Captadores Solares Fototérmicos

7/23/2019 Captadores Solares Fototrmicos

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Universidad Nacional de

Ingenieria

Maestria en Energias

Renovables

Captadores Solares

Fototrmicos


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Contenido

Captadores solares foto trmicos ................................................................................................... 3

Tipos de captadores ................................................................................................................... 3

Captadores no concentradores............................................................................................... 4

Captadores concentradores ................................................................................................. 10

Principio de funcionamiento de un captador solar plano ........................ ......................... ......... 15

Ecuacin fundamental de un captador solar plano ................................................................... 17

Efecto de la inclinacin sobre el producto ............................................................................ 24

ndice de Ilustraciones

Ilustracin 1. Secciones transversales de un captador plano no concentrador (izquierda) y de un

captador concentrador (derecha). ........................... .......................... ......................... .................... 3

Ilustracin 2. Captador plano para lquido de cubierta nica y seccin transversal. ....................... 5

Ilustracin 3. Absortividades de algunas superficies selectivas. .......................................... ........... 6

Ilustracin 4. Detalles de los tubos aleteados de los captadores por agua: a) extruido, b) soldado, c)

unin forzada, d) multicanal para absorbedores de baja conductividad.......................................... 6

Ilustracin 5. Captador plano por aire de cubierta nica y seccin transversal. ......................... ...... 7

Ilustracin 6. Funcionamiento de sistema solar de aire Solarwall y ejemplo constructivo (10.000 m2de captacin). (Fuente: www.solarwall.com).................................................................................. 8

Ilustracin 7. Esquema constructivo de los tubos de vaco y muestra de tubos de vaco agrupados.

(Fuente: http://www.schott.com). ................................................................................................. 8

Ilustracin 8. Seccin transversal de algunos tubos al vaco............................................................ 9

Ilustracin 9. Sistema de captacin solar para piscinas. ......................... .......................... ............. 10

Ilustracin 10. Concentradores no seguidores: diseo trapezoidal, trapezoidal truncado y

parablico compuesto. ................................................................................................................ 11

Ilustracin 11. Concentracin de la radiacin directa en un concentrador cilndrico (izquierda) y

parablico (derecha). ................................................................................................................... 12

Ilustracin 12. Proyecto de instalacin en cubierta de un sistema de concentracin lineal conreflectores Fresnel. ...................................................................................................................... 12

Ilustracin 13. Principio operativo de las lentes de Fresnel. Los prismas reflectores/refractores son

catadiptricos. Los prismas solo reflectores son diptricos. ......................................................... 13

Ilustracin 14. Principio de funcionamiento de los concentradores refractores puntual (izquierda) y

lineal (derecha). ........................................................................................................................... 14

Ilustracin 15. Concentracin puntual a pequea escala en el caso de cocinas solares. ............... 14


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Ilustracin 16 Concentracin puntual a gran escala con campo de helistatos: receptor central

(izquierda, Barstow One, California) y espejo convexo en un horno solar (derecha, Odeillo,

Francia). ....................................................................................................................................... 15

Ilustracin 17. Distribucin espectral normalizada de la radiacin del cuerpo negro a temperaturas

diferentes. ................................................................................................................................... 16

Ilustracin 18. Transmitancia de un cristal de 6 mm de grosor con diferentes contenidos de xido. .................................................................................................................................................... 17

Ilustracin 19. Flujos energticos en un captador plano. .................................. ........................... 18

Ilustracin 20. Ejemplos de bucles cerrado (izquierda) y abierto (derecha) de ensayos para la

obtencin del comportamiento trmico (esto es, el rendimiento instantneo) de un captador de

lquido. ........................................................................................................................................ 21

Ilustracin 21. Curva de rendimiento instantneo para un captador plano tpico...................... 22

Ilustracin 22. Curvas de rendimiento instantneo para diferentes tipos de captador plano..... 23

Ilustracin 23. Curvas de valores tpicos para el cociente ()/(n) para captadores de 1 a 4

cubiertas en funcin del ngulo de incidencia . .......................................................................... 24

Ilustracin 24. Angulo de incidencia efectivo en media mensual para la radiacin directa y parasuperficies orientadas al ecuador en el hemisferio norte. Para el hemisferio sur, intercambiar el

signo de las desigualdades. .......................................................................................................... 25

Ilustracin 25. ngulo de incidencia efectivo para las radiaciones difusa y reflejada del suelo,

consideradas istropas para superficies inclinadas. ........................... ......................... .................. 27


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Captadores solares foto trmicos

El primer elemento que se encuentra la radiacin y que nos tiene que permitir absorber la energa

incidente es el captador solar, un tipo particular de intercambiador de calor que intercepta la

energa radiante del sol, la transforma en energa trmica y la transfiere a un fluido circulante porsu interior que acta como fluido "portador" de la energa trmica.

Tipos de captadores

De forma genrica, un captador est constituido esencialmente por un absorbedor (ilustracin 1),

una cubierta transparente y un conducto o conductos por donde circula el fluido caloportador.

Con forma de superficie metlica, de cristal o plstica, el absorbedor es el elemento ms

importante del captador, ya que es el encargado de absorber primero la radiacin solar y

transformarla despus en radiacin trmica para transferirla por conduccin al fluido circulante.

La cubierta, siempre transparente o semitransparente y de plstico o cristal, permite la reduccin

de la emisin calorfica por conveccin desde el absorbedor al ambiente y protegerlo, a la vez, deagentes externos.

Ilustracin 1. Secciones transversales de un captador plano no concentrador (izquierda) y de un captadorconcentrador (derecha).

Captadores solares trmicos los hay de muchos tipos y caractersticas diferentes, pudindose

clasificar en funcin del tipo de fluido circulante, de la temperatura de trabajo, del tipo de

absorbedor utilizado, etc. De forma muy genrica, se puede hacer una primera clasificacin entrelos que pueden funcionar con energa solar global, que son en consecuencia estacionarios, y los

que tan slo funcionan con energa solar directa y, por lo tanto, tienen la necesidad de realizar un

seguimiento del camino del sol en el cielo. stos ltimos reciben el nombre de seguidores y

pueden disponer de un nico grado de libertad (caso de los absorbedores tubulares) o de dos

(caso de los absorbedores puntuales).


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Dentro de esta divisin general, nos podemos encontrar a la vez con captadores concentradores y

captadores no concentradores. Hablamos de captadores concentradores cuando la energa solar

por unidad de rea y tiempo que recibe el absorbedor ha sido aumentada respecto a la que recibe

por su abertura, entendida sta como el rea de captacin primera de la radiacin. En un captador

plano (no concentrador por definicin) las reas de abertura y de absorcin acostumbran a ser

semejantes (ilustracin 1 izquierda) y la razn de concentracin C, definida como:

Es siempre inferior o igual a 1.

En cambio, para captadores concentradores (ilustracin 1 derecha), las reas de abertura o

absorcin pueden ser muy diferentes y el valor de C se puede elevar hasta 40, en el caso de

reflectores parablicos, e incluso a 1.500 en el caso de los campos de helistatos (centrales

solares). Esta divisin permite, al mismo tiempo, separar los sistemas de produccin de energa

solar trmica en funcin de la temperatura a la cual podemos hacer llegar el fluido de trabajo y, enconsecuencia, las aplicaciones que la pueden aprovechar:

Baja temperatura (30 C - 100 C). Alcanzada con captadores planos (no concentradores) y

para aplicaciones de agua caliente sanitaria, calefaccin, calentamiento de piscinas,

secado, desalinizacin y destilacin.

Temperatura media (100 C - 400 C). Alcanzada con concentradores lineales o esfricos y

para aplicaciones en procesos industriales, refrigeracin (ciclos de absorcin), procesos

qumicos y desalinizacin.

Temperatura alta (400 C - 3.000 C). Alcanzada con concentradores de disco parablico y

de campo de helistatos y para aplicaciones en centrales solares (fototrmicas,fotovoltaicas y fotoqumicas) y hornos solares (tratamientos trmicos e investigacin de

materiales).

Captadores no concentradores

Los captadores no concentradores son, con mucho, los ms utilizados en aplicaciones domsticas.

Su coste y rgimen de temperaturas permiten su adaptacin a las necesidades trmicas

domsticas de produccin de agua caliente sanitaria, calefaccin domstica y de piscinas. Se

pueden clasificar, a la vez, en funcin del tipo de fluido que circula por su interior: agua o aire.

Captadores planos no concentradores para agua

En el mbito domstico y de la baja temperatura, los captadores planos de agua son los msutilizados habitualmente. Su diseo bsico se muestra en la ilustracin 2. En ella se observan las

diferentes partes que conforman el captador entre las que tenemos que citar las siguientes:


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Ilustracin 2. Captador plano para lquido de cubierta nica y seccin transversal.

Cubierta. La cubierta permite reducir las prdidas por conveccin y radiacin desde la

placa absorbedora al ambiente y permite el calentamiento de la placa mediante un efecto

invernadero local, como ms adelante explicaremos. Pueden ser de cristal, plstico o fibra

de cristal, pero tienen que ser transparentes para permitir el paso de la radiacin desde el

(ambiente) exterior.

Superficie absorbedora. Es el corazn de los captadores planos, puesto que es la parte

encargada de transferir la energa del sol al fluido portador de calor de forma eficiente.

Entre los materiales que forman esta superficie se incluyen el cobre y el aluminio (los ms

comunes), as como el acero, el cristal y el plstico. La superficie absorbedora se

acostumbra a cubrir con algn tipo de material o recubrimiento que permita una elevada

absortividad solar y una baja emisividad trmica. Es lo que denominamos recubrimientos

selectivos de tipo negro de cinc, negro de cromo, compuestos atacados con cidos o

pinturas acrlicas que, adems de una elevada absortividad, tienen una baja emisividad en

la banda infrarroja (rango trmico) como muestra la ilustracin 3.


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Ilustracin 3. Absortividades de algunas superficies selectivas.

Conductos de distribucin del fluido trmico. En sistemas por agua, el fluido acostumbra a circular

por el interior de tubos unidos a superficies aleteadas que sirven tambin como superficie

absorbedora, como muestra la figura 1.1.5. Se disponen en paralelo conectados a un colector de

entrada, en la parte inferior, y uno de salida, en la parte superior. El cobre es el material ms

utilizado en tubos y aletas debido a su alta conductividad trmica y resistencia a la corrosin, pero

no es extrao encontrar superficies absorbedoras de aluminio unidas a tubos de cobre para

reducir el coste del conjunto.

Ilustracin 4. Detalles de los tubos aleteados de los captadores por agua: a) extruido, b) soldado, c) unin forzada, d)multicanal para absorbedores de baja conductividad.

Aislamiento posterior. Las partes laterales y posteriores del captador deben aislarse

correctamente para limitar la prdida de energa por conduccin y conveccin hacia el

exterior. La fibra de vidrio, el corcho o los aislamientos sintticos de tipo polietileno opoliestireno acostumbran a utilizarse por su poco peso y su baja conductividad trmica.

Captador plano no concentrador de aire

Los captadores planos por aire (ilustracin 5) tienen una respuesta rpida a la radiacin, no

presentan problemas de congelacin ni de corrosin y, en este sentido, el proceso constructivo se


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simplifica, ya que la estanqueidad del sistema para evitar algn tipo de escape del fluido no es una

exigencia. Ahora bien, el aire tiene una clara desventaja en comparacin con el agua en tanto que

su capacidad calorfica es cuatro veces menor1. Eso implica un proceso de dimensionado y

acumulacin diferente al de los sistemas por lquido y una limitacin del campo de aplicabilidad,

bsicamente centrado en sistemas no convencionales de calefaccin por aire y ventilacin. En

estas utilizaciones, los sistemas solares que utilizan aire sufren los mismos problemas quepodemos encontrar en los sistemas de aire acondicionado convencional: ruidos producidos por

velocidades excesivamente elevadas, consumos elctricos en elementos de impulsin

(ventiladores) debidos a las prdidas de carga en los conductos, proteccin contra el polvo y la

humedad, etc.

Ilustracin 5. Captador plano por aire de cubierta nica y seccin transversal.

En los captadores solares de aire, el aire suele circular entre dos placas metlicas que separan el

aire de la cubierta y el aislamiento posterior. En el captador de aire, la placa absorbente puede ser

metlica o de otro material, pero es habitual la utilizacin de placas en forma de U o V para

aumentar la superficie de contacto y, en consecuencia, la accin de calentamiento.

Aun as, en determinadas aplicaciones, los captadores solares de aire son ms fciles de integrar

en la piel de los edificios. Pueden formar parte estructural de techos, fachadas, etc., e incluso

pueden tener otras funciones no energticas, como hacer de barreras de sonido. En la ilustracin

6 se muestra un ejemplo de sistema solar de aire integrado como cerramiento en un edificio. La

tecnologa utilizada, que permite la ventilacin y la calefaccin a la vez, se basa en la micro

perforacin de una superficie metlica que se dispone orientada al sol y que cierra, a la vez, un

volumen de aire determinado. La energa radiante calienta la superficie metlica que al mismo

tiempo calienta el aire de su interior y por diferencia de presiones (y ayudada por un ventilador de

impulsin) se produce una circulacin del mismo aire hacia las zonas ambientales que lo precisen.

1 El agua tiene una capacidad calorfica de 4.18 kJ/kgK mientras que el aire se queda tan slo con 1.01

kJ/kgK


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Ilustracin 6. Funcionamiento de sistema solar de aire Solarwall y ejemplo constructivo (10.000 m2 de captacin).(Fuente:www.solarwall.com).

Captadores de tubo de vaco

Un tercer tipo de captadores no concentradores son los tubos de vaco o captadores de vaco

tubulares. Se utilizan como captadores no concentradores en forma individual, en grupos o haces

(ilustracin 7) y tambin como receptores en sistemas de concentracin lineal, como ms adelante

veremos.

Ilustracin 7. Esquema constructivo de los tubos de vaco y muestra de tubos de vaco agrupados. (Fuente:http://www.schott.com).

Estos captadores aprovechan el vaco creado en su interior para eliminar las prdidas por

conveccin y aumentar as la temperatura del fluido portador de calor con menos necesidad de

superficie de captacin efectiva. Tambin permiten ms integracin en el mbito arquitectnico

porque posibilitan su instalacin, por ejemplo, en las aristas de la construccin. Su geometra

cilndrica permite la fuerza estructural necesaria para aguantar el vaco que hay que conseguir y
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algunos diseos permiten introducir incluso cierta cantidad de concentracin (ilustracin 8,

inferior izquierda).

Ilustracin 8. Seccin transversal de algunos tubos al vaco.

Captadores de baja temperatura

Para aplicaciones muy especficas que requieran temperaturas de tan slo 10C o 15C por encima

de la del ambiente, existen captadores de construccin mucho ms simple que permiten alcanzar

estas temperaturas evitando el coste de los anteriores. Es el caso de los captadores para piscinas,

en los cuales se ha eliminado la cubierta, el aislamiento y la estructura de soporte para dejar tan

slo el absorbedor, que debe estar nicamente diseado para soportar las condiciones climticas

externas (ilustracin 9). La opcin ms sencilla y econmica es la de una manta plstica extendida

en contacto directo con el agua de la piscina. Esta manta puede tener el lado orientado al solpintado o tratado de forma especfica para absorber la energa solar directa y limitar la emisin en

longitudes de onda larga (banda trmica). El inconveniente es claro: la utilizacin del sistema de

captacin impide la utilizacin de la piscina.


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Ilustracin 9. Sistema de captacin solar para piscinas.

La opcin consecuente es la de trasladar esta manta plstica fuera de la piscina y, adems, darle

una cierta inclinacin. En este caso, el agua de la piscina se puede hacer circular por una mantaplstica rgida o semirrgida o, incluso, por el interior de tubos en una estructura rgida y con

caminos de flujo paralelo (ilustracin 4d) con los colectores de entrada y salida tambin metlicos.

Captadores concentradores

Para alcanzar mayores temperaturas se debe modificar el sistema de captacin para aumentar la

concentracin. Esto lo permiten los captadores concentradores, que se pueden clasificar de forma

muy genrica a partir de dos caractersticas: la caracterstica que describe la geometra del

absorbedor (concentracin lineal o puntual) y la caracterstica que indica la forma de

concentracin (reflexin o refraccin). Todos ellos, sin embargo, pueden concentrar en ciertamedida la energa solar en un punto especfico por donde circula el fluido portador de energa y,

en consecuencia, pueden hacer llegar este fluido (que puede ser agua a alta presin, aceite

trmico, etc.) hasta temperaturas muy elevadas para cubrir aplicaciones en el mbito industrial, ya

sea produciendo energa trmica para determinados procesos o proporcionando vapor para hacer

funcionar una turbina y de este modo obtener electricidad.

Concentradores lineales por reflexin

Muchos concentradores lineales por reflexin utilizan geometras parablicas con absorbedores

tubulares y pueden ser no seguidores o seguidores.

No seguidores. La utilizacin de espejos planos en torno a un punto del espacio para

concentrar la radiacin es un hecho conocido y aplicado en energa solar desde hace

mucho tiempo. Los espejos reflectores se sitan en torno a un captador plano ms o

menos convencional en direccin este-oeste para que el sol se pueda seguir a lo largo del

eje principal. Se pueden orientar en funcin de la estacin, pero tan slo los das de


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equinoccio podremos asegurar su orientacin y funcionamiento adecuados a lo largo del

da. A pesar de eso, aunque son concentradores, los ngulos de aceptacin son

suficientemente grandes como para que se puedan utilizar sin ningn tipo de sistema de

seguimiento.

Ilustracin 10. Concentradores no seguidores: diseo trapezoidal, trapezoidal truncado y parablico compuesto.

El sistema ms simple es el trapezoidal (ilustracin 10, izquierda), con un ngulo de abertura

ptimo de unos 30 pero variaciones sustanciales en la relacin altura-base, funcin de la razn de

concentracin deseada y frecuencia del ajuste de la inclinacin. Sin este ajuste se pueden

conseguir concentraciones anuales de 1.5 con relaciones altura-base de 1. El lmite de

concentracin prctico se encuentra ligeramente por encima de 2 y para llegar a 3 tenemos que ir

hacia geometras truncadas (ilustracin 10, centro).

Razones de concentracin de la orden de 6 se pueden conseguir con paredes curvas como las de

los concentradores parablicos compuestos o CPC (ilustracin 10, derecha). En este caso las

paredes son dos cilindros medio parablicos simtricos diseados para proporcionar y concentrar

toda la radiacin incidente dado un determinado ngulo de incidencia en que hace que el receptor

quede en uno de los focos de la parbola. Para un ngulo de aceptancia de 12, podemos alcanzar

concentraciones de poco menos de 9.5, pero con un rea de reflexin seis veces mayor que el rea

de abertura. A nivel prctico podemos alcanzar razones de concentracin de poco ms de 4.0 con

un ngulo de aceptancia de 27.5 y si disminuimos el rea de reflexin un 50 % (eliminando la

parte ms alejada del receptor) esta concentracin se ve reducida tan slo hasta 3.6 (CPC

truncado).

Seguidores. Los sistemas seguidores ms comunes son los de reflector parablico, o

cilndrico, como el mostrado en la ilustracin 12. Sin embargo, hay que sealar que tan

slo el reflector parablico permite generar un foco lineal y que los reflectores

constituidos por pequeos sectores planos o cilndricos tan slo se aproximan a este

comportamiento. La capacidad de reflejar y concentrar se puede alcanzar ya sea

manteniendo el absorbedor esttico y variando la posicin del reflector, que gira como un

todo entorno al absorbedor lineal, o bien mediante la utilizacin de reflectores que

aproximan lentes de Fresnel y que serpentean longitudinalmente a lo largo del mismo eje

del absorbedor para concentrar la radiacin incidente.


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Ilustracin 11. Concentracin de la radiacin directa en un concentrador cilndrico (izquierda) y parablico (derecha).

Las dificultades de construccin de un captador seguidor van ms all de los problemas pticos y

llegan a consideraciones de tipo estructural, cargas de viento, tolerancias trmicas y potencia de

actuacin para los motores que generan el movimiento. Hay que tener en cuenta tambin laseparacin entre filas para evitar problemas de sombras.

Ilustracin 12. Proyecto de instalacin en cubierta de un sistema de concentracin lineal con reflectores Fresnel.

Concentradores por refraccin

Comparados con la concentracin por reflexin, existen muy pocos ejemplos de diseos que

concentren la radiacin por refraccin y la mayora utilizan lentes convexas de tipo Fresnel para

hacerlo. Son los concentradores conocidos con el nombre de "ventanas solares". El principio

utilizado es el mismo que Augustine Fresnel utiliz para aumentar la luz que surga de los faros a


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mediados del siglo XIX y que muestra la ilustracin 13. Para generar un rayo de luz de alta

intensidad a partir de una serie de rayos de luz no concentrados, Fresnel utiliz los prismas

catadiptricos y diptricos para refractar y reflejar al mismo tiempo, y un ojo de buey central para

refractar la luz incidente. De esta manera, con una bombilla de 1.000 W podemos generar un

punto de luz lo bastante potente como para ser visto a 30 km de distancia.

Ilustracin 13. Principio operativo de las lentes de Fresnel. Los prismas reflectores/refractores son catadiptricos. Losprismas solo reflectores son diptricos.

Para utilizaciones en el mbito solar, la refraccin puede ser puntual o lineal (ilustracin 14) y se

acostumbran a utilizar lentes de plstico, porque tienen poco peso y se pueden obtener a bajo

coste. Podemos encontrar concentradores refractores lineales sin seguimiento mientras estn

alineados en direccin este-oeste y su inclinacin sea la correcta, ya que muchas veces la

aberracin ptica es lo bastante importante (sobre todo al alba y en la puesta) como para que sea

innecesario.


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Ilustracin 14. Principio de funcionamiento de los concentradores refractores puntual (izquierda) y lineal (derecha).

Concentradores puntuales

La concentracin puntual, inalcanzable en la prctica debido a las dimensiones finitas del sol, se

alcanza utilizando concentradores con reflexin (o refraccin, como hemos visto) simtrica con

respecto a todos los ejes. Por lo tanto, son un tipo de concentradores que requieren del

seguimiento de dos ngulos: la altitud y el acimut solares. En concentradores puntuales, los flujos

de energa son tan extremadamente elevados que incluso con razones de concentracin

moderadas se pueden alcanzar temperaturas muy elevadas en muy poco tiempo. Su aplicacin a

pequea escala est muy desarrollada en cocinas, utilizando reflexin cilndrica, parablica o

Fresnel, para generar focos energticos de alta intensidad sin seguimiento (ilustracin 15).

Ilustracin 15. Concentracin puntual a pequea escala en el caso de cocinas solares.


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A gran escala, la concentracin puntual se alcanza mediante campos de helistatos, espejos de

seguimiento individuales que apuntan la radiacin hacia el absorbedor o hacia un segundo espejo

concentrador (ilustracin 16).

Ilustracin 16 Concentracin puntual a gran escala con campo de helistatos: receptor central (izquierda, Barstow

One, California) y espejo convexo en un horno solar (derecha, Odeillo, Francia).

Principio de funcionamiento de un captador solar plano

Como hemos dicho, un captador solar plano es un tipo particular de intercambiador de calor que

transfiere la energa radiante del sol a un fluido, aumentando la temperatura y provocando una

variacin de su estado energtico. Como tambin hemos comentado, el captador funciona segn

los efectos selectivos de la cubierta y de la superficie absorbedora favorecidos por el hecho de que

los espectros de la radiacin solar y la radiacin trmica son disjuntos. Expliquemos un poco ms a

fondo este hecho.

La distribucin espectral de la energa para un cuerpo real sigue aproximadamente la distribucin

espectral de su homlogo ideal, el cuerpo negro. Ahora bien, para cada temperatura existe un

espectro especfico que desplaza su pico energtico hacia longitudes de onda cada vez ms

pequeas a medida que aumenta la temperatura. Si nos fijamos en la ilustracin 17, vemos como

un cuerpo a 400 K emitir energa con el pico en torno a los 8 m (radiacin trmica), mientras

que un cuerpo a 6,000 K (radiacin solar) tendr este pico en torno a los 0.5 m (rango de la

radiacin visible).


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Ilustracin 17. Distribucin espectral normalizada de la radiacin del cuerpo negro a temperaturas diferentes.

A nivel porcentual tendremos lo que nos muestra la tabla 1:

Tipo de radiacin Temperatura de emisin(k)

Rango(m)

% de energa en el rangoconsiderado

Radiacin Solar 6,000 0.25-4.14 98%Radiacin trmica 300 5-80 98%

Tabla 1. Porcentaje de energa emitida en funcin de la longitud de onda.

Este hecho de tan poca consideracin aparente es fundamental para entender el funcionamiento

de los captadores. Fijmonos ahora en la ilustracin 18, la cual nos muestra el valor de la

transmitancia en funcin de la longitud de onda para un cristal de 6 mm de grosor con diferentes

contenidos de xidos. El caso con 0.5 % de Fe2O3 sera el de un cristal normal de ventana. Su

transmitancia tiene un pico a 0.3 m mientras que ms all disminuye rpidamente (y tiene acto

seguido un comportamiento poco regular). Es decir, para longitudes de onda pequeas, el cristal

es transparente a la radiacin y deja pasar las ondas de energa, mientras que para longitudes ms

all de 0.50.6 m es totalmente opaco a ellas, impidiendo su paso. El caso con 0.02 % de Fe2O3

sera el de un cristal utilizado en energa solar con menos contenido en xidos para hacerlo ms

transparente y alargar este comportamiento de alta transmitancia hasta 3 m ( = 0.9 - 1),

mientras que ms all cae rpidamente. Es decir, para longitudes de onda entre 0 y 3 m, este tipo

de cristal es transparente a la radiacin y deja pasar las ondas, mientras que para longitudes ms

all de 3 m es totalmente opaco a ellas, no las transmite y las tiene que reflejar.

2

2 Ntese cmo nuestro rango de visin va de 0.4 a 0.7 m; por este motivo para los humanos, un cristal es

transparente porque nuestros ojos ven en el rango de alta transmitancia del mismo.


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Ilustracin 18. Transmitancia de un cristal de 6 mm de grosor con diferentes contenidos de xido.

Situmonos ahora en un captador: la cubierta de cristal (o en general cualquier superficie

transparente que acte como cubierta) deja pasar la radiacin solar (ya que el 98 % de su energa

queda entre 0.25 y 4.14 m) para que caliente la superficie captadora de su interior. Esta

superficie captadora llega a altas temperaturas que quedan siempre por debajo de los 100 - 150

C. La radiacin emitida a esta temperatura es de naturaleza trmica y el cristal, en este caso, no

puede dejar salir esta radiacin porque su transmitancia para estas longitudes de onda, es casi

nula. El ambiente entre cubierta y superficie aumenta as de temperatura y favorece la captacin

energtica y la eficiencia.

En el mbito terrestre, el comportamiento del cristal es imitado por las molculas de CO 2,

especialmente por tratarse de un gas de origen antropognico, de H 2O, CH4, etc., de la atmsfera

en lo que se conoce por efecto invernadero. Estos componentes atmosfricos tienen las bandas de

absorcin desplazadas mayoritariamente alrededor de la banda trmica, hecho que implica

transparencia para la energa del sol y opacidad para la energa trmica evacuada desde la Tierra.

El resultado es, as, un aumento de temperatura global del planeta a medida que la concentracin

de estas sustancias aumenta en la atmosfera.

Ecuacin fundamental de un captador solar plano

As pues, la radiacin solar incidente debe ser absorbida y a la vez retenida. Es decir, por una parte

hay que observar cules sern las prdidas pticas y, por otra, cules sern las prdidas trmicas.

En rgimen no transitorio, permanente, el funcionamiento de un captador solar viene descrito

mediante un balance energtico que nos indica la parte de la energa incidente que se transforma


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en energa til, en prdidas trmicas y en prdidas pticas. La ilustracin 19 nos muestra los flujos

energticos en un captador plano: de los 1,000 W/m2 que nos pueden llegar como radiacin

incidente, slo aprovechamos finalmente a travs del sistema primario un 60 %.

Ilustracin 19. Flujos energticos en un captador plano.

Las prdidas pticas tienen en cuenta la radiacin solar que ya no es transmitida por el

cristal (a causa de la reflexin y la absorcin por parte del mismo cristal), y la que no es

absorbida por la superficie captadora (a causa de su reflexin). Es decir

Ecuacin 1. Prdidas pticas.

donde Is es la radiacin solar instantnea incidente sobre la superficie de captacin, Ac es el rea

de captacin, es la transmisividad del cristal y es la absortividad de la superficie absorbedora.

Las prdidas trmicas evalan la cantidad de energa que cedemos al medio ambiente a

causa de las prdidas por conveccin y radiacin:

1.

Las prdidas debidas a la conveccin vienen dadas por la ley de Newton de la

conveccin como:


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Ecuacin 2. Prdidas por conveccin.

donde U es el coeficiente global de intercambio por conveccin, A pel rea de absorbedor o de

placa (que coincide con Ac en el caso de un captador plano pero no en el caso de un

concentrador), Tala temperatura ambiente y Tmla temperatura media de placa.

2. Las prdidas debidas a la radiacin vienen dadas por la ley de Steffan-Boltzmann:

Ecuacin 3. Prdidas por radiacin.

donde es la emisividad de la placa captadora, la constante de Steffan-Boltzmann y el resto de

variables son ya conocidas.

La combinacin de las ecuaciones 2 y 3 nos lleva, despus de un cierto tratamiento matemtico, a

una ecuacin final en funcin de la diferencia de temperaturas y un coeficiente global de prdidas

U que engloba tanto las prdidas por conveccin como por radiacin3:

Ecuacin 4. Prdidas trmicas.

As pues, el calor utilizable por el captador ser la energa incidente menos las prdidas:

[ ]

Ecuacin 5. Calor utilizable por el captador solar plano.

donde todo es conocido si recordamos que C es la razn de concentracin definida anteriormente

como relacin entre la abertura (o rea de captacin) y el rea de absorbedor o de placa (= A c/Ap),

que para el caso de captadores planos vale siempre aproximadamente 1, pero no en el caso de los

concentradores.

La ecuacin 5 tiene el pequeo inconveniente de ser funcin de la temperatura media de placa Tm

,

variable normalmente desconocida y difcil de calcular. Por ello, esta ecuacin se suele

proporcionar en funcin de una variable ms manejable y fcil de medir como es la temperatura

de entrada del fluido al captador Te. La realizacin de este cambio de variable transforma la

ecuacin 5 en la 6, e introduce un factor FR llamado factor de calor extrado (collector heat

3 Para todos aquellos interesados en el proceso de obtencin en detalle del coeficiente global de prdidasUL, ver Duffie y Beckman.


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removal factor) que nos evala la eficacia del intercambio energtico entre la placa y el fluido al

cambiar Tmpor Te.

[ ]

Ecuacin 6. Calor til en funcin de temperatura de entrada.

La cantidad FRes equivalente al concepto de la efectividad de un intercambiador convencional,

que se define como el cociente entre la cantidad real de energa intercambiada y la cantidad

mxima posible intercambiable. La mxima cantidad posible de energa absorbida en un captador

solar se da cuando todo el captador est a la temperatura de entrada del fluido: las prdidas

trmicas hacia el exterior quedan entonces con su valor mnimo. La funcin del factor FRes reducir

la obtencin de energa til calculada, respecto a la que resultara si todo el captador estuviera a la

temperatura de entrada del fluido. Esta reduccin se debe al hecho de que la temperatura del

fluido se va incrementando a medida que circula por el captador y, como consecuencia, tambin lo

hacen las prdidas.

Los productos FR() y FRUL caracterizan el comportamiento energtico de un captador solar. Son

datos que utilizaremos en los temas que siguen y veremos que se pueden obtener fcilmente a

partir de lo que se conoce como la recta de rendimiento del captador o bien a partir de la

modelizacin de las transferencias energticas existentes en el mismo. De su obtencin hablamos

en el apartado siguiente.

Recta de rendimiento de un captador solar plano

El comportamiento trmico de un captador solar se obtiene siguiendo procedimientos normativosfijados por los diferentes rganos nacionales o transnacionales de certificacin y estn reflejados

en normas y procedimientos como las normas europeas UNE-EN 12975-2:2006 y UNE-EN 12976-

2:2006. En general el procedimiento consiste en hacer funcionar el captador en un banco de

pruebas (ilustracin 20) bajo condiciones estacionarias, es decir, manteniendo prcticamente

constantes la radiacin solar (normal al plano del captador), la velocidad del viento, la

temperatura ambiente y la temperatura de entrada del fluido en el captador as como su caudal,

durante un periodo de tiempo en que la temperatura de salida del fluido y el calor til extrado no

varen apreciablemente.


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Ilustracin 20. Ejemplos de bucles cerrado (izquierda) y abierto (derecha) de ensayos para la obtencin delcomportamiento trmico (esto es, el rendimiento instantneo) de un captador de lquido.

El comportamiento trmico de un captador plano (con C 1) se establece a partir de su

rendimiento instantneo, definido como la razn entre la energa til absorbida por el captador y

la disponible, esto es el producto IsAc. Se puede determinar tanto a partir de la ecuacin 6 como a

partir del salto entlpico que sufre el fluido a su paso por el captador en el banco de ensayos,

mediante la ecuacin 7 como:

Ecuacin 7. Recta de rendimiento de un captador solar plano.

donde es el caudal msico de fluido (agua o aire) circulante por el captador, C p es lacapacidad calorfica y es el salto trmico del fluido entre la entrada y la salida delcaptador. Suponiendo constante UL, la ltima igualdad de la ecuacin 7 nos permite representar

este rendimiento en la ilustracin 21 como una recta de variable independiente

,


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pendiente -FRUL y ordenada en el origen FR4. La figura muestra la recta de rendimiento

instantneo para un

captador plano tpico, con el punto de estancamiento o punto de rendimientonulo, cuando no hay circulacin de fluido y se llega a la mxima temperatura llamada temperaturade estancamiento. Esta temperatura es funcin de la intensidad de la radiacin y de latemperatura ambiente y puede ir desde los 70 C hasta los 190 C para condiciones extremas declimas secos (1,200 W/m2 y 40 C de temperatura ambiente). En consecuencia, los captadores, ypor ende los sistemas solares que los incluyen, deben ser construidos con el fin de aguantar estascondiciones de trabajo extremas el nmero de veces necesario.

Ilustracin 21. Curva de rendimiento instantneo para un captador plano tpico.

La ilustracin 22 nos muestra el comportamiento de diferentes tipos de captadores. La recta de

rendimiento D correspondera a un captador de una sola cubierta y superficie no selectiva

(coincidente con la de la ilustracin 21). El captador sin cubierta F (para piscinas) es til slo para

los casos en que se quieran alcanzar temperaturas pocos grados por encima de la de ambiente

(normalmente cerca de los 30 C). El comportamiento relativamente pobre del captador de aire E

se debe principalmente al bajo valor de FR. Una segunda cubierta y/o una superficie captadora

selectiva (C y B) mejoran claramente el rendimiento. Ms all de los 100 C de temperatura, los

captadores de tubos de vaco (A) tienen el mejor comportamiento.

4 La dependencia de ULy FRcon la temperatura es, efectivamente, cuadrtica. El rendimiento es, realmente,

una curva ms que una recta. De todas formas, a efectos de estimacin del comportamiento a largo plazo delos sistemas foto trmicos, este efecto de segundo orden se puede despreciar.


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Ilustracin 22. Curvas de rendimiento instantneo para diferentes tipos de captador plano.

Vemos ahora como los productos FR() y FRUL describen el funcionamiento del captador: FR()nos indica cmo se absorbe la energa mientras que FRULnos indica cmo se pierde. Estos dosparmetros constituyen el modelo de captador ms simple y prctico con el que podemostrabajar, aunque a veces se aade un tercer parmetro que describe los efectos del ngulo deincidencia de la radiacin sobre el producto ta. Lo veremos en el apartado siguiente.

Muchas veces la recta de rendimiento del captador se representa en funcin de la temperaturamedia de placa Tm o de la temperatura de salida del fluido Ts, y la temperatura ambiente. Sonrepresentaciones muy similares a la del rendimiento del captador en funcin de la temperatura deentrada del fluido Ts, pero dan una interpretacin diferente a la pendiente y a la ordenada en elorigen. Dado que el mtodo de clculo que presentamos en esta parte del mdulo (ver tema B)exige utilizar la recta de rendimiento del captador en funcin de la temperatura de entrada delfluido, debemos realizar este cambio de variable antes de seguir adelante. Si conocemos el caudalde fluido circulante por el captador, podemos determinar los nuevos valores de -FRUL y FR()corregidos por un factor K definido como:

( )

Ecuacin 8.

(

)Ecuacin 9.


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Donde es el caudal msico de fluido que circula por el captador por unidad de superficiecaptadora (kg/sm2). As, los valores corregidos de FRULy FR() se obtendrn utilizando este factorcorrector K como:

(FRUL)corregido= -K(FRUL)original

[FR()]corregido=K[FR()]original

Efecto de la inclinacin sobre el producto

El ensayo de captadores planos se realiza con radiacin incidente normal a la superficie decaptacin, de manera que el producto obtenido en el ensayo y proporcionado en la informacin

comercial o tcnica del captador corresponde a los valores del producto en incidencia normal ().

Ahora bien, tanto la transmitancia de la superficie transparente como la absortancia de la

superficie absorbedora dependen del ngulo de incidencia , con el cual la radiacin solar incidesobre el sistema de captacin, y del nmero de cubiertas que existan en el mismo, como muestra

la ilustracin 23.

Ilustracin 23. Curvas de valores tpicos para el cociente ()/(n) para captadores de 1 a 4 cubiertas en funcin delngulo de incidencia .

Al depender del ngulo de incidencia , el producto () variar en funcin de la inclinacin del

captador, del momento del da y del perodo del ao. Podramos efectuar un clculo horario del


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valor efectivo del producto (), repetirlo hora a hora cada da durante un mes y realizar la media

para obtener un valor mensual, pero puede ser un trabajo demasiado tedioso. Podemos

encontrar, sin embargo, una manera un poco ms sencilla de calcular el producto medio mensual

, definiendo primero como la razn entre la radiacin solar absorbida en funcin delngulo de incidencia y la radiacin incidente en superficie inclinada sin tener en cuenta este

efecto .

Ecuacin 10.

Ilustracin 24. Angulo de incidencia efectivo en media mensual para la radiacin directa y para superficies orientadasal ecuador en el hemisferio norte. Para el hemisferio sur, intercambiar el signo de las desigualdades.


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Dividiendo la ecuacin anterior por ()n

Ecuacin 11.

Se puede rescribir la ecuacin 11 tomando en cuenta el efecto del producto sobre cada unode los componentes de la radiacin:

(

)

(

)

se obtiene de la ilustracin 23 pero utilizando ahora el valor del ngulo de incidencia efectivo

en media mensual funcin de la latitud, la inclinacin y el mes (suponiendo un valor de acimutcde 0)

5obtenido de la ilustracin 24. Para captadores orientados al sur, Klein (1976) encontr

que se puede aproximar por evaluando el ngulo de incidencia dado a 2.5 horas delmedioda solar del da significativo del mes. y

se obtienen segn los ngulos efectivos de incidencia de la ilustracin 25 para un valor

de la inclinacin determinado. Estos trminos de radiacin difusa y reflejada son funcin de la

cubierta, la superficie absorbedora y el ngulo de inclinacin y, por lo tanto, no varan con el

tiempo para captadores montados con una inclinacin anual fija. Los valores horarios y

mensuales son, en consecuencia, los mismos y se pueden escribir barrados o no (es decir, con

valores por trmino medio o no).

5 Para valores de en superficies con acimut desviado respecto del meridiano norte sur de referencia,

consultar bibliografa especializada (como en Duffie).


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Ilustracin 25. ngulo de incidencia efectivo para las radiaciones difusa y reflejada del suelo, consideradas istropaspara superficies inclinadas.

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