Colectores PlanosLos colectores planos son equipos que aprovechan la energa solar que nos llega a la tierra en forma de radiacin para posteriormente transformarla en energa trmica para el calentamiento de algn sistema que puede tener diversas aplicaciones como son el calentamiento de agua en viviendas - hoteles, calentamiento de agua en albercas, calefaccin, refrigeracin, generacin de energa elctrica entre otras.El funcionamiento general se basa en que cualquier cuerpo al estar expuesto al sol presentara un calentamiento, el cual deberemos utilizar de la manera ptima, y es aqu donde comienzan las complicaciones pues si bien el concepto general es simple, la optimizacin no lo es del todo, ya que se requiere conocer comportamiento y caractersticas de: La radiacin solar. Superficie que recibe la radiacin.La radiacin solar son ondas electromagnticas emitidas por el sol (estrella) que se encuentra a 5762 K, estas ondas se distinguen por sus diferentes longitudes de onda (), la radiacin solar tiene como magnitud la Irradiancia que mide la energa por unidad de tiempo y rea que llega a la tierra su unidad es el Watt por metro cuadrado , la radiacin solar que toca una placa plana en el exterior de la atmosfera se mantiene constante un 95.19% con pequeas variaciones debido a la forma elptica de la rbita terrestre por lo que se considera una cantidad fija denominada constante solar (1367 ) . Dependiendo del comportamiento de cada longitud de onda dentro de la atmosfera (debido a que se reflejarse, absorbe o dispersa), pueden clasificarse en dos tipos: Radiacin difusa: es aquella que se dispersa o absorbe de inmediato al entrar en contacto con la atmosfera terrestre por partculas como el ozono, vapor de agua, dixido de carbono entre otros. Radiacin directa: es aquella que llega al cuerpo directamente La dispersin de la radiacin directa podemos cuantificarla con la frmula de Duffie y Beckman [1], que estar en funcin de la longitud de onda de la radiacin directa (), de la transmitancia que es la cantidad de energa que atraviesa un cuerpo , de la presin baromtrica , concentracin de partculas de polvo suspendidas a nivel del suelo , capa de agua precipitable y de la longitud recorrida por la radiacin en la atmosfera () [1]

a) Relaciones geomtricas entre un plano y la radiacin solarDebido al movimiento de rotacin y translacin de la tierra sobre su rbita elptica alrededor del sol como se muestra en la Fig. 1 es necesario conocer las relaciones geomtricas existentes entre el colector plano (puede modelarse como una superficie plana) y la radiacin solar directa.Orientacin y ngulo de inclinacin(Posicin Solar en Relacin con la Tierra)

Fig. 1 Relaciones Geomtricas entre Sol - Tierra

La declinacin solar () es el ngulo entre la lnea Sol-Tierra y el plano ecuatorial (proyeccin del ecuador terrestre) como se muestra en la Fig. 2. El valor de la declinacin solar vara a lo largo del ao, de 23,45 (21 de junio), a - 23,45 (21 de diciembre), pasando por cero en los equinoccios de primavera y de otoo, podemos aproximarlo con la siguiente ecuacin:

[2]

Declinacin Solar

Fig. 2 Ubicacin de los crculos rticos, antrticos y trpicos

Mientras que el ngulo horario () variara a lo largo del da y se puede calcular con la ecuacin siguiente:

Dnde: Es importante conocer que el tiempo solar () y el tiempo estndar () son tiempos totalmente diferentes, sin embargo estn relacionados por la Ecuacin del Tiempo (), ya que el tiempo solar se basa en el movimiento angular aparente del sol en el cielo con el medioda solar que es cuando el sol cruza el meridiano del observador mientras que el tiempo estndar (toma como referencia el meridiano 0 o de Greenwich) es una escala de tiempo basada en el da solar medio, que se define para ser lo ms uniforme posible a pesar de las variaciones en la rotacin de la Tierra.

Dnde: Existen otros dos ngulos que son sumamente importantes que se forman entre la superficie del colector y la horizontal (), y el angulo entre la normal a la superficie del colector y el meridiano local que se denomina acimut (), y el Angulo Cenit (z) como se muestra en la Fig. 3

Fig. 3 Trayectoria Solar aparente

Si bien conocer las relaciones geomtricas entre el Sol Tierra son tiles para conocer la radiacin solar directa hoy en da existen distintos dispositivos que nos permiten medir la radiacin solar como son: Foto resistor Celda solar Fotodiodos Termopilas

b) Transferencia de calor en un calentador solar de aguaExisten diferentes tipos de calentadores solares como ya se menciono tiene mltiples desempeos: calentadores de agua para albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado: ropa, autos, trastes), uso domstico, hoteles, industria. Gracias al clima clido que domina en nuestro pas durante todo el ao se logra disminuir hasta de un 100% el consumo energtico para calentar el agua, pues se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad.El calentador solar de agua ha tenido gran desarrollo en centros habitacionales hogares consta bsicamente de una fuente de agua potable que alimenta al colector solar ah es donde se incrementara la temperatura por medio del principio de conveccin natural el agua sube por el interior de colector hasta llegar al termotanque donde se almacenara y podr utilizarse en cualquier momento, dentro del termotanque el agua que no se utilice se enfriara y descender por diferencia de densidad temperatura, recirculando al colector donde nuevamente iniciara el ciclo.Dentro y fuera del colector solar se presentan las tres formas de transferencia de calor: conduccin, conveccin, radiacin; as como diferentes procesos como son la reflexin y absorcin.ProcesoComponentes

Radiacin SolarVidrio

ReflexinVidrio, placa

AbsorcinVidrio , placa

RadiacinVidrio, placa

ConveccinVidrio vientoPlaca vidrioPlaca tubos

ConduccinPlaca - agua

Realizando el balance de energa sobre el vidrio tendremos que la energa radiada parte se reflexionara, parte absorber en funcin de las propiedades del vidrio, como son: la reflejancia vidrio (), espesor del vidrio (), ngulo de incidencia, refraccin, densidad vidrio, coeficiente de transferencia de calor, obtendremos las siguientes ecuaciones:

Mas sin embargo lo que es de vital inters es conocer la temperatura dela placa para as conocer la temperatura del agua al calentarse, deberemos considerar la densidad de la placa (), calor especfico (), espesor placa (), conductividad placa ), obtendremos la siguiente ecuacin:

Considerando que se toma una condicin de frontera, as como un balance de energa sobre un elemento diferencial del tubo que recibe un flujo de calor uniforme obtendremos que:

Dnde: