Sesión III

1. Sesión III La conversión fototérmica y los dispositivos conversores de baja temperatura 2

2. SESION IIILa conversión fototérmica y los dispositivos conversores de baja temperatura Parte I : La conversión termosolar. Parte II. Captador solar plano Parte III: Tecnologías para aumentar la temperatura y la eficiencia de conversión Clasificación y eficiencias de conversión. Parte IV:. Captador solar al vacío Parte V: Inclinación y orientación 3

3. Parte I La conversión termosolar 4

4. E = hν Cuerpo absorbedor 5

5. Termoconversor solar

6. Componentes de un captador solar sin concentración óptica Superficie absorbedora La superficie absorbedora esta caracterizada por un material que tiene una alta absorción (absortividad) de la radiación solar, produciendo una elevación de la temperatura. Normalmente es una superficie metálica recubierta con un material absorbente de la radiación solar incidente.

7. Componentes de un captador solar sin concentración óptica (Radiación solar) Cubierta transparente (Radiación infrarroja) (aire) La cubierta transparente tiene como funciones: permitir el paso de la radiación solar, disminuir las pérdidas de calor producidas por el viento y reducir las pérdidas de calor por radiación del absorbedor (radiación infrarroja).

8. Componentes de un captador solar sin concentración óptica Aislamiento térmico El aislamiento térmico permite disminuir las pérdidas de calor debidas a la conducción de calor de la superficie absorbedora hacia el fondo y las partes laterales

9. Componentes de un captador solar sin concentración óptica Sistema de transporte de calor El sistema de transporte de calor permite transferir la energía solar transformada en calor desde la superficie absorbedora hacia un fluido (agua, aire), el cual circula en el interior de los ductos. 10

10. Componentes de un captador solar sin concentración óptica Caja protectora La caja exterior permite proteger el interior del captador de la lluvia, de posibles problemas de corrosión y darle rigidez estructura. Esta caja se une a la cubierta por medio de un sello, para evitar la introducción de polvo, humedad, etc.

11. Captador solar El captador es el principal componente de los sistemas solares térmicos. El rendimiento térmico esta determinado por la relación entre la ganancia y la pérdida de calor, en donde intervienen los parámetros fundamentales que caracterizan su funcionamiento. Además del rendimiento térmico, para la selección del captador se deben considerar los siguientes factores: a) Costo. b) Durabilidad. c) Facilidad de instalación y transporte. d) Fiabilidad, garantía y servicio postventa por parte del fabricante.

12. Captadores solares estacionarios o sin concentración • Los captadores solares estacionarios por lo general permanentemente fijos, deben estar orientados hacia el ecuador y no requieren seguir al sol, existiendo tres tipos: • Captadores planos, CSP • Captadores parabólicos compuestos, CPC • Captadores con tubos evacuados, CTE

13. Captadores solares con concentración • Captador solar de canal parabólico, CCP • Captador solar con reflector lineal tipo Fresnel, RLF • Captador solar con reflector de disco parabólico, RDP • Captador solar con campo de helióstatos, CH o sistema de receptor central, RC

14. Parte II Captador solar plano 15

15. Datos técnicos • Dimensiones principales: alto, ancho y largo. • Área de la superficie transparente • Material y transmisividad de la cubierta transparente • Tipo de configuración del absorbedor • Materiales y tratamiento superficial del absorbedor. • Ubicación y dimensiones de las tomas de entrada y salida • Materiales de las juntas de sellado de la cubierta y de las entradas y salidas • Material de la caja protectora • Tipo de cierre de la cubierta transparente • Materiales y características de los aislantes térmicos • Esquema general del captador

16. Balance de energía en el captador solar

17. Balance térmico en un captador solar plano QU QAL QP

18. Rendimiento térmico • Rendimiento instantáneo • Rendimiento promedio sobre un período de tiempo

19. Rendimiento óptico y pérdidas térmicas totales Rendimiento óptico Pérdidas térmicas totales 20

20. Calor útil y eficiencia

21. Si la eficiencia , se traza en función de ( Tf,e - Ta )/I , resulta una línea recta en la cual la pendiente es FR UL , cuando la curva se intercepta con el eje y, se tiene el valor máximo de la eficiencia, FR (). FR UL no es constante en realidad, sino es una función débil de la temperatura de operación del termocolector, además FR () varía con el ángulo de incidencia de la radiación solar Eficiencia de conversión

22. Eficiencia térmica

23. Las propiedades ópticas CT y A dependen del ángulo de incidencia, el producto () decrece rápidamente cuando el ángulo de incidencia i es superior a 60º en función de la disminución de CT, la expresión anterior no considera la fracción de la radiación que no fue absorbida por el absorbedor y reflejada de manera difusa hacia la cubierta transparente que a su vez reenvía una parte hacia el absorbedor, existiendo reflexiones y absorciones múltiples entre el absorbedor y la cubierta . Si se considera este efecto, entonces será necesario reemplazar el producto ( ) por el producto ()D Absortancia-trasmitancia

24. Trasmitancia de cubiertas En el diseño de los colectores es necesario considerar las propiedades ópticas de las cubiertas, como el índice de refracción (n), el cual determina las pérdidas de calor por reflexión de la cubierta y el coeficiente de extinción (K), el cual determina las pérdidas térmicas debidas a la absorción . La relación de índices de refracción para dos medios diferentes queda determinada por: Siendo L, la longitud de la trayectoria de la luz a través del material (numéricamente igual al espesor cuando la luz incide normalmente). La transmitancia de la radiación solar para una cubierta transparente, se puede calcular a partir de la relación siguiente: Siendo r la reflectividad de la superficie, la cual depende del índice de refracción del material 25

25. Refracción y reflexión Coeficiente de reflexión Incidencia normal θ1 Medio 1 Medio 2 Si el medio es el aire (n≈ 1) y Suponiendo que n2 = n θ2 n1sen θ1 = n2sen θ2

26. Efecto de múltiples reflexiones sobre el factor de trasmisión de una cubierta transparente 1 (1-ρ)2ρ ρ (1-ρ)2ρ3 (1-ρ)2ρ2 (1-ρ)2ρ4 (1-ρ)2

27. Trasmitancia de cubiertas Sí i e i’ son los ángulos incidente y refractado, respectivamente, entonces el índice de refracción queda determinado con la relación: a incidencia normal para otros ángulos de incidencia Para calcular la trasmitancia de un sistema formado por n cubiertas, las cuales tienen el mismo índice de refracción

28. Trasmitancia de cubiertas Para dos cubiertas: 12 = 1.006 12 Para tres cubiertas:123 = 1.018 123 Para cuatro cubiertas: 1234 = 1.035 1234 La cubierta transparente absorbe una parte de la radiación solar incidente, pero esta energía absorbida no se pierde completamente ya que esta se puede traducir en una mejora del rendimiento óptico ( o quizás por una disminución de pérdidas térmicas). A partir de balances térmicos tanto en la cubierta como en el colector y definiendo a CT como el coeficiente de absorción de la cubierta, el factor () se debe reemplazar por: Esta ecuación se puede aplicar tanto para la componente directa como la difusa de la radiación solar. En general la corrección no es muy importante, sólo de alguno 2 a 4%.

29. Transmitancia óptica del vidrio en función del espesor y del ángulo de incidencia de la radiación solar. _________________________________________________________________ Espesor (mm) Transmitancia en % 30

30. Absortancia de cubiertas Para una cubierta FABS = 1.002 1  Para dos cubiertas FABS = 1.012 1 2  Para tres cubiertas FABS = 1.025 1 2 3  Para cuatro cubiertas FABS = 1.050 1  2 3 4  Las cubiertas transparentes son al mismo tiempo superficies absorbedoras, provocando un aumento pequeño en la temperatura de la cubierta. La energía almacenada reduce la velocidad de pérdida de energía hacia el exterior. Esta cantidad de energía absorbida es difícil de evaluar, por lo tanto se le puede considerar como un “ incremento artificial” de la transmitancia, definiéndose con esto el concepto del producto efectivo de la trasmitancia - absortancia (  )ef , el cual se puede calcular como: Los cálculos efectuados son considerando una incidencia normal de la radiación, siendo necesario obtener correlaciones para otros ángulos de incidencia.

31. Coeficientes para el cálculo del producto efectivo ()eff

32. Factor de ensuciamientoy sombreado En términos generales, en localidades industriales se considera una disminución global del 4% sobre la transmitancia y en otras zonas se considera un valor promedio del 2%. En este caso se define un factor de ensuciamiento Fe el cual es igual a (1-E), siendo E el porcentaje de ensuciamiento sugerido, en un caso general Fe se toma como 1 - 0.02 = 0.98. Sí la radiación solar no incide normal al plano del colector, tanto las paredes laterales de la caja como los soportes de las cubiertas llegan a sombrear parte de la superficie absorbedora. Cálculos detallados de las pérdidas de energía captada debido al sombreado indican que para ángulos de incidencia mayores de 45º , el efecto neto de pérdidas por sombrado es del 3%. En el caso del sombrado debido a los soportes intermedios de la cubierta, también se deben tomar en cuenta en el balance térmico del colector solar. Debido a estos soportes, el área neta de absorción es por lo general de un 2 a un 4% más pequeña que el área total del absorbedor. Para fines de ingeniería, se supone un factor de sombreado FS = 1-S, en donde S representa la fracción de sombreo, resultando para el caso general un valor de FS = 0.97 al mediodía, el cual varía con respecto al ángulo de incidencia.

33. Cubierta transparente 1 Absorbedor α* (1-αp*)2ρc*2αp* (1-αp*)ρc*αp* Efecto de múltiples reflexiones absorbedor-cubierta Las múltiples reflexiones intervienen también en el balance global de absorción solar de la superficie absorbente. Para una unidad de energía solar solo la fracción αp* se absorbe, el resto; (1- αp* ) se refleja.. Esta fracción se va a reflejar sobre la cubierta siendo el coeficiente de reflexión ρc. Una cantidad de energía igual a (1-αp*)ρc* va a alcanzar la superficie absorbente que almacenará la cantidad; (1-αp*)ρc*αp*

34. Energía neta absorbida, Q’ABS La cantidad neta absorbida Q’ABS se puede calcular a partir de la siguiente relación: En días claros, la radiación difusa representa entre un 8 y 10 % y en áreas húmedas o industriales son de aproximadamente el doble. El valor numérico del término enmarcado por paréntesis cuadrado es cerca de 1 y con frecuencia de 0.98. Simplificando para fines prácticos: 35

35. Energía neta absorbida, Q’ABS Es importante mencionar que no toda la energía que incide sobre el colector proviene del sol, cerca de un 10% llega de la atmósfera con ángulos de incidencia diferentes, por lo general provenientes del albedo o emisiones de los componentes gaseosos en el aire. Para determinar todos los factores que intervienen en la trasmitancia, se supone un ángulo promedio de incidencia de 50º ( En un cielo uniforme, el ángulo teórico de incidencia para un colector colocado horizontalmente es de 58º ). Hay que considerar el hecho que el cielo no tiene una brillantez uniforme.

36. Energía neta absorbida, Q’ABS con (1-E) = 0.98 y (1-S)I=0 en donde f representa la fracción de la radiación solar incidente utilizable que es absorbida por el colector. Para fines prácticos se propone para todas las horas del día, la siguiente ecuación::

37. Temperaturas de los componentes de un termoconversor que intervienen en el rendimiento térmico cielo TC aire Ta cubierta Tc aire a Ta absorbedor TA b aislamiento Tais Ta aire

38. Perdidas térmicas en los termoconversores • Las pérdidas térmicas en un captador solar se llevan a cabo por medio de los procesos conocidos de transferencia de calor, ya que la superficie absorbedora está más caliente que las condiciones de los alrededores. • Estas pérdidas de calor se llevan a cabo hacia arriba a través de las cubiertas transparentes, a los lados y hacia abajo a través del aislamiento térmico lateral y posterior. • Los factores que determinan el flujo de calor hacia arriba a través de las cubiertas transparentes son: la temperatura del absorbedor, la temperatura del aire ambiente, el número de cubiertas transparentes y su espaciamiento, el ángulo de inclinación del colector con respecto a la horizontal, la velocidad del viento sobre la cubierta y la transmisión de la radiación de longitud de onda larga de las películas y placas plásticas que se usan como cubiertas en lugar del vidrio.

39. Pérdidas de calor en un termoconversor radiativas convectivas conductivas 40

40. Conducción • En los medios materiales donde existe un gradiente de temperatura, existe un mecanismo de transferencia de calor de las regiones calientes a las regiones frías, en donde no intervienen ni la radiación, ni los desplazamientos macroscópicos de la materia: es la conducción. En el gas, las moléculas de las regiones calientes que posen más energía cinética pierden una parte de esta energía por colisión con las moléculas de energía cinética más débil, cuando penetran en las regiones frías. Desde un punto de vista macroscópico, hay así una transferencia de calor. En los líquidos, el proceso es así similar, pero las moléculas están mas próximas y es evidentemente más complejo. En los sólidos, la energía es transportada por los electrones libres y las vibraciones de la red cristalina. • La potencia calorífica trasmitida por conducción a través de un elemento de superficie dS situado al interior de una material, donde existe un gradiente de temperatura esta dado por la ley de Fourier: Donde k es la conductividad térmica del material (en W/Mk) y n es el vector unitario llevado por la normal a dS

41. Conducción T1 T4 T2 T3 a b c b a c 0 x x2 x3 x1 x4

42. Analogía eléctrica Coeficiente global de transferencia de calor por conducción Ecuación general de conducción Con ρ la masa volumétrica del medio, c el calor específico, P potencia disipada bajo forma de calor en el seno del medio (efecto Joule por ejemplo)

43. Convección La convección es un mecanismo de transferencia de calor en los fluidos que implica los movimientos del medio a escala macroscópica. Según el origen de estos movimientos es natural o al contrario impuesta por fuerzas exteriores, distinguiéndose la convección natural y la convección forzada. Existiendo los casos mixtos en donde estos dos tipos de convección coexisten. Cualquiera que sea el tipo de convección, la potencia térmica dqc intercambiada entre el fluido y un elemento de superficie dS del sólido, se representa por: Donde: hc es el coeficiente local por convección (W/M2 K), Ts y Tf las temperaturas del elemento de la superficie y del fluido no perturbado, respectivamente

44. Convección El coeficiente hc depende de la densidad del fluido, de su viscosidad, de su velocidad y de sus propiedades térmicas (conductividad, calor especifico). Para una superficie sólida de dimensión finita: Donde hc es e coeficiente promedio de intercambio por convección. Como en el caso de la conducción, se puede utilizar una analogía eléctrica e introducir la resistencia térmica por convección: 45

45. Números adimensionales Reynolds El número de Reynolds Re esta definido por: Masa volumétrica, ρ, viscosidad μ, v velocidad y L, la dimensión característica. Para un flujo al interior de una tubería, se utiliza la dimensión característica el diámetro hidráulico DH igual a cuatro veces la relación de la sección interna del conducto a su perímetro. Por ejemplo, para una tubería rectangular en donde las dimensiones internas son a y b, el diámetro hidráulico es:

46. Números adimensionales Desde un punto de vista físico, el Número de Reynolds se puede expresar como la relación entre la densidad de la energía cinética en la corriente y una densidad de energía ligada a las fuerzas de viscosidad. Se concibe que, para bajos valores de Re las fuerzas de viscosidad sean suficientes para estabilizar el flujo que ahora es laminar. Por el contrario, cuando el Re es grande, la densidad de energía cinética es tal que el flujo se convierte en turbulento. De acuerdo a la experiencia, si el flujo en los conductos es laminar, el Re≤2100 y completamente turbulento cuando Re≥ 6000

47. Números adimensionales Nusselt Este número es la relación entre la transferencia de calor real en el fluido y la que sería si solo hubiera la conducción operará: Donde kf es la conductividad térmica del fluido. Para Nu = 1 la transferencia se hace sólo por conducción.

48. Números adimensionales Prandtl Este número relaciona la difusividad mecánica del fluido, definida por:

49. Números adimensionales • Grashof En convección natural , la velocidad del fluido no es conocida a priori y no se puede utilizar el número de Re , por lo que se introduce el número de Grashof: g es la aceleración de la gravedad y β la dilatación volumétrica del fluido (β=1/T para un gas perfecto). Las temperaturas dependen del sistema considerado. Físicamente, el número de Grashof se puede interpretar como la relación del producto de la densidad de energía cinética (αρv2 ) por una densidad de energía ligada al impulso de Arquímedes ( αρβ(T1-T2) al cuadrado de la densidad energética ligada a la viscosidad (αμv/L) 50

50. Números adimensionales Rayleigh Este número interviene frecuentemente y es el producto del número de Grashof y del número de Prandtl