La energía solar térmica de baja temperatura consiste en el aprovechamiento de la radiación proveniente del sol para el calentamiento de un fluido a temperaturas normalmente inferiores a 80°C. Esto se lleva a cabo con los llamados calentadores solares que se aprovechan de las cualidades de absorción de la radiación y transmisión de calor de algunos materiales, y del efecto invernadero que se produce cuando otro material (por ejemplo el vidrio) es transparente a la radiación de onda corta del sol y opaco a la radiación de onda larga que emiten los cuerpos que están calientes.
Generalmente un sistema de energía solar térmica está constituido por varios subsistemas, que a su vez pueden considerarse como sistemas interdependientes conectados entre sí.
Sin embargo, hay ocasiones en que un mismo elemento físicamente independiente realiza varias funciones dentro del sistema solar. Estos distintos subsistemas son:a) El sistema de captación de energía solar: Los paneles o calentadores solares propiamente.
b) El sistema de acumulación: Un depósito para acumular el agua caliente generada.
c) El sistema hidráulico: Bombas y tuberías por donde circula el fluido de trabajo.
d) El sistema de intercambio: En caso de que el fluido que circula por los paneles solares no sea el mismo que el que utiliza el usuario en su aprovechamiento; por ejemplo cuando existe riesgo de heladas o el fluido del usuario puede dañar la instalación solar.
e) El sistema de control: Es el sistema que controla en sí la puesta en marcha de las bombas, y por supuesto el encendido o apagado de la fuente de emisión de calor por radiación.
f) El sistema de energía auxiliar.- Hay ocasiones que la viabilidad económica de la instalación solar exige que no se pueda satisfacer la demanda energética en todo momento, máxime cuando la energía producida por la instalación depende de las condiciones climatológicas, es por esto que en ocasiones se dispone en la misma instalación de un sistema de producción de energía auxiliar.
Dentro de los subsistemas descritos, la unidad principal para del colector solar es la unidad de captación. La unidad de captación está constituida por :
• Elemento transparente a la radiación solar y opaco a la radiación de onda larga que emite el absorbedor (material selectivo transmisivo), produciendo así el efecto invernadero en el interior del captador que aumentará considerablemente el rendimiento del mismo. La cubierta también sirve para reducir las pérdidas por conducción y convección. Algunos captadores llevan varias cubiertas transparentes que reducen aún más las pérdidas pero aumentan considerablemente el coste del equipo. Sin embargo en sistemas para piscinas o que requieren un salto térmico pequeño, se prescinde de la cubierta (además de otros elementos como la carcasa o el aislamiento posterior) para abaratar los costes de la instalación.
• Absorbedor.- Es el elemento donde se produce la transformación de la energía que llega por radiación en energía térmica que absorbe el fluido portador de calor. Generalmente está constituido por unos tubos o dos placas conformadas de metal o un material plástico que se encuentran expuestos a la radiación solar y por cuyo interior pasa el fluido de trabajo. Atendiendo al tipo de tratamiento, los absorbedores pueden ser presentados con pinturas negras especiales o con tratamiento selectivo absorbente (alta absorbencia en longitudes de onda corta y baja emisividad en longitudes de onda larga).
• Aislamiento.- Para reducir las pérdidas térmicas del captador es conveniente aislar las zonas no expuestas la mayor parte del día a la radiación solar, estas son los laterales y la parte posterior del captador solar. Un buen aislamiento térmico en esta zonas contribuye a disminuir el factor de pérdidas térmicas del captador aumentando consiguientemente su rendimiento.
• Junta de cubierta.- Es un elemento de material elástico cuya función es asegurar la estanqueidad de la unión entre cubierta y carcasa. Servirá a su vez para absorber las diferencias en las dilataciones entre la carcasa y la cubierta, para que no se produzca rotura en ningún elemento del captador.
• Carcasa.- Es el elemento que sirve para conformar el captador, fijando la cubierta. Contiene y protege a los restantes componentes del captador y soporta los anclajes. Habrá que prestar especial atención a los temas de corrosión y deterioro debido a la radiación solar.
Las ecuaciones que controlan el proceso son las siguientes:
Radiación
La intensidad (energía por unidad de área y unidad de tiempo) a una determinada longitud de onda de un cuerpo negro es directamente proporcional a la temperatura absoluta T elevada a la cuarta potencia.
La cantidad de energía radiante emitida desde su superficie (Qr), está dada por la ecuación:
Qr = σ A T^4 = A Eb
en la que:
Eb es el poder emisivo del radiador
Qr es el calor radiante en W,
T es la temperatura de la superficie en °K,
σ es la constante dimensional de Stefan-Boltzman, en unidades SI.
La ecuación de Stefan-Boltzman dice que toda superficie negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Aunque la emisión es independiente de las condiciones de los alrededores, la evaluación de una transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio.
Si un cuerpo negro a T1 (ºK) irradia calor a un recinto que le rodea completamente y cuya superficie es también negra a T2 (ºK), es decir, absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la transferencia de energía radiante viene dada por:
Si los dos cuerpos negros tienen entre sí una determinada relación geométrica, que se determina mediante un factor de forma F, el calor radiante transferido entre ellos es:
Los cuerpos reales no cumplen las especificaciones de un radiador ideal, sino que emiten radiación con un ritmo inferior al de los cuerpos negros.
Los cuerpos grises son aquellos que a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten una fracción constante de la energía que emitirían considerados como cuerpo negro para cada longitud de onda.
Convección
La velocidad de transferencia de calor por convección viene dada por la ley de enfriamiento de Newton:
Q = h A ( Ts - Tb)
h = Coeficiente de transferencia de calor, (W/m2 ºC).
A = Área de transferencia de calor, definida normal a la dirección de flujo (m2).
Tb,Ts = Temperaturas de la superficie y el fluido respectivamente (ºC).
La ecuación de Newton es aplicable cuando h es constante, o cuando represente un valor promedio en toda la superficie de transferencia de calor.
Además, puede expresarse en términos de una resistencia a la transferencia de calor.
Conducción
La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos.
Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas.
La transferencia de calor también obedece a esta ecuación básica y se expresa como "Ley de Fourier para la conducción de calor", cuya expresión matemática es:
Q = - k(T) A(x) [ dT/dx ]
Donde:
Q = velocidad de transferencia de calor en la dirección x ó flujo de calor, en W, kcal/h, BTU/h, etc.
k(T) = constante de proporcionalidad denominada conductividad térmica en (W/m°K) en sistema SI.
A(x) = área de transferencia de calor, definida perpendicular al flujo de calor en m2.
T = temperatura en °K.
(dT/dx) = variación de temperatura en función de la distancia.
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