Steffan-Boltzmann (equaci3.5):

coberta

transparent

(vidre)

superfciecaptadora

recobriment

(pintura negra)

aire

radiaciincident

1.000

130 240

40 35 55

210

60

30

155

50

420

600

840790

790

860

960 210

30



13/20


( )44rad amp TTAP = (Eq.3.8)

on seria lemissivitat de la placa captadora.

La combinaci de les equacions 3.7 i 3.8 ens porta, desprs dun cert tractament matemtic, a unaequaci final en funci de la diferncia de temperatures i un coeficient global de prdues UL queengloba tant les prdues per conveccicom per radiaci:

( )ampL TTAUPPP =+= radconvterm (3.9)

Aixdoncs, la calor utilitzable pel captador serlenergia incident menys les prdues:

( ) ( )

( ) ( )

=

==

==

amL

sc

ampLcs

TTC

UIA

TTAUAI

PPQQ

termopincidentutil

(3.10)

On tot s conegut excepte C, la rade concentraci, relacientre lrea de captacii lrea de placa(= Ac/ Ap), que pel cas de captadors plans val sempre 1 perno aixpel cas dels concentradors.

Lequaci3.10 tel petit inconvenient de venir donada en funcide la temperatura mitjana de placa Tm,variable normalment desconeguda i difcil de trobar. s per aix que normalment sintenta donar enfunciduna variable ms manejable i fcil de mesurar com s la temperatura dentrada del fluid Te. Lamodelitzacien funcidaquesta ltima variable transforma lequacianterior en:

( ) ( )

= aeL

sRcutil TTC

U

IFAQ (3.11)

On FRs el factor de calor remoguda (de langls removed), que ens avalua leficcia de lintercanvienergtic entre la placa i el fluid. El seu efecte s el de reduir lobtenci denergia til calculada,respecte de la que resultaria si tot el captador estigus a la temperatura dentrada del fluid. Aquestareducci s deguda al fet que la temperatura del fluid es va incrementant a mesura que circula pelcaptador i, com a conseqncia, tambho fan les prdues.

Els productes FR() i FRUL, que sn dades que utilitzarem als temes que segueixen, sobtenenfcilment a partir de la recta de rendiment de captador o b a partir de la modelitzaci de lestransferncies energtiques existents en el captador. De la seva obtencien parlem a lapartat segent.



14/20


3.5 Recta de rendiment dun captador solar pla

Els captadors es proven generalment seguint el procediment recomanat pel National Bureau ofStandards americi/o els procediments de lASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating andAir Conditioning Engineers) sota lStandard 93 77. El procediment consisteix a fer funcionar elcaptador en un banc de proves (figura 3.11, per al cas dun captador daigua) sota condicionsestacionries, s a dir, mantenint prcticament constants la radiaci solar, la velocitat del vent, latemperatura ambient i dentrada del fluid al captador, durant un perode de temps en qula temperaturade sortida del fluid i la calor til extreta no varin apreciablement.

Fig. 3.11 Banc dassaig per a lobtencide la recta de rendiment dun captador per aigua.

Leficcia o rendiment instantani del captador pla (C = 1) en aquests tipus d assaigs s la ra entrelenergia til expressada per lequaci3.11 i la disponible, p.ex. el producte cs AI

( ) ( )

s

ae

LRR

cs I

TTUFF

AI

Q =

= util (3.12)

Per al banc dassaig, aquest rendiment es trobar a partir del salt entlpic del fluid al seu pas pel

captador mitjanant lequaci3.13



15/20


( )

cs

sep

cs

AI

TTcm

AI

Q

=

= fluidutil

(3.13)

Onfluid

m s el cabal mssic de fluid (aigua o aire) circulant pel captador, cpns la capacitat calorfica i

( )se

TT s el salt trmic del fluid entre lentrada i la sortida del captador.

Tornant a lequaci3.12 i suposant constant UL , leficcia del captador es pot representar per una rectade variable independent ( )

aeTT / Is, pendent LRUF i ordenada en lorigen ( )RF . Aquests valors de

LRUF i ( )

RF sn els que ens permetran calcular, al captol 5, el rendiment mitjduna installaci

solar durant un perode de temps determinat.

La figura 3.12 mostra la corba deficincia instantnia per un captador pla tpic, amb el puntdestancament o punt de rendiment nul, quan no hi ha circulaci de fluid i sarriba a la mximatemperatura (temperatura destancament).

Fig. 3.12 Corba deficincia instantnea per un captador pla tpic.

La figura 3.13 ens mostra el comportament de diferents tipus de captadors. La recta de rendiment D

correspondria a un captador duna sola coberta i superfcie no selectiva (coincident amb la de la figura3.12). El captador sense coberta F (per a piscines) s til noms per als casos en ques volen assolirtemperatures de fins a 28 C. El comportament relativament pobre del captador daire E es deuprincipalment al baix valor de F

R. Una segona coberta i/o una superfcie captadora selectiva (C i B)

milloren clarament el rendiment. Ms enlldels 100 C de temperatura, els captadors de tubs de buit (A)tenen el millor comportament.

Eficinciadelcaptado

r,

( Te- TS) / IS [( m2K ) / W]

FR( )

( FRUL) / C

Punt d'estancament

( ) C / UL

( C )

}IS= 900 W / m2

Ta= 20 C

Temperatura

d'estancament1



16/20


Fig. 3.13 Corbes deficincia instantnia per diferents tipus de captador pla.

Exemple 3.1

Escriviu lexpressi de leficincia instantnia pel captador de la figura 3.12 i determineu laquantitat denergia que en podem extreure si Is= 850 W/m

2, Ta= 25 C i Te = 75 C.

De la figura 3.12 tenim que ( ) 830,FR

= . De la intersecci amb leix OX i considerant la ra deconcentraciC = 1, perquen un captador pla lrea de captaciAci la de placa Apvalen el mateix,tindrem:

( ) ( )W

mC

UU

C

LL

2098,0 ==

Aixdoncs,

( )( ) 2

47,8098,0

83,0

mC

WUF

U

FLR

L

R

===

i de lequaci3.12 tindrem finalment

Eficinciadelcaptador,

( Te- TS) / IS [( m2K ) / W]

( C )

}IS= 900 W / m2

Ta= 20 C



17/20


( ) ( ) ( )

s

ae

s

ae

LRRI

TT

I

TTUFF

=

= 47,883,0

Substituint els valors de lenunciat tindrem

320,= i 2util 28285032,0 mWIQ s ===

A vegades, la recta de rendiment del captador es representa en funci de la diferncia entre latemperatura mitjana de placa Tm, o la temperatura de sortida del fluid Ts, i la temperatura ambient. Sn

representacions molt similars a la de leficcia del captador en funcide la temperatura dentrada delfluid Te, perdonen una interpretacidiferent al pendent i a lordenada en lorigen. Si coneixem el cabalde fluid circulant pel captador, podem determinar els valors de

LRUF i ( )

RF corregits per un factor

Kdefinit com:

( )

=

=

)143(=quanpendent

)143(=quan

2

pendent

fluid

fluid

fluid

fluid

.b.I

TTfcG

cG

.a.I

TTf

cG

cG

K

s

as

p

p

s

am

p

p

Onfluid

G s el cabal mssic de fluid que circula pel captador per unitat de superfcie captadora

(kg/sm2). Aix, els valors corregits deLR

UF i ( )R

F s'obtindran aplicant el factor Kcom:

( ) ( )originalLRcorregitLR

UFKUF =

( )[ ] ( )[ ]originalRcorregitR

FKF =



18/20


Fig. 3.14 Recta de rendiment d'un captador comercial (companyia Roca).

Exemple 3.2

La figura 3.14 mostra la recta de rendiment del captador solar fabricat per la casa Roca. Com

podem veure, la variable independent esten funcide la temperatura mitjana de placa i no pas enfunci de la dentrada del fluid. Suposant que el cabal de fluid circulant (aigua + anticongelant)sigui de 0,015 kg/sm2(cp= 3.350 J / kgK), trobeu els valors de FRULi FR() corregits pel canvi devariable.

En aquest cas, amb Uo= 10 W/m2C tenim una equacide rendiment com la segent:

( ) ( )

( ) ( )

s

am

s

am

s

amLRR

I

TT

I

TT

U

TI

TTUFF

=

=

==

=

15,5824,0515,0824,0

*515,0824,0

0

Per obtenir lequaci en funci de( )

s

ae

I

TT utilitzem lequaci 3.14.a per obtenir el factor de

correcciK:

951,0

2

15,5350.3015,0

350.3015,0

2

pendentfluid

fluid =

=

=

p

p

cG

cGK

U0= 10 W / (m2C)



19/20


i obtenir els valors corregits de FRULi FR()

( ) 4,9=5,15--0,951=pendent)( = KUF LR [W/m2K]

( ) 0,784=0,8240,951=origen)l'enordenada( = KFR

De lequaci3.12 tindrem finalment la recta de rendiment que necessitem:

( ) ( ) ( )

s

ae

s

aeLRRI

TT

I

TTUFF

=

= 9,4784,0



20/20

energia solar tèrmica capitulo 3

Documents