COLECTORES SOLAR

Trabajo autnomo # 2 Nombre: Tapia Leon Antonio NarcisoTema: Energas renovables Grupo: 1

IntroduccinUn colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energa radiante en calor. La transferencia de energa se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire generalmente) que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energa radiante que finalmente intercepta el colector, proviene bsicamente del rango visible del espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 m) y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones ptimas podemos esperar como mximo, flujos de 1100 W/m2. De esta forma, un anlisis de colectores solares presenta problemas relacionados con radiacin y flujosde energa pequeos y variables.ObjetivosUn colector solar es un sistema que promueve el uso del sol para el calentamiento del agua pasivamente, ya que con los sistemas convencionales se obtiene un desperdicio muy elevado de energa, mientras que con un colector solar se puede tener agua caliente a una temperatura nivelada sin desperdicio de energa. Por este motivo es un sistema ptimo para el calentamiento de agua caliente en una vivienda o edificio con costos reducidos y de fcil mantenimiento con una forma de instalacin rpida y segura.Fuera del uso para calentamiento de agua este sistema se lo puede usar para la produccin de energa elctrica a travs de la creacin de vapor.

Marco tericoUn colector solar es un intercambiador de calor que transforma radiacin solar en energa calorfica. La irradiacin solar G, es aproximadamente de 1100 W/m^2 y vara ampliamente. Un colector puede utilizar lquido o gas para transferir el calor. Los lquidos ms frecuentes son el agua, una disolucin anticongelante o un aceite trmico. El gas que se suele utilizar como fluido trmico es el aire.

Los colectores solares se clasifican por su rango de temperatura siendo estos de baja (mximo 50 C) , media ( mximo 90 C) y alta temperatura ( mximo 150 C).Tipos por temperaturaAunque tambin existen otros tipos de clasificacin segn su temperatura1. Temperaturas: hasta 120 C.+Aplicacin: Calentamiento de agua sanitaria (principal). Generacin de calor de proceso. Refrigeracin2. Temperaturas: hasta 400 C. Disco: hasta 700 C Aplicacin: Generacin de calor de proceso. Refrigeracin.Generacin de energa elctrica.3. Temperaturas: hasta 1000 C. Aplicacin: Generacin de energa elctrica.

4. Temperaturas: hasta 3000 C.

Aplicacin: Testeo de materiales para condiciones extremas. Produccin de hidrogeno (a partir de metano).Captadores solares planos.Captador solar plano, tambin llamado colector solar plano o panel solar trmico, consistente en una caja plana metlica que aloja los dispositivos necesarios para la circulacin de un fluido, que se calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez:Captador plano protegido: con un vidrio que limita las prdidas de calor y aumenta la captacin por efecto invernadero.Captador plano no protegido: sistema ms econmico y de bajo rendimiento, utilizado esencialmente para climatizacin de piscinas.Captador de tubos de vaco.Los tubos de vaco suponen un concepto distinto: se reduce la superficie captadora a cambio de unas prdidas calorficas menores. La lmina captadora se coloca dentro de tubos al vaco, por tanto con unas prdidas calorficas despreciables. Estos tubos presentan el mismo aspecto que un tubo fluorescente tradicional, pero de color oscuro. Los paneles se forman con varios de estos tubos montados en una estructura de peine. Las ventajas de este sistema son su mayor aislamiento (lo que lo hace especialmente indicado para climas muy fros o de montaa), y su mayor flexibilidad de colocacin, ya que usualmente permite una variacin de unos 20 sobre su inclinacin ideal sin prdida de rendimiento. Son 196% ms eficientes que las placas tradicionales planas, ya que por su forma cilndrica est recibiendo el sol perpendicularmente desde que amanece hasta que anochece, adems las capas interiores del tubo hacen concentrar la radiacin infrarroja incluso en das nublados, y al ser 100% cristal boro silicato, los costes de produccin son mucho menores que los colectores planos que utilizan cobre para su construccin.Panel de tubos de vaco, donde la superficie captadora est aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cmara al vaco. 196% ms eficientes que los captadores planos por su forma cilndrica que hace recibir siempre los rayos perpendicularmente. Existen tres sistemas:Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.Flujo indirecto o Heat pipe: el calor evapora un fluido en el tubo, y ste transmite su energa al condensarse en el extremo.Flujo indirecto sin Heat pipe La diferencia con el anterior es que es construido al 100% con cristal de borosilicato, evitando la utilizacin de cobre, por lo que abarata an ms sus costes, adems eleva el rendimiento un 30% con respecto a los tubos de vaco con Heat-Pipe.Colectores planos protegidosSon los ms utilizados por tener la relacin coste-produccin de calor ms favorable. En ellos, el captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de espesor (si bin existen modelos ms grandes). La cara expuesta al sol est cubierta por un vidrio muy fino, mientras que las cinco caras restantes son opacas y estn aisladas trmicamente.Dentro de la caja, expuesta al sol, hay una placa metlica. Esta placa est unida o soldada a una serie de conductos por los que fluye un caloportador (generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos). A dicha placa se le aplica un tratamiento superficial selectivo para que aumente su absorcin de calor, o simplemente se la pinta de negro.Colectores planos no protegidosSon una variante econmica de los anteriores donde se elimina el vidrio protector, dejando la placa expuesta directamente al ambiente exterior. Carecen tambin de aislamiento perimetral.Dada la inmediatez y simplicidad de este tipo de paneles, existen multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales: conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie ms grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero pueden compensarlo por su bajo coste.Captadores de alta temperaturaConcentradores solares de espejo parablico.Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parablicos. Pueden ser:Sistemas lineales (disposicin cilndrica): el fluido se calienta al recorrer una tubera situada en el foco de la parbolaSistemas puntuales (disposicin esfrica): con forma de paraboloide de revolucin, utilizado para concentrar ms los rayos y obtener as temperaturas ms altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas.Espejos planos o lentes Fresnel lineales,2 con idntica funcin que los concentradores solares lineales.Captacin de muy alta temperaturaLlamada a veces horno solar, son sistemas para obtener muy altas temperaturas. Antiguamente se hizo con concentradores parablicos fijos (horno solar de Odeillo) y actualmente se hace con campos de espejos planos orientables que dirigen su reflejo y lo concentran en un nico punto situado en una torre, en la que se genera vapor de agua que suele servir para producir electricidad.

Tipos de colectores de baja temperatura (para vivienda)

Colector PlanoLos colectores de placa plana (CPP), se disean para aplicaciones que requieren suministro de energa de temperatura moderada. Utilizando tanto la energa directa como difusa, generalmente no implementan seguimiento solar y requieren un mantenimiento muy bajo. Su principal aplicacin es para la obtencin de agua caliente sanitaria ACS, debido que el consumo de agua caliente debe ser permanente, requiriendo temperaturas bajas (60 C).FuncionamientoUn colector plano seguir el mismo principio del efecto invernadero, que consiste en captar la radiacin directa como difusa en su interior, transformndola en energa trmica e impidiendo su salida al exterior. La radiacin con longitud de onda corta (0.2 3 m) atraviesa las cubiertas transparentes e incide sobre una plancha termo aislante denominada placa absorbe. El objetivo es transferir la energa absorbida a un fluido calo portador que se encuentra circulando (flujo forzado). La plancha negra, al calentarse, emite radiacin de onda larga que no puede salir al exterior debido a que la cubierta transparente es opaca.

Los elementos accesorios estn destinados a aumentar el rendimiento reduciendo las perdidas calorficas. Es decir, la placa absorbente se encuentra colocada en una base aislada que limita las perdidas por conduccin. Para reducir las prdidas por conveccin y radiacin se utiliza una cubierta transparente que puede ser sencilla o a veces doble o incluso mltiple.Componentes colector

CajaSu principal funcin es de proteger y soportar todos los elementos que se encuentra formado el captador. Cubierta transparenteLos materiales normalmente utilizados son el vidrio y el plstico.Al utilizaruna cubierta de vidrio transparente,reduciramos las perdidas por conveccin sobre el absorbente, procurando el efecto invernadero. Se debe teneren consideracin que el material sea bajo en sales de hierro para tener mejor coeficiente de trasmisin de la radiacin. Uno de los problemas del uso de estematerial es su fragilidad en romperse por los cambios bruscos de temperatura o por algn agente externo.Muchos colectores fabricados industrialmente vienen con una cubiertade plsticos, entre ellos estn los policarbonatos. Muchos plsticos sufren por el paso de tiempo deterioros, lo que provoca un descenso del rendimiento del colector. Considerando sus propiedades mecnicas, tiene mala conductividad trmica, alto coeficiente de dilatacin, liviano , entre otras. Placa AbsorbedoraEn muchos casos se trata de unaplancha metlica de color negro que recibe la radiacin solar, la transforma en calor y la transmite al fluido calo portador. Para captadores solares que no realizan efecto invernadero se utilizan absorbedores de plsticos. Tubo o canalizacin del fluidoEl sistema de canalizacin del fluido puede estar formado por una parrilla de tubos y dos colectores que constituyen los conductos de distribucin o en su casosolamente compuesto por un tubo en forma de serpentn. Aislante trmicoEntre el conjunto formado por el absorbedor, el conducto del fluido y la carcasa del colector, se dispondr unaplancha termo-aislanteque minimice las perdidas trmicas en su parte posterior. Los aislantes ms comunes son los de fibra de vidrio.Sistema para captadores

Diagrama Sistema colector solar

Balance energticodelcolector solarEl rendimiento de un colector solar, viene descrito por un balance de flujos de calor que refleja la distribucin de energa incidente en ganancia energticay prdida.La gananciaenergtica o calor til es el balance de flujo de calor que refleja la distribucin de energa solar incidente, relacionada con el rea del colector (Ac), un factor de ganancia ( FR), radiacin solar adsorbida por unidad de rea de la placa absorbedora (S). Por otro lado, encontramos las prdidas trmicas hacia el exterior, producto de la conduccin , conveccin y radiacin, que son parametrizadas mediante el coeficiente efectivo de transferencia trmica o coeficiente de prdida global UL. Adems de la diferencia de temperaturas de entradas del fluido y temperatura ambiente, la cual est definida como;

Si no colocramos el factor FR, en la ecuacin anterior, esta se encontrara en trmino de la temperatura media de la placa Tp,m y la temperatura ambiental Ta .

Llegando a ser una ecuacin casi ineficaz debido a que, la temperatura media de la placa es una magnitud difcil de medir, ya que las partes del colector se encuentran a distintas temperaturas. Para ello se mide la temperatura a la entrada y a la salida calculandoun valor promedio. Al hacer esto, es necesario aadir este coeficiente FR que corrige esta diferencia de temperatura.

La ganancia tambin puede serexpresada con respecto al flujo interno del fluido que consiste en medir elincremento de temperatura del fluido caloportador. Tfe, representa la temperatura de entraday Tfs , es la temperatura de salida del fluido. m , representa el flujo msico del fluido (kg/s) , cp es el calor especifico en ( kcal /kg K o kJ/ kg K).

FR, es el anlogo de la eficiencia de un intercambiador de calor convencional, definido como el cociente entre la transferencia real y la mxima transferencia posible.

La radiacin solar adsorbida S, se encuentra dada por el factor de transmitancia absortancia efectivo (t x alfa) y la intensidad de la radiacin denominada la irradiancia solar total GT .Para el anlisis terico del colector el Coeficiente de perdidas calorficas o coeficiente global UL , se determina a travs de las perdidas superior a travs de la cubierta Ut, perdidas por la base o soporte Ub y el coeficiente de prdidas por los bordes Ue.

Aplicando las ecuaciones de transferenciade calor, podemos determinar las perdidas por resistencia trmicas del sistema completo, es decir, habr perdidas de radiacin, conveccin y conduccin desde el cielo hasta la superficie de la placa.

Resistencia trmica de conduccin: ht = k /L, donde k es el valor de la conductividad, L es el espesor .Resistencia trmica conveccinhc = k Nu /L, se encuentra en trmino del nmero de Nusselt (Nu) y este a su vez dependern del nmero de Reynolds ( Re) y Prandtl (Pr), para esto es necesario conocer si la conveccin se trata de un flujo forzado o de un flujo laminar.Para un Colector plano, la ausencia de viento, es razonable un coeficiente de conveccin libre exterior no menor al 5 W/m^2C . Cuando hay viento el coeficiente de transferencia aumenta linealmente para valores pequeos.

Hc viento. = a + bV , Siendo ,V la velocidad de viento (m/s) , donde a y b son coeficientes que dependen del caso . Para una placa plana con rea de 0.5 m2 , a = 2.8 y b=3. , para areas mayores las variables son aproximadamente a= 5.7 y b = 3.8.

Para un colector tubular, el flujo de aire perpendicular a un tubo exterior el nmero de Nusselt (Nu) se encuentra dado por:

Nu = 0.4 +0.54 Re0.52 para 0.1< Re< 1000 Si se trata de un flujo laminar Nu = 0.3 Re0.6 para 1000 < Re< 50000 Si se trata de un flujo turbulentoResistencia trmica por radiacin: ,Donde, el sigma es la constante de Stefan Boltzman.

Si la radiacin se da a travs de dos placas paralelas se aplica que :

Siendo, e la emitancia del vidrio.

La temperatura del cielo se determina aplicando la siguiente expresin, T cielo = 0,0552 Ta ^(1.5)

Una vez definido Ut , podemos determinar las prdidas de flujo de calor, siendo ;

Las perdidas por radiacin se generan en la cubierta transparente (vidrio e opaco a los infrarrojos) y en la placa de absorcin ( plancha negra).Las prdidas por conduccin, se dan por las paredes y superficie del colectorLas prdidas por conveccin , son las prdidas producidas en la cubierta transparente y paredes.

Una manera emprica que determina el factor de prdida Ut, se obtiene utilizando la expresin emprica desarrollada por Klein que intervienen factores como: N ; nmero de cubiertas B; inclinacin del panel Ep, Ec; emitancias ( 0.88 para el cristal , 063 para plstico , 0.95 placa negra). Ta ; temperatura ambiente T p,m; temperatura media de la placa hcv ; coeficiente de clor convectivo del exterior e ; 0.430 (1 - 100 / Tp,m ) f ; ( 1+0.089 hc, ext 0.1166 hc, ext * ep ) ( 1+ 0.07866 N )

Con ayuda de la ecuacin de Klein se procede al mtodo de interaccin para calcular la temperatura media de la placa , la temperatura de la cubierta y la temperatura media del fluido.

Los valores tpicos que determinan el factor de eficiencia del colector FR, en el caso de un colector de placa plana, son: Uc (2 cubiertas de vidrio)..............................................................= 4 W/m^2C Uc (1 cubierta de vidrio) .............................................................. = 8 W/m^2C k (Placa de cobre de 1 mm de espesor)................................. = 0,4 W/C k (Placa de acero de 1 mm de espesor)...................................= 0,005 W/C hcF (Agua en flujo laminar, conveccin forzada)..................... = 300 W/m^2C hcF (Agua en flujo turbulento, conveccin forzada)................. = 1500 W/m2C hcF (Aire en conveccin forzada turbulenta)..............................= 100 W/m2C

ConclusionesEl uso de colectores solares es indispensable para la reduccin de costos en el uso ACS en las viviendas, ya que este reduce los consumos de energa significativamente por el hecho que los sistemas convencionales son ineficientes y de alta perdida de energa.Siendo esto un sistema pasivi, puede ser usado constantemente con un bajo mantenimiento.