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2 XXII Simposio Peruano de Energía SolarCurso: Aplicaciones Termicas de la Energia Solar Arequipa: 16 al 21 de Noviembre del 2015 Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad de Ciencias – Dpto de Fisica CALLE ARICA N° 15 / TACNA – PERU TELEFONO: 052 – CELULAR: RPM:*321825
3 EL COLECTOR SOLAR CLASIFIACION Y GENERALIDADESCAPITULO III : EL COLECTOR SOLAR CLASIFIACION Y GENERALIDADES
4 COLECTOR SOLAR: Elemento característico de una instalación solar térmicaCapta la radiación solar energía calorífica Flujo energético E capta Radiación, convección, conducción Pérdidas - Ep
5 El equilibrio se rompe cuando se EXTRAE parte del calor captado.T°e = Temperatura de equilibrio cuando E = Ep La T°e 100° C para valores I =1000 W/m2 El equilibrio se rompe cuando se EXTRAE parte del calor captado. Si Eu = energía neta extraída del cuerpo E = Ep+ Eu En este caso Ep es menor (parte se pierde y parte se aprovecha).
6 La T cuerpo < Te° (T. de equilibrio) A esto llamamos una CONVERSIÓN SOLAR TÉRMICA y al elemento que convierte un COLECTOR SOLAR TÉRMICO. La T cuerpo < Te° (T. de equilibrio) Para aumentar Eu, existen dos opciones reducir Ep ó aumentar E. 1ra OPCIÓN: Reduce Ep mejora del Diseño y construcción de colector 2da OPCIÓN: Aumentar E Mediante un sistema óptico (colectores de concentración)
7 La extracción de Eu se realiza a través de fluido llamado fluido calo portador que pasa a través del colector y llevado donde va a ser utilizado o almacenado. Tener presente: A mayor temperatura de utilización, mayor serán las pérdidas y menor la Eu. Así rendimiento será cuando la temp. De utilización aumenta. η = E. Útil E. Solar incidente
8 1ra Regla fundamental: Interesa hacer trabajar a los colectores a la temperatura mas baja posible, siempre que dicha temperatura sea suficiente para la utilización específica en cada caso Eu E 10 -- T=(Tu - Ta) 1 -- Energía recuperable en conversión térmica natural
9 ¿QUE PARÁMETROS INTERVIENEN EN EL RENDIMIENTO DE UN COLECTOR?Aislamiento Perdidas por reflexión Orientación del colector Transferencia del vidrio Color de superficie captadora
10 CLASIFICACIÓN: Dos grandes gruposCOLECTORES DE PLACA PLANA. Sin concentración COLECTORES DE CONCENTRACIÓN Colectores de placa plana (cpp) una de sus caras esta constituida por un cuerpo transparente o traslucido de vidrio ó plástico. Historia: • H.B Sanssure 2da. Mitad del siglo XVIII • Herschel (1837) Telliev (1885) • Clarence M. Kemp (USA) (1892)fabricación fines de venta.
11 COLECTORES DE PLACA PLANA
12 2. COLECTORES DE PLACA PLANA (CPP)Estudio de equipos y sistemas que aprovechada la radiación solar para calentar agua (ó aire)
13 2.1. Efecto invernadero La proporción relativa de estos tres efectos dependen de: Naturaleza del cuerpo El estado de la superficie El espesor atravesado Longitud de onda de la radiación Angulo de incidencia del rayo. La radiación electromagnética Parcial o totalmente absorbida Otra reflejarse Atravesar el cuerpo
14 El espectro solar está comprendido entre 0.3 y 2.4mCuerpo transparente: Deja pasar a su través la radiación Electromagnética Algunos cuerpos solo son transparentes para ciertas zonas del espectro electromagnético pero resultan opacos para otras. EJEMPLO: El vidrio es transparente entre 0.3 – 3 m opaco para mayor longitud de onda. El espectro solar está comprendido entre 0.3 y 2.4m
15 Para un típico CPP, la cubierta es de vidrio y el absorbedor de naturaleza METALICA (donde se efectúa la conversión de la R.S. en calor ), se sitúa bajo la cubierta. Una que el absorbedor se calienta Emite una radiación con x 4.5, 7.2 m para las que el vidrio es opaco.
16 Siendo parte reflejada y parte absorbida por el vidrio, quien también empieza a emitir radiación (parte externa e interna del colector), contribuyendo con ello a CALENTAR AUN MAS LA SUPERFICIE DEL ABSORBEDOR (efecto invernadero) Fig 2 Ilustración de Efecto invernadero en un corte transversal de un colector.
17 2. 2. Funcionamiento de los colectores de placa plana2.2. Funcionamiento de los colectores de placa plana. Estudio de los elementos constitutivos de un colector Temperatura de equilibrio estática: temperatura de estabilización. Depende de las condiciones exteriores, velocidad del viento. Temperatura de equilibrio dinámico: (t°) Temperatura que adquiere el colector bajo condiciones estacionarias o constantes, que se mantendrá mientras no varíen las condiciones de radiación y demás factores influyentes (flujo del fluido, viento, temp. ambiente, etc. ) t° < t° estática
18 Así ∆t° puede establecerse como:∆t° = t° - t°a Donde: t° = (t°e + t°s) /2 Y ∆t° = (t°e + t°s )/2 - t°a Donde: t°e = temperatura entrada t°s = temperatura salida t°a= temperatura ambiente Para condiciones normales t°s > t°e Para condiciones de día con radiación
19 < La máx. temperatura en un colectorTemperatura de equilibrio estático. La temperatura de equilibrio se logra cuando la instalación se para (avería, desconexión, corte de fluido eléctrico, etc). < Temperatura Máxima de utilización Temperatura de equilibrio estática Las características de un colector determinaran la elección del mismo en función de su uso, condiciones del clima y al aspecto económico.
20 El colector de placa plana: tiene cuatro elementos principalesAbsorbedor La caja o cáscara El aislamiento La cubierta transparente Fig.3
21 2.3. Cubiertas transparenteCualidades fundamentales: Contribuir al efecto invernadero y reducir pérdidas por convección. Asegurar la estanquidad del colector al agua y al aire. Alto coeficiente de trasmisividad en =0.3 – 3 m Bajo coeficiente de transmisión para > 3 m Bajo coeficiente de conductividad térmica Coeficiente de dilatación pequeño (riesgo de rotura o deformación) Cara interior alto coeficiente de reflexión para largos No retención de suciedad que se adhiere a superficie exterior. Evitar deposiciones en superficie interna debido a valores desprendidos por
22 Precauciones permanentesBuena elección de material y correcto montaje Una buena resistencia mecánica en la cubierta (fuerza del viento) posible peso de nieve. Fijación de la cubierta, resistencia a la acción del viento
23 Materiales utilizadosVidrio Composición química, características mecánicas, características ópticas. Propiedades ópticas de los vidrios. Vidrio recocidos o templados (propiedades mecánicas mejoran) Transmisión energética en función del espesor ángulo de incidencia y tipo de vidrio (tabla N° 1). La trasmitancie: = Energía que atraviesa el vidrio Energía incidente sobre el vidrio Siempre < 1
24 Tabla N° 01 Espesor (mm) TRASMITANCIA 0° 15° 30° 45° 60° 75° 3 86 8477 54 4 85 84.5 82 75 5 83 82.5 80 73.5 51 6 81.5 81 78.5 72 50 La depende también de la estructura de la superficie.
25 Transmitancie (%) en función del ángulo incidencia.Tabla N° 02 Aspecto del vidrio Transmitancie (%) en función del ángulo incidencia. 15° 30° 45° 60° Vidrio claro 85 84.5 84 82 75 Amartillado 83 81 72
26 Resistencia a: Propiedades mecánicas de los vidriosPresión del viento, peso hielo y nieva, granizo. Riesgo de rotura espontánea. Bajo efecto de las contracciones internas (∆t) Dilatación de la parte de la cubierta expuesta al sol. (efecto contracción – tracción ) Bordes en buen estado
27 Soluciones: Mejorar la resistencia de los bordes (corte adecuado)Aumentar la resistencia del volumen (templado térmico) EL TEMPLADO GARANTIZA: Mayor resistencia a la rotura Un vidrio de 6 mm; resiste un peso de 1/2 kilo cayendo a 2 m de altura. Mayor resistencia a la flexión Los vidrio templados son 4 a 5 veces mas resistentes a la flexión. Una gran resistencia a las contracciones de origen térmico (∆T=30°C, T=62°C, T absorbedor= 150°C.) Fragmentación de seguridad. El vidrio templado se fragmenta en trozos pequeños.
28 Materiales Plásticos Ciertos materiales plásticos poseen similares características ópticas a los vidrios. Espesor: décimas de milímetros, o placas rígidas (mm).
29 Características Poca densidad, poca fragilidad, mala conductividad térmica, (pocas perdidas por radiación y convección) Coeficiente de dilatación lineal importante Mala resistencia a las temperaturas elevadas. Dureza poco elevada Inestabilidad química y deterioros físicos (UV) y a las variaciones de la temperatura o al día y la noche. (m) Fig. 4 Transmisión espectral de algunos materiales plásticos utilizados en la cubierta contra la de un vidrio de 3 mm.
30 Tratamiento especiales de las cubiertasTratamiento antirreflectante sobre superficie exterior Tratamiento en superficie interior, refleje radiaciones de = grandes > 3m. Inconveniente tratamientos son caros, pero es tema de investigación. Cubiertas de doble vidrio: Ventaja: aumenta efecto invernadero Reducen perdidas por convección Aumenta la temperatura del fluido calo portador
31 Fig.5 Perdidas térmicas comparativas de un colector de cubierta simple de vidrio (superior) y dos cubiertas
32 Desventajas : Las perdidas ópticas un cubiertas dobles (reflexión y absorción )son mayores Energía es menor . El rendimiento del colector doble de vidrio es mejor para las temperaturas del fluido calo portador superior a 50°C por encima de la del ambiente. Fig.6. Comparación del rendimiento (0-10) para un mismo colector A = sin cubierta, B = con cubierta, C = con 2 cubiertas
33 2.4. Absorbedor por fluidos caloportador liquidoRIESGOS: la doble cubierta eleva la temperatura que debe soportar la cubierta interior. Dilataciones diferentes pueden ocasionar roturas del conjunto. 2.4. Absorbedor por fluidos caloportador liquido MISION: Recolectar la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido calo portador. Ctitución del absorbedor , forma y materiales Modelos: Placas metálicas paralelas. Placa metálica con tubos embutidos. Aletas unitarias por tubo embutido (aluminio / cobre). Tipo “Roll- Bond” de cobre o aluminio (circuito fluido). Absorbedor en plástico, usado en climatización de piscinas. ons
34 Revestimiento del absorbedor.Dos procedimientos: Pinturas y superficies selectivas Coeficiente de absorción alto y de emisión baja (superficies selectivas) (abs. 0,8,0,9, e= 0.6,0.15) No existen materiales simples que tengas estas propiedades. (o) Fig.7. rendimiento de un colector para diferentes tratamientos y cubiertas A-1.
35 Tratamiento de superficiesCaracterísticas que debe cumplir el absorbedor Tratamiento de superficies Pinturas son económicas Comportamiento técnico global bueno para T ≈ 20°C Desventajas Deterioro con la radiación UV y con las variaciones de T° entre día y noche. Es necesario renovar periódicamente Es necesario preparación de superficie antes de aplicarla. Debe aplicarse una capa lo mas fina posible.
36 Superficies selectivas:Pueden durar más de 10 años. Algunas pierden propiedades de absorción o selectividad Precio muy elevado. Perdidas de carga En sistema TERMOSIFON, la perdida de carga no debe superar los 3mm de columna de agua por cada m2 de colector (movimiento lento y un ∆T elevado η disminuye) en circulación forzada, la perdida de carga no es critica.
37 Capacidad del absorbedorCorrección interna Resistencia con corrosión interna El cobre va después del tubo de acero En un circuito solar no hay antes ni después (circuito cerrado) Circuito cobre – hierro estan desaconsejados Considerar que el fluido calo portador puede sufrir degradaciones químicas en función al incremento de Temperatura. Capacidad del absorbedor Inercia térmica, ligada a la capacidad del absorbedor (volumen del líquido) Conviene reducir este al mínimo (en zonas de radiación intermitente)
38 Transmisión del calor de la placa absorbente al fluido calo portadorHomogeneidad de la circulación del fluido calo portador en el absorbedor. Es importante para mantener el rendimiento del absorbedor. Transmisión del calor de la placa absorbente al fluido calo portador Absorbedores de doble lámina, contacto entre placa y fluido es excelente. La transmisión depende de la conductividad y espesor del metal, separación entre los tubos y de sus diámetros, del rendimiento del liquido, del régimen laminar o turbulento de la buena ejecución de la soldadura y de acoplamiento. Separación entre placa absorbedora y tubo ocasiona grandes perdidas de rendimiento, roturad de soldaduras. A tener en cuenta: Peligro de incrustación que dificultan el correcto contacto térmico entre el metal u fluido.
39 Entradas y salidas del fluido en el absorbedor.Cuidar que pérdidas de carga en orificios de entrada y salida no sean altas. No forzar soldaduras en estos puntos. Puentes térmicos Entre el absorbedor y elementos no aislados del colector Resistencia a la presión Obstrucción accidental de circuitos primario.
40 Temp. Max de utilización (°C)2.5. El Aislamiento Posterior Este aislamiento debe ser eficaz (tabla N°3) Características de algunos de los aislantes más frecuentemente usados. Material Conduct. Térmica A 50°C(W/m.k) Temp. Max de utilización (°C) Observaciones Lana de vidrio 0.050 150 Sensible humedad Lana de roca Espuma de vidrio 0.057 Corcho expandido 0.052 110 Poliestireno 85 Moldeado Poliuretano 0.027 Espuma
41 Estimación de estas perdidas son importantes Características de los aislantes: Comportamiento con la temperatura (ubicar lamina metálica no reflectante, entre absorbedor y aislamiento) (no ayuda mucho) Desprendimiento de vapores Condensación de vapores sobre cubierta transparente Envejecimiento Conviene saber si el aislamiento no se degrada por envejecimiento, a la temperatura de trabajo. Humedad Pueden humedecerse por la condensación interior del colector o por una rotura de cubierta o degradación de las juntas de estanquidad Ej. Lana de Vidrio pierde cualidades aislantes si esta húmeda.
42 2.6. Caja colector o cáscaraMisión: Proteger y soporte del colector y enlace con el conjunto del edificio sobre el que se sitúa el colector. Parámetros de garantía: Rigidez de la carcasa Resistencia de los elementos de fijación Resistencia mecánica de estos anclajes Resistencia química a la corrosión (protección adecuada) Resistencia a las variaciones de temperatura. Pueden provocar : La desarticulación del conjunto, separación de chapa posterior, etc.
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44 Aireación del interior de los colectores.La resistencia de la corrosión y a la inestabilidad química . La corrosión es grave en el acero Prestar atención a la calidad y duración del sistema de protección (pinturas, galvanizados, etc) La degradación química puede ser grave para carcasas de plástico. (por el UV) Aireación del interior de los colectores. Colectores completamente estancos al aire Colectores estancos al agua, pero no al aire Orificios taladrados únicamente e n la parte baja del cofre evitan fugas de calor y penetración de agua. Retención de agua, hielo nieve en el interior del colector . Debe evitarse o ver la forma de evacuación más eficiente. Desmontaje de la cubierta transparente o de la parte superior de la carcasa.
45 Colectores en 30 años
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47 ESTUDIO ENERGETICO DEL CCPCAPITULO IV: ESTUDIO ENERGETICO DEL CCP
48 III. ESTUDIO ENERGÉTICO DEL CPPEl CPP puede considerarse como un elemento de transformación de la energía de radiación en energía térmica. El objetivo es conocer el rendimiento de ésta máquina en función a la energía útil que de está máquina se extraiga.
49 3.1. Fundamentos Máquina térmicaParámetro de trabajo variables (día, estación, mes, etc.) Es necesario asumir condiciones estacionarias, valores medios para todos los parámetros. El colector permanece fijo durante toda su vida útil. El colector está sometido a procesos térmicos diversos. El colector es un sistema térmico abierto.
50 3.2. Balance térmico El balance energético de un CPP es:Qi = Q + Q2………….(1) Qi = Energía incidente total (directa + difusa + albedo) Q = Energía útil energía recogida por fluido calo portador Q2 = Energía perdida por disipación al exterior Energía útil Q = Q1 + Q2 …….…(2)
51 Q2 = SU (t°c- t°a) ...…….(3) No todo Q1 es absorbida en el absorbedorTener presente las diversas pérdidas a través de la cubierta (), también se deberá considerar que la absortancia en la placa nunca llega a 1. Todas estas pérdidas pueden agruparse en el concepto del coeficiente global de pérdidas U (fabricante dato experimental) Una aproximación buena experimentalmente es ; asumir que : Q2 = SU (t°c- t°a) ...…….(3) Donde : t°c = Temperatura media de placa absorbedora t°a = Temperatura ambiente S = Área superficial receptora
52 Q = SI - SU (t°c- t°a) Así (2) quedaría como:Q = S I ( )-U(t°c- t°a) ……..…(4) = Absortancia de la placa absorbedora I = Radiación incidente (W/m2) U = Coeficiente Global de pérdidas (W/m2.°C) t°c = Temperatura. media de la placa absorbente
53 El producto corresponde a la radiación directa coincidencia normal y por eso se escribe como ( )N. t°c No puede medirse directamente, pero si puede medirse t°m Temperatra media del fluido t°m = (t°e + t°s) / 2………..(5)
54 Q = Fr S I ()- UL(t°m- t°a)……..(6)No todo el calor absorbido en la superficie absorbedora para al liquido para transformarse en energía térmica útil Q. Para reemplazar t°c por t°m (de fácil cálculo) hay que introducir factor de corrección Fr llamado FACTOR DE EFICACIA o coeficiente de transporte de calor (Fr <1). Fr es función del caudal del fluido y de las características de la placa (material, espesor, distancia entre tubos, etc.) La ecuación se transforma en Q = Fr S I ()- UL(t°m- t°a)……..(6)
55 η = SFr()N I- Fr UL(t°m - t°a)/ I……….(7)3.3.Curva característica de un colector plano: Rendimiento instantáneo Banco de pruebas bajo condiciones estables de radiación. Velocidad de viento , temperatura del fluido El objetivo es determinar la eficacia del colector η η = Q / S I η = SFr()N I- Fr UL(t°m - t°a)/ I……….(7) Esto es ecuación de una recta con (t°m - t°a)/ I es la variable en el eje de las abscisas y Fr UL es la pendiente de la recta.
56 No es estrictamente constante 1 0.9 0.8 (tm - ta) / I Fig. 2 Curva característica de un Cpp de tipo medio. Nota: No es estrictamente constante UL Tampoco lo es. Se toman valores medios
57 En base a estas curvas, un colector será tanto mejor cuanto MAYOR sea el valor de su ordenada en el origen Fr( )y menor el valor de lla pendiente FrUL. La ecuación de la recta en la Fig. 2 puede simplificarse de la siguiente manera: η = b – m x Donde: m = Fr UL (pendiente) b = Fr ()N (ordenada en el origen) x = (t°m - t°a)/I (variable en el eje de las abscisas)
58 η”= Fr” ()- Fr” UL(t°s - t°a)/IOtras expresiones de la eficiencia: Normalmente se utiliza la ecuación (7) donde el rendimiento se expresa en función de la temperatura media del liquido calo portador. η’= Fr’ ()- Fr’ UL(t°e - t°a)/I η”= Fr” ()- Fr” UL(t°s - t°a)/I
59 Ejemplo: Si una ecuación se presenta en la siguiente forma:η= (t°m - t°a)/I Es claro que b = 0.79 y m = 6.8, pero si se presenta. η= K(t°m - t°a)/I Observar que K = constante y debe ser dada por el fabricante. Ejemplo: . Si K = 10 W/m2 °C b = y m = 7.3 UL Es medido en condiciones ambientales estándares.