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IER
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe
31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México

Principios de la termoconversión solar, dispositivos y
sistemas de baja y mediana temperatura
Isaac Pilatowsky Figueroa
Roberto Best y Brown
ipf@cie.unam.mx, rbb@ier.unam.ma
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas
Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México
La conversión fototérmica y los
dispositivos conversores de baja
temperatura

2
La 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
¿ Que es la energía solar ?
El sol es un enorme reactor nuclear, en donde
se convierte el hidrógeno en helio a una velocidad
de 4 millones de toneladas por segundo, radiando
energía y partículas a una temperatura superficial
de cerca de 6000 ºC.
La tierra recibe del sol anualmente alrededor de 5.4
x 1024 J, lo que representa unas 4,500 veces el
consumo mundial de energía.
Energía Solar un recurso “inagotable”
,
La energía solar
recibida cada 10
días sobre la Tierra
equivale a
TODAS las
reservas conocidas
de petróleo, carbón
y gas.

El 70% de la
población del
planeta vive dentro
de la denominada
“Franja Solar”.

40 N

35 S

www.cie.unam.mx
¿Porque la energía solar ?

¿Porque la energía solar ?
¿Porque la energía solar ?
• Seguridad energética
• Crecimiento económico
• Sustentabilidad
• Impacto ambiental
Parte I

La conversión termosolar

4
E = hν

Cuerpo absorbedor
Principio de un termoconversor
solar
Sistemas de calentamiento solar
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.
Componentes de un captador solar
sin concentración óptica
(Radiación solar)

Cubierta transparente
(aire)

(Radiación infrarroja)

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).
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
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
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.
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.
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
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
Parte II
Captador solar plano

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
Balance de energía en el captador solar
Balance térmico en un captador solar plano

QABS = QU + QP + QAL
QU
QAL

QP
Rendimiento térmico
• Rendimiento instantáneo
QU
η=
I T AC

• Rendimiento promedio sobre un período de
tiempo
t

∫ Q dt
η=
∫ I A dt
U

0

t

0

T

C
Rendimiento óptico y pérdidas térmicas
totales
Rendimiento óptico

η OP

QABS
=
I T AC

η OP = τ CTα A
Pérdidas térmicas totales

QP = ACU C ( TC − Ta )
20
Calor útil y eficiencia
QU = ACU f ( TC − Tf )

dQAL
=0
dt

IT ACτ CTα A = QU + ACUC (TC − Ta )
 UC 
I T ACτ CTα A = QU  1 +
 U  + ACU C ( Tf − Ta )


f 

 UC 
F '=  1 +
 U 


f 



UC
QU = I T AC F ' τ CTα A −
( Tf − Ta )
IT





UC
η = F ' τ CTα A −
( Tf − Ta )
IT



−1
−1
Eficiencia de conversión
mCp ( Tf , e − Tf ,i )
qu
=
AC
AC
 1 − e− X
FR = F ′
 X


X

=

U

L

mC






F ′A
p

 T f ,e − Ta ) 

I



η = FR (τα ) e − FRU L 

mC p (T f ,e − T f ,s )
η=
AC I

Si la eficiencia η, 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 (τα). FR
UL no es constante en
realidad, sino es una
función débil de la
temperatura de operación
del termocolector, además
FR (τα) varía con el
ángulo de incidencia de la
radiación solar
Eficiencia térmica
Absortancia-trasmitancia
Q ABS = I T ACτ CT α A cos θ i
(τα ) D = τα (θ I ) + τα d ρ d [1 − α (θ i )] + τα d ρ d [1 − α (θ i )](1 − α d )
2



τα (θ i )
α d 
=
1 − ρ d 1 −

1 − ρ d (1 − α d ) 
 α (θ i )  



τ dα d
(τα ) d =
1 − ρ d (1 − α d )

Las propiedades ópticas τCT y αA dependen
del ángulo de incidencia, el producto (τα)
decrece rápidamente cuando el ángulo de
incidencia θi es superior a 60º en función de la
disminución de τCT , 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 ( τα) por el
producto (τα)D
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:

n seni
=
n' seni '

L'
L=
cos i '

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
− KL  1 − r 
de la superficie, la cual
τ=e 

depende del índice de
 1+ r
refracción del material
25
Refracción y reflexión
Coeficiente de reflexión
1  sen2 (θ2 − θ1 ) tan2 (θ2 − θ1 )
+ 2
ρ=  2
2  sen (θ2 + θ1 ) tan (θ2 + θ1 )


Incidencia normal

θ1
Medio 1
Medio 2

θ2
n1sen θ1 = n2sen θ2

 n − n2 
ρ =  1
n1 + n 2 



2

Si el medio es el aire (n≈ 1)
y Suponiendo que n2 = n

 n − 1
ρ=
 n + 1


2
Efecto de múltiples reflexiones sobre
el factor de trasmisión de una cubierta
transparente
1
ρ

(1-ρ)2

(1-ρ)2ρ

(1-ρ)2ρ2

(1-ρ)2ρ3

(1-ρ)2ρ4
Trasmitancia de cubiertas
Sí i e i’ son los ángulos incidente y refractado, respectivamente,
entonces el índice de refracción queda determinado con la
relación:
sen i
n' =
sen i '

a incidencia normal

 n'−1
r0 = 

 n'+1

2

1  sen 2 (i + i ' ) tan 2 (i + i ' ) 
+
para otros ángulos de incidencia r =  2

2  sen (i + i′ ) tan 2 (i + i ' ) 

Para calcular la trasmitancia de un
sistema formado por n cubiertas, las
cuales tienen el mismo índice de
refracción

τ 1,2 ,...n = e

− ( K1 L1 + K 2 L 2 + ...K n Ln )


(1 − r) 


(1 + ( 2n − 1)r) 



Trasmitancia de cubiertas
Para dos cubiertas: τ12 = 1.006 τ1τ2
Para tres cubiertas:τ123 = 1.018 τ1τ2τ3
Para cuatro cubiertas: τ1234 = 1.035 τ1τ2τ3τ4
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 αCT como el coeficiente de absorción de la cubierta, el factor (τα)
se debe reemplazar por:

(τα ) eff

U CVa
= (τα ) + α V
UVa

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%.
Transmitancia óptica del vidrio en función del
espesor y del ángulo de incidencia de la radiación
solar.
_________________________________________________________________

Espesor
(mm)

Transmitancia
en %

0º

50

300

450

600

750

3

86

86

86

84

77

54

4

85

84.5

84

82

75

54

5

83

83

82.5

80

73.5

51

6

81.5

81

81

78.5

72

50
30
Absortancia de cubiertas
Para una cubierta
Para dos cubiertas
Para tres cubiertas
Para cuatro cubiertas

FABS = 1.002 τ1 α
FABS = 1.012 τ1 τ2 α
FABS = 1.025 τ1 τ2 τ3 α
FABS = 1.050 τ1 τ 2τ 3 τ 4 α

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 ( τα )ef , el cual se
puede calcular como:

(τα ) ef = FABS + a1 (1 − e− K1 L1 ) + a2 (1 − e− K2 L2 ) + a3 (1 − e− K3 L3 ) + a4 (1 − e− K4 L4 )
Los cálculos efectuados son considerando una incidencia normal de la radiación,
siendo necesario obtener correlaciones para otros ángulos de incidencia.
Coeficientes para el cálculo del producto efectivo (τα)eff
No. De Cubiertas

Coeficiente

1

a1

0.23

0.14

2

a1

0.17

0.10

a2

0.63

0.44

a1

0.13

0.08

a2

0.47

0.35

a3

0.76

0.58

a1

0.11

0.07

a2

0.39

0.30

a3

0.62

0.50

a4

0.83

0.67

3

4

Emisividad
cuerpo negro
(0.95)

Emisividad
cuerpo
selectivo ( 0.2)
Factor de ensuciamiento y 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.
Efecto de múltiples reflexiones absorbedorcubierta
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
Cubierta transparente
coeficiente de reflexión ρc.
Una cantidad de energía
igual a (1-αp*)ρc* va a
alcanzar la superficie
1
absorbente que almacenará la
cantidad; (1-αp*)ρc*αp*

Absorbedor

α∗
p
αe =
1 − (1 − α ∗ )ρ c
p

α*
(1-αp*)ρc*αp*

(1-αp*)2ρc*2 αp*
Energía neta absorbida, Q’ABS
La cantidad neta absorbida Q’ABS se puede calcular a partir de la
siguiente relación:
Q ' ABS = [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I D + [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i =500 I d
I
(τα )ef (1 − E )(1 − S )i =500 I d 
= [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I  D +
+ 
(τα )ef (1 − E )(1 − S ) I
I 
I

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:

Q ' ABS = 0.98[(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i I = fI
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.
Energía neta absorbida, Q’ABS
con (1-E) = 0.98 y (1-S)I=0

[

Q' ABS = 0.93 (τα ) ef i = 0

 (τα ) ef   (1 − S )i 


 I = fI
(τα ) ef i = 0   (1 − S )¡= 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::

[

]

Q ' ABS = 0.85 (τα ) ef i = 0 I = fI
Temperaturas de los componentes de un termoconversor
que intervienen en el rendimiento térmico
cielo

TC

aire

Ta

cubierta
aire
absorbedor
aislamiento
aire

Tc
a
b

Ta
TA
Tais
Ta
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.
radiativas

Pérdidas de calor
en un
termoconversor

convectivas
conductivas

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:

dq = − kgradTndS

q = − kSdT / dx

Donde k es la conductividad térmica del material (en W/Mk) y n es el
vector unitario llevado por la normal a dS
Conducción
T1

T2

a
a

T4

T3

b

b

c
c

0

x1

x2

x3

ka S
kb S
(T1 − T2 ) = (T2 − T3 ) =
q=
La
Lb

x

x4

kc S
Lc

 L
L
L 
T1 − T4 = q a + b + c 
k S k S k S
b
c 
 a

(T3 − T4 )
Analogía eléctrica
R = Ra + Rb + Rc
q = δT / R

1
1
1
1
=
+
+
R Ra Rb Rc

q = USδT

Coeficiente global de transferencia de calor por conducción

1
k
U=
=
SR L
Ecuación general de conducción

δT
ρc
= P + div (kgradT )
δt
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)
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:

d q c = hc (Ts − T f )dS

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
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:

qc = Sh (TS − T f )
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:

1
Rc =
hc S
45
Números adimensionales
Reynolds
El número de Reynolds Re esta definido por:

ρv L
Re =
µ
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:

2ab
DH =
(a + b )
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.

ρv 2
Re =
µv / L
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
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:

hc L
Nu =
kf
Donde kf es la conductividad térmica del fluido. Para Nu = 1 la
transferencia se hace sólo por conducción.
Números adimensionales
Prandtl
Este número relaciona la difusividad mecánica del
fluido, definida por:

νm = µ / ρ
Pr =

νm
a

=

µc p
kf

a = k f / ρc p
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:

ρ 2 gβ (T1 − T2 )L3
Gr =
µ2
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 (α ρv2 ) por una densidad de energía
ligada al impulso de Arquímedes ( α ρβ(T1-T2) al cuadrado de la densidad
energética ligada a la viscosidad (α µv/L)
50
Números adimensionales
Rayleigh
Este número interviene frecuentemente y es el producto del
número de Grashof y del número de Prandtl

Ra = Gr Pr
Convección natural
• Convección natural entre dos planos paralelos a temperaturas T1 y T2.
Cuando la inclinación s de los planos sobre la horizontal es inferior a 75º:
0


1708   (sen1.8s ) 1708   Ra cos s 
1 −
 1 −
N u = 1 + 1.44

 + 
Ra cos s  
Ra cos s
5830 


 

1.6

1/ 3


− 1



0

Donde el exponente 0 significa que el término entre paréntesis debe de
tomarse igual a cero si el es negativo. Para las inclinaciones 75º < s < 90º

[

N u = max 1;0.288( AsensRa ) ;0.039(sensRa )
1/ 4

1/ 3

]

Donde A es la relación entre la separación L de los dos planos y la longitud
del lado inclinado. En estas ecuaciones las propiedades del fluido se calculan
para una temperatura promedio
Convección natural
• Convección natural sobre una placa plana
Para una placa plana de longitud L llevada a una temperatura Tp e inclinada
un ángulo s sobre a horizontal, a la presión atmosférica:

 (Tp − Ta )sens 
hc = 1.42

L



1/ 4

Donde Ta es la temperatura de la atmosfera . Esta relación es válida si 10 4< Gr
< 109 Si Gr > 109 se debe reemplazar por:

[

hc = 0.95 (Tp − Ta )sens

]

1/ 3

Convección natural en un cilindro horizontal

Nu = 0.53(Gr Pr )

1/ 4

Para un cilindro vertical se puede aplicar la ecuación para superficies planas
Convección natural en una esfera

N u = 2 + 0.45(Gr Pr )

1/ 4
Convección forzada
• Flujo laminar en conductos. Siendo un conducto de diámetro hidráulico Dh
y una longitud L. Cuando RePrDh/L > 10, se obtiene:
Dh   µ m 


N u = 1.86 Re Pr
 
L   µp 



1/ 3

0.14

Con µm y µp las viscosidades d a la temperatura media del fluido y a la
temperatura de la pared. Para conductos cortos, cuando RePrDh/L > 100, se
tiene:


N u = Re Pr

Dh
1
Log 
− 0.167
4L
(Re Pr Dh / L )− 0.5 
1 − 2.654 Pr


En las aplicaciones solares, la velocidad de desplazamiento del fluido puede
ser suficientemente baja para que la convección natural sea significativa, lo que
se produce cuando L/D > 50 Y Gr/Re2 < 10. La ecuación propuesta es:
µ 
N u = 1.75 m 
µ 
 p

0.14

4/3
R P
 Gr1 / 3 Re Pr Dh  
 
 e r + 0.012
 

L
 L

 


1/ 2

Donde la diferencia de temperatura a introducir en el cálculo del número de
Grashof es entre la temperatura de las paredes y la temperatura promedio del
fluido
Convección forzada
Ecuaciones simplificadas
Aire a presión atmosférica en un conducto largo:

hc = 3.5

V 0.8
Dh

0.2

Para

300 < T< 380 K

• Aire a presión atmosférica entre dos placas distantes

hc = 2.6

V 0 .8
Dh

Para

300 < T< 380 K

0.2

• Agua en un conducto largo de diámetro D

hc

(0.02T − 4.06)V 0.8
= 1056

Para 278 < T< 378 K

D 0.2

55
Convección forzada
• Flujo laminar sobre una placa plana
Este caso tiene una importancia práctica ya que se trata de edificaciones y
de captadores solares expuestos al viento; la relación es:

hc = 5.7 + 3.8V
Este coeficiente así calculado tiene cuenta de la convección natural y
de las pérdidas por radiación y se propone de reemplazarlo por:

hc = 2.8 + 3.0V
• Flujo alrededor de un cilindro en donde el eje es perpendicular

N u = 0.46 Re
Cuando Re > 500

1/ 2

+ 0.00128Re
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
La cantidad total de calor perdida, se puede calcular por medio de una
expresión linearizada :

QP = U C AC (TC − Ta )
con esta relación se supone que la temperatura del absorbedor es
uniforme y UC representa el coeficiente global de pérdidas del colector.
Las pérdidas de calor hacia arriba a través de las cubiertas se lleva a
cabo entre la superficie absorbedora y la cubierta y de esta hacia el
ambiente, que es el caso mas general. En el caso de tener varias
cubiertas habría que considerar el intercambio térmico entre ellas y la
última con el ambiente. Como caso general se considera un colector
solar con una sola cubierta y un absorbedor aislado.
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Las pérdidas de calor entre la cubierta y el absorbedor se hacen por conducciónconvención y por radiación:

QC −V = AC hCC ( TC − TV ) + ACε CV σ S ( T

4

C

−T )
4
V

en donde TV es la temperatura del vidrio, hCC el coeficiente de
intercambio térmico por conducción-convección, εCV , la emisividad
colector vidrio, la cual se expresa por:

1

ε CV

=

1

εC

+

1

εV

−1

en donde εC y εV , representan respectivamente las emisividades del
colector y del vidrio. La ecuación anterior se puede escribir bajo la forma:

QC −V = AC ( hCCV + hRCV )( TC − TV )
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Con:

2

2

hRCV = σ S ε CV ( TC + TV )( TC + TV )

Sino se considera la energía absorbida en el vidrio, la energía transferida
del absorbedor hacia el vidrio y de este hacia el ambiente, se puede
expresar como:

QC −V − a = AC ( hCVa + hRVa )( TV − Ta )
donde hCVa es el coeficiente de pérdidas de calor por convección debidas
a la presencia del viento y hRVa , esta dado por:

hRVa = ε V σ S ( Tcielo + TV )( T

2

cielo

TV − Tcielo
+T )
TV − Ta
2
V
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Al cielo se le considera como un cuerpo negro radiando a la temperatura Tcielo
Tcielo = 0.0552 Tamb 1.5 (K)
Entonces, el coeficiente total de pérdidas del colector al vidrio es:

U CV = hCCV + hRCV
y, el coeficiente total de pérdidas del vidrio al ambiente es:

UVa = hCVa + hRVa
el coeficiente total de pérdidas del colector hacia el ambiente a través
de las cubiertas es:

1
U CVa

1
1
+
+
U CV UVa
60
Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes
por lo tanto la ecuación general del calor perdido del colector a través de
la cubierta de vidrio es:

QCVa = ACU CVa ( TC − Ta )
Como se puede observar TV no está implícita en esta relación, sin
embargo como se ha observado, que esta incluida tanto en los
coeficientes de transferencia de calor convectivos promedios, así como en
los coeficientes de transferencia de por radiación.
El coeficiente UCVa se calcula de manera iterativa. Conociendo TC , se
calcula TV , y se deduce en coeficiente global utilizando la ec. QCVa. Una
vez conocidas estas pérdidas, la ec. QCV o la ec. QC-V-a , da una nueva
estimación de TV , de donde se calcula un nuevo coeficiente UCVa y así
hasta que los valores de TV derivados de estas dos iteraciones sucesivas
sean muy próximos.
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes
Este método iterativo puede resultar muy laborioso, pudiéndose utilizar un
cálculo alternativo ( Duffie y Beckman, 1980), en donde se cuenta con un
relación empírica debida a Klein, la cual permite calcular el coeficiente UCVa
, para un dominio de temperaturas en el colector entre 0 y 200 °C, con un
error estimado inferior a ± 0.3 W/m2 °C:
−1

U CVa





N
1 
σ S ( TC + Ta )( TC 2 + Ta 2 )

=
+
e
 +
2 N + f − 1 + 01333ε C
.
hCVa
C  TC − Ta 
(ε C + 0.00591NhCVa ) −1 +
−N
 


εV


 TC  N + f 


siendo N el número de cubiertas transparentes y con:,

f = (1 + 0.089 hCVa − 01166hCVa ε C )(1 + 0.07866 N )
.
Pérdidas de calor a través de las cubiertas
transparentes

• con

 100
e = 0.43 1 −

TC 


520(1 − 0.000051s2 )
c=
c( 70)

para 0° < s < 70°
para

s ≥ 700
Calculo de la eficiencia térmica de un captador
solar
Calculo del coeficiente global de pérdidas
• Cálculo del coeficiente de convección natural entre la placa y el vidrio.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre superficies

paralelas.
• Cálculo del coeficiente de convección entre el vidrio y el exterior.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre el vidrio y el
cielo.
• Cálculo del coeficiente de intercambio térmico por conducción.
• Cálculo del coeficiente global de pérdidas térmicas
Cálculo de la eficiencia óptica
Determinación de la irradiancia solar
Cálculo de la eficiencia térmica instantánea

η = ηop

(T
−U

p

− Ta )
I
Anatomía de un captador solar plano

Marco
1. Marco
SelloSello
2.
Cubierta transparente
3. Cubierta transparente
Marco lateral
4. Marco lateral
Aislamiento térmico
5. Aislamiento térmico
Superficie absorbedora
6. Superficie absorbedora
Ductos para para el fluido
7. Ductos el fluido
Fijación
8. Fijación
CajaCaja protectora
9. protectora

65
Áreas en un captador

área de absorción
área de abertura
área total
Configuraciones de captadores planos

Absorbedor sin cubierta

c
Captador estandar

Captador con convección limitada

Captador con aislamiento térmico
transparente

Captador al vacío con pilares

Captador para calentamiento de aire
Superficie absorbedora

A
A)

B

C

Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí.
B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o
conjunto de aletas.
C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.
Propiedades ópticas de algunos
recubrimientos selectivos.
Recubrimien
to selectivo

Absortividad
solar

Emisividad
infrarroja

Cromo negro Acero,. cobre

0-91 – 0.96

0.07 – 0.16

Cobre negro Acero,. cobre
Aluminio

0.81 – 0.93

0.11 – 0.17

Níquel negro Níquel, acero
Óxidos de
aluminio
aluminio

0.89 – 0.96
0.90 -

0.07 – 0.17
- 0.40

Oxidos de
fierro

Sustrato
metálico

acero

0.85 -
Propiedades ópticas de cubiertas transparentes
Material plástico

transmitancia

Temperatura
máxima, ºC

Resistencia a la
intemperie

policarbonatos

0.73 – 0.84

100 – 130

De pobre a
media

poliésteres

0.80 – 0.87

140

De media a
buena

polietilenos

0.90

50

pobre

Polivinil fluoruro

0.92 – 0.94

160

De buena a
excelente

Fibra de vidrio
reforzada

0.77 – 0.87

90

buena

acrílicos

0.80 – 0.90

70 - 135

De media a
buena
70
Captadores solares planos
Captador solar plano de plástico (Polipropileno)
para el Calentamiento de agua a bajas
temperaturas
Durabilidad y fiabilidad.
• Entrada de agua en el interior del captador
• Degradación del tratamiento del absorbedor.
• Corrosión de la superficie absorbedora.
•
•
•
•

Corrosión galvánica
Corrosión por picaduras
Corrosión por esfuerzos
Corrosión biológica

• Degradación y ruptura de la cubierta.
• Degradación de los aislamientos térmicos
• Degradación del material de las juntas.
Criterios de diseño del colector.
• Rígidez de la caja protectora y la sujeción del
•
•
•
•

absorbedor, de forma que se evite su deformación y
pérdida de estanqueidad por fatiga térmica
Diseño de la fijación de la cubierta que permita
absorber las dilataciones e impida la entrada de agua.
Un proceso industrial de aplicación del recubrimiento
de la superficie absorbedora que garantice su calidad
Selección del material de juntas de forma que se
asegure el cumplimiento de las normas de prueba de
estos materiales.
Control de calidad de las especificaciones del
aislamiento térmico utilizado.
Criterios de diseño del colector.
•

•
•
•

•

El material de la cubierta transparente en el caso del
vidrio sea normal o templado, el espesor de debe ser
inferior a 3mm y su trasmisividad mayor o igual a 0.8.
La distancia media entre la cubierta transparente y el
absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4
cm.
En ningún caso, el recubrimiento del absorbedor se debe
de aplicar sobre acero galvanizado.
La caja protectora del captador deberá contener un
orificio de ventilación de un diámetro superior a los 4
mm colocado en la parte inferior, para poder eliminar
las posibles acumulaciones de agua. El agua deberá
drenarse sin afectar al aislamiento térmico.
Se sugiere no utilizar más de una cubierta transparente
Parte III

Tecnologías para aumentar la
temperatura y la eficiencia
de conversión

75
Aumento de los aislamientos
térmicos
• Convectivos (cubiertas transparentes)
• Radiativos (recubrimientos selectivos
internos; en el absorbedor y en las cubiertas.
• Conductivos (aislamientos de mejor calidad
y aumento del espesor)
Aumento de aislamientos térmicos
Tecnologías para aumentar temperatura
y eficiencia
Disminución de las pérdidas convectivas

• Barreras anticonvectivas
• Disminución del contenido de aire interior
• Dispositivos concentradores
Barreras anticonvectivas
Si las cubiertas se cortan en una
cierta longitud y se colocan
perpendicularmente a la
superficie, resulta que en el caso
de cubiertas paralelas la radiación
reflejada sale de la superficie
absorbedora Cubierta exterior,
mientras que en el caso
perpendicular se dirigen hacia el
absorbedor y no se pierden. Por
otro lado, debido a que las
particiones se pueden hacer
bastante delgadas, las absorciones
en las particiones se pueden evitar
con el resultado neto que la
transmisión solar del aislamiento
convectivo puede ser bastante alta.

Radiación solar

Cubierta exterior

Superficie absorbedora
Barreras anticonvectivas
Considerando que están debidamente
diseñadas las particiones verticales,
estas pueden suprimir las corrientes
de convección natural. Si son de un
material opaco a la radiación de
longitud de onda larga, pueden
también substancialmente reducir
las pérdidas radiativas del
absorbedor. Si son transparentes, se
debe usar una superficie selectiva
en el absorbedor y las particiones
verticales se usarán solamente para
suprimir la convección. En un
principio la forma de las particiones
fue hexagonal, teniendo la forma de
un panal, por lo que originalmente
este tipo de captadores se le conoce
con el nombre de captadores
solares planos tipo panal, la figura
Barrera anticonvectivamuestra un
ejemplo de este tipo de captador
solar.

Cubierta
transparente

Barrera
anticonvectiva
absorbedor

Aislamiento

80
Parte IV
Captadores solares a vacío
Captadores solares al vacío
Un captador solar “al vacío” esta compuesto por una
serie de tubos transparentes por lo general de vidrio. En
cada uno de ellos hay un absorbedor que capta la energía
solar y un intercambiador para permitir la transferencia
de la energía térmica. A todos los tubos se les hace vacío
para disminuir en lo posible las pérdidas térmicas
convectivas de absorbedor, el cual contiene un tratamiento
selectivo para disminuir a su vez las pérdidas térmicas
radiativas (baja emisividad).
Transferencia de calor en función de la
presión
La presión requerida para lograr una capa estacionaria de
aire (presión reducida)

P=

0.29
Cosθ 1 / 2 (TA − Tc )1 / 2α 2 (1 + 2α )(100l )3 / 2

TA = Temperatura del absorbedor (K), Tc = Temperatura de la cubierta, α = 100/Tm
K, Tm = promedia aritmética de TA y Tc en K, l = distancia entre el absorbedor y la
cubierta . De la ecuación anterior, para un colector típico con l = 0.05 m, TA =
100ºC, Tc = 25ºC, θ = 45º, la presión requerida es, P = 0.0684 atm = 52 mmHg.
La dependencia de la conductividad térmica de la capa de aire con la presión, puede
cuantificarse a través del Número de Knudsen ( Kn):

Kn = L /l
En donde L es el camino libre medio de las moléculas, que para el caso
del aire se puede considerar como una buena aproximación la relación
siguiente:
T m  P0 
L = L0


T0  P 
L0 = 6.38 X 10-8m, T0 = 288 K, P0 = 1atm, P = Presión de operación,
en atm., K0 = conductividad térmica del aire a presión atmosférica. La
conductividad térmica del aire es independiente de la presión para
valores P ≥ 1 atm. Sin embargo, para valores de Kn ≥ 10, K es
proporcional a la presión y a la distancia (l) y se calcula por medio de la
relación siguiente:

K0
K =
L0

P
l
P
 0

 T0

 T
 m






1/ 2

De tal manera que en este régimen, el coeficiente de transferencia de
calor es:

K
hc =
l
85
El coeficiente global de pérdidas para un colector
evacuado
 1
1
1 

+
+
UL = 
h +h
h'cd h'r + h'cv 
cv
 r


−1

en donde:
hr =
hcv =
h’cd =
h’r =
h’cv =

coeficiente de radiación (absorbedor-cubierta).
coeficiente de convección (absorbedor-cubierta).
coeficiente de conducción en la cubierta transparente.
coeficiente de radiación (cubierta-ambiente).
coeficiente de convección (cubierta-ambiente).
Análisis comparativo
Colector plano
1 cubierta ε =0.95
hcv
hcd
hr
h’cv
h’r
UT
UB
UL

3.24
-----6.74
9.50
5.00
5.90
0.72
6.62

TA = 100ºC,

Colector plano
1 cubierta ε =0.1

Colector evacuado
ε =0.1, P=10-4 Torrs

3.24
-----0.58
9.50
5.00
3.02
0.72
3.74

Ta = 20ºC,

Tc = 25 0C

-----0.06
0.58
9.50
5.00
----------0.62

v = 1ms-1

h = w/ºcm2
Captadores solares al vacío
Normalmente la presión al
interior debe ser del orden de <
10-3 Pa, para eliminar la
transferencia de calor por
convección, por lo que debe
estar completamente hermético.
Con el objeto de controlar la
permanencia de este vacío,
algunos fabricantes colocan un
compuesto de bario, que
deposita una capa metalizada
sobre el interior del tubo
durante su fabricación. Esta
capa plateada de bario se
convierte en blanca en contacto
con el aire, sirviendo así como
testigo de la pérdida del vacío.
Clasificación
• Captador solar a vacío con circulación
directa.
• Captador solar a vacío con caloriducto
• Captador solar a vacío con efecto
"Termo"
• Captador solar a vacío tipo "Schott"
Captadores solares con tubos evacuados
• Una técnica para disminuir las pérdidas convectivas

consiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, en
este caso; a estos captadores solares se les conoce con el
nombre de; “captadores solares evacuados.
• El captador solar evacuado más conocido consiste en un
tubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca un
absorbedor solar de placa plana unido a un tubo en donde
circula el agua a calentar y que cuenta además con un
recubrimiento selectivo.
• Existen comercialmente dos tipos de colector solar
evacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidriometal.

90
Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio
El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio,
por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre si
y durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extrae
la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual
actúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interior
se deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentro
de este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solar
evacuado vidrio-vidrio.
Sección evacuada

Vidrio exterior

Agua caliente
Agua fría
Agua caliente
Vidrio exterior con recubrimiento absorbente
Tubo evacuado tipo vidrio-metal
El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de un
absorbedor metálico de placa plana con recubrimiento
selectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicato
unido al metal por medio de una junta de expansión para
amortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extrae
el aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente para
reducir al máximo las pérdidas de calor por convección
Tubo metálico para
transporte del agua

Aleta metálica absortiva

Junta de
expansión vidrio
metal
Agua caliente
Agua fría
Agua caliente

Envolvente de vidrio

Sección evacuada
El captador a vacío con circulación
directa
Esta técnica fue la primera en
desarrollarse hace más de 30 años,
con el objeto de mejorar la
eficiencia del captador plano
normal. La concepción del
absorbedor y los ductos de
circulación del fluido térmico son
como las del captador plano, con
la diferencia que las entradas y
salidas son estrechas para poderse
introducir al interior de un tubo de
vidrio, en cuyo interior el aire se
evacua, haciendo el vacío
necesario y cerrando
posteriormente de manera
hermética. Existen en versiones
vidrio-vidrio y metal-vidrio, en
donde la complejidad radica en la
formulación de los sellos vidrio/
metal.
El captador solar a vacío con caloriducto
•

La diferencia con un captador solar a
circulación directa es que el intercambio de
calor se lleva a cabo siguiendo un mecanismo
natural de evaporación y de condensación de
un fluido. Este dispositivo de intercambio
térmico se llama caloducto o caloriducto o
por su nombre en ingles: heat pipe. El
caloriducto esta en contacto con el
absorbedor y permite transferir el calor
captado fuera del tubo para calentar un
fluido en el captador. En todos los casos
existe una unión vidrio/metal hermética. Los
caloriductos deben estar inclinados para
permitir la termocirculación del fluido en el
caloriducto.

1. Captador aislado al interior de la envolvente de
protecció, 2. Condensador del caloriducto, 3.
Circulación del agua en el captador, 4. Tubo de acero
hermético, 5. Absorbedor , 6. Liquido descendiendo
7. Vapor subiendo, 8. Tubo de vidrio al vacío

90
Tubo evacuado con caloriducto
Calodiructos o heat pipes
Módulo de captadores solares del tipo tubos evacuados,
con intercambiador de calor de cambio de fase
(caloriductos)
Ficha técnica
Model

NSC-70-10 A NSC-70-15 A

NSC-70-20 A

Number of Tubes

10

15

20

Gross Area

2.27 m2

3.27 m2

4.26 m2

Absorber Area

1.04 m2

1.56 m2

2.08 m2

Weight

45 kg

60 kg

80 kg

Technical Data:
Max Working Pressure

6 bar

Max Stagnation Temperature

250℃

Absorber Coating

SS-ALN-CU (σ>0.96 ε<0.05 )

Long-term Vacuum

10-8 bar

Manifold Shell

Frosted Aluminum Alloy (Grey or Black painting)

Insulation

Rock Wool, 50mm thickness, 180kg/m3

Frame

Stainless Steel or Aluminum Alloy

Recommended Installation
Angle

15°~ 90°
El captador solar a vacío con efecto
"Termo"
En esta tecnología se aplica el principio de
una envolvente al vacío que se utiliza para
conservar bebidas calientes, conocida
como botella Termos. El tubo interior
funciona como absorbedor, ya que su
superficie es tratada para ser absorbente y
selectiva, emitiendo poca radiación en el
infrarrojo. El calor es trasmitido fuera de
la envolvente al vacío del tubo por la
circulación de un fluido en contacto el
absorbedor o por un caloriducto. A este
tipo de captador también se le conoce con
el nombre de “Sydney”, debido a que esta
técnica fue desarrollada por primera vez
en la Universidad de Sydney en Australia.
Actualmente es una tecnología china,
considerada como "Hi-Tech" , en Europa,
representando cerca del 65% del mercado
chino. Su fabricacion se ha simplificado,
ya que no hay soldaduras vidrio/metal. Sin
embargo, son frágiles en la parte de su
unión con el termotanque, en donde la
parte exterior e interior de cada tubo se
juntan.

Recubrimiento selectivo

Tubo exterior

Tubo interior

95
tecnología de colectores parabólicos
compuestos

COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC
NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR

vidrio

ABSORBEDOR
Absorbedor

CON CAMPANA

caja

CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA

aislamiento
Captadores solares al vacío con
concentración óptica
Conductor
del calor

• En algunos casos se
integra a este tipo de
capatadores los reflectores
del tipo de concentradores
parabólicos compuestos,
CPC, ya que como la
superficie del absorbedor
es cilíndrica cubre la
totalidad de la superficie
del tubo interior. Así la
cara al sol puede captar la
radiación directa y la parte
oculta la radiación por
reflexión.

Tubo al vacío
reflector

Superficie
selectiva
Tecnología de captadores solares con tubos evacuados
Estos equipos al trabajar al vacío Tubo al Vacío
tienen menos pérdidas térmicas
por convección

entrada

47 < T < 190 OC
Absorbedor de tubo con
placa, tipo estacionario

vidrio
agua

vacío

salida
Campo de tubos evacuados
SISTEMAS DE
CALENTAMIENTO SOLAR DE
AGUA CON TUBOS
EVACUADOS

100
Sistemas de calentamiento solar de agua
para uso doméstico
Eficiencias de conversión para diferentes tecnologías
termosolares
E
F
I
C
I
E
N
C
I
A

Diferencia de temperaturas entre el captador solar y el ambiente
Captador solar plano
Calentamiento de piscinas
Captador evacuado
Calentamiento de agua y de espacios
Calor para procesos
Captador para piscina
CARACTERÍSTICAS DE TERMOCONVERSORES SOLARES

Tipo de captador
solar

Dominio de
temperatura

Costo internacional,
usd

Plano de plástico

30 - 45

Plano con superficie
selectiva

30 – 100

Plano de metal

30 – 80

Plano evacuado

60 – 120

Plano con barreras
anticonvectivas
transparentes

60 – 100

Cilíndrico – parabólico
compuesto

100 – 250

390

Cilíndrico Parabólico

200 – 400

405

Costo en
México, mn
550 -650

357
950 -1700
390

2000 - 3000
Tecnologías solares de
alta temperatura
Tecnologías solares

Captador plano doble
cubierta, antreflectivas
(80-150 °C)

concentrador parabólico
compuesto, estacionario,
(80-110 °C)

Concentrador de
canal parabólico con
cubierta (100-200 °C)
Tecnologías
solares

captador de canal parabólico modular,
(130 – 300 °C)

Captador de canal parabólico
Con cubierta, (80-300 °
C)

Captador de canal parabólico (100-200 °
C)
Tecnologías solares

Captador de canal con foco fijo
(100-200 °
C)

Concentrador lineal tipo Fresnel
(100-400 °
C)

Concentrador de canal parabólico
Combinado :calor-potencia 80-150 °
C
Parte V

Inclinación y orientación
Orientación e inclinación
Sur geográfico
• Círculos indios
• Observación de la estrella
polar
• Brújula

105
NORTE
PRIMERAS HORAS

90º
OESTE

ESTE
SUR
Trayectoria solar

Círculos indios
Declinación magnética

Líneas isogónicas en la Tierra

La declinación magnética es el ángulo formado entre la
meridiana geográfica (o norte geográfico) y la meridiana
magnética (o norte magnético). Cuando ese ángulo se
presenta al oeste del norte geográfico, se habla de
declinación oeste y en el caso opuesto se habla de
declinación este.
Dado el carácter dinámico del campo magnético
terrestre, la declinación también es cambiante, y para
un mismo lugar la declinación medida en una fecha es
distinta a la medida en otra fecha distinta, pese a
tratarse del mismo punto de la superficie terrestre. Esta
variación se mide en una tasa anual, que establece en
qué magnitud angular la declinación variará y en qué
sentido será el giro (hacia el este o el oeste)
Declinación magnética en la República Mexicana
Declinación magnética
Variación de la declinación magnética en el año 2006

Ciudad de México
Longitud oeste: 99° 08’
Latitud norte: 19° 26’
Fecha

Declinación

1 de enero

5° 59’ E

1 de junio

5° 56’ E

1 de diciembre

5° 53’ E

Ciudad de Temixco, Morelos
Longitud oeste: 99° 13’ 48”
Latitud norte: 18° 51’

Fecha

Declinación

1 de enero

6° 02’ E

1 de junio

6° 00’ E

1 de diciembre

5° 57’ E

Variación anual 0° 6’ hacia el oeste
Análisis de sombras
• En las instalaciones solares es muy importante realizar un

análisis de la proyección de sombras sobre el sistema debido a
los obstáculos adyacentes, como la posibilidad de nuevas
construcciones anexas y el crecimiento de árboles y plantas y
por las mismas hileras de captadores y termotanques.
• El criterio generalmente aceptado es que las sombras
proyectadas por lo captadores sobre total de la instalación no
deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía
del solsticio de invierno. Este criterio debe ser ajustado por el
diseñador para cada caso particular.
• La distancia entre filas de captadores no deberá ser inferior a la
obtenida por la siguiente expresión:

D = kh
En donde k es un coeficiente en función de la inclinación y h es
la altura del colector.

110
Análisis de sombras
Inclinación

20º

25º

30º

35º

40º

45º

50º

k

1.532

1.638

1.732

1.813

1.879

1.932

1.970

La distancia entre la primera fila de captadores y algún
obstáculo que pueda producir sombra sobre la
instalación, deberá ser superior al obtenido por la
siguiente expresión:

d = 1 . 732 h
Donde h es la altura del obstáculo.
Cálculo para evitar el sombreado
sobre un captador solar
A.
1.
2.
3.

Determinación del ángulo α:
Medir la distancia d
Medir la altura h
Calcular α

h

α

d
B. 1. Conociendo α (se toma como valor la altura solar mínima durante el año;
siendo el 21 de diciembre a la 12:00 h, tiempo solar) 2. Conociendo el valor de
h, 3. Se calcula d que es la distancia mínima que hay que colocar el captador
para evitar el sombreado.
Espaciamiento entre captadores
 seni

X = L
 tanh + cos i 

m



L
i

hm
X1

X2

X
Efecto de sombreado

a
P

El ángulo límite al este:
tan-1(c/b) = e
El ángulo límite al oeste:
tan-1(d/b) = f
La altura angular al meridiano (e):
tan-1(a/√b2 + c2) = g
y en el plano del meridiano (f):
tan-1(a/ √b2 + d2) = h

S
c
P

b

h

g

d
(Vista de arriba)

f

ee
f
Muchas Gracias por su atención

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  • 2. La conversión fototérmica y los dispositivos conversores de baja temperatura 2
  • 3. La 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
  • 4. ¿ Que es la energía solar ? El sol es un enorme reactor nuclear, en donde se convierte el hidrógeno en helio a una velocidad de 4 millones de toneladas por segundo, radiando energía y partículas a una temperatura superficial de cerca de 6000 ºC. La tierra recibe del sol anualmente alrededor de 5.4 x 1024 J, lo que representa unas 4,500 veces el consumo mundial de energía.
  • 5. Energía Solar un recurso “inagotable” , La energía solar recibida cada 10 días sobre la Tierra equivale a TODAS las reservas conocidas de petróleo, carbón y gas. El 70% de la población del planeta vive dentro de la denominada “Franja Solar”. 40 N 35 S www.cie.unam.mx
  • 6. ¿Porque la energía solar ? ¿Porque la energía solar ?
  • 7. ¿Porque la energía solar ? • Seguridad energética • Crecimiento económico • Sustentabilidad • Impacto ambiental
  • 8. Parte I La conversión termosolar 4
  • 9. E = hν Cuerpo absorbedor
  • 10. Principio de un termoconversor solar
  • 12. 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.
  • 13. Componentes de un captador solar sin concentración óptica (Radiación solar) Cubierta transparente (aire) (Radiación infrarroja) 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).
  • 14. 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
  • 15. 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
  • 16. 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.
  • 17. 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.
  • 18. 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
  • 19. 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
  • 21. 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
  • 22. Balance de energía en el captador solar
  • 23. Balance térmico en un captador solar plano QABS = QU + QP + QAL QU QAL QP
  • 24. Rendimiento térmico • Rendimiento instantáneo QU η= I T AC • Rendimiento promedio sobre un período de tiempo t ∫ Q dt η= ∫ I A dt U 0 t 0 T C
  • 25. Rendimiento óptico y pérdidas térmicas totales Rendimiento óptico η OP QABS = I T AC η OP = τ CTα A Pérdidas térmicas totales QP = ACU C ( TC − Ta ) 20
  • 26. Calor útil y eficiencia QU = ACU f ( TC − Tf ) dQAL =0 dt IT ACτ CTα A = QU + ACUC (TC − Ta )  UC  I T ACτ CTα A = QU  1 +  U  + ACU C ( Tf − Ta )   f   UC  F '=  1 +  U    f    UC QU = I T AC F ' τ CTα A − ( Tf − Ta ) IT     UC η = F ' τ CTα A − ( Tf − Ta ) IT   −1 −1
  • 27. Eficiencia de conversión mCp ( Tf , e − Tf ,i ) qu = AC AC  1 − e− X FR = F ′  X  X = U L mC     F ′A p  T f ,e − Ta )   I   η = FR (τα ) e − FRU L  mC p (T f ,e − T f ,s ) η= AC I Si la eficiencia η, 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 (τα). FR UL no es constante en realidad, sino es una función débil de la temperatura de operación del termocolector, además FR (τα) varía con el ángulo de incidencia de la radiación solar
  • 29. Absortancia-trasmitancia Q ABS = I T ACτ CT α A cos θ i (τα ) D = τα (θ I ) + τα d ρ d [1 − α (θ i )] + τα d ρ d [1 − α (θ i )](1 − α d ) 2   τα (θ i ) α d  = 1 − ρ d 1 −  1 − ρ d (1 − α d )   α (θ i )     τ dα d (τα ) d = 1 − ρ d (1 − α d ) Las propiedades ópticas τCT y αA dependen del ángulo de incidencia, el producto (τα) decrece rápidamente cuando el ángulo de incidencia θi es superior a 60º en función de la disminución de τCT , 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 ( τα) por el producto (τα)D
  • 30. 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: n seni = n' seni ' L' L= cos i ' 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 − KL  1 − r  de la superficie, la cual τ=e   depende del índice de  1+ r refracción del material 25
  • 31. Refracción y reflexión Coeficiente de reflexión 1  sen2 (θ2 − θ1 ) tan2 (θ2 − θ1 ) + 2 ρ=  2 2  sen (θ2 + θ1 ) tan (θ2 + θ1 )  Incidencia normal θ1 Medio 1 Medio 2 θ2 n1sen θ1 = n2sen θ2  n − n2  ρ =  1 n1 + n 2    2 Si el medio es el aire (n≈ 1) y Suponiendo que n2 = n  n − 1 ρ=  n + 1  2
  • 32. Efecto de múltiples reflexiones sobre el factor de trasmisión de una cubierta transparente 1 ρ (1-ρ)2 (1-ρ)2ρ (1-ρ)2ρ2 (1-ρ)2ρ3 (1-ρ)2ρ4
  • 33. Trasmitancia de cubiertas Sí i e i’ son los ángulos incidente y refractado, respectivamente, entonces el índice de refracción queda determinado con la relación: sen i n' = sen i ' a incidencia normal  n'−1 r0 =    n'+1 2 1  sen 2 (i + i ' ) tan 2 (i + i ' )  + para otros ángulos de incidencia r =  2  2  sen (i + i′ ) tan 2 (i + i ' )  Para calcular la trasmitancia de un sistema formado por n cubiertas, las cuales tienen el mismo índice de refracción τ 1,2 ,...n = e − ( K1 L1 + K 2 L 2 + ...K n Ln )  (1 − r)    (1 + ( 2n − 1)r)    
  • 34. Trasmitancia de cubiertas Para dos cubiertas: τ12 = 1.006 τ1τ2 Para tres cubiertas:τ123 = 1.018 τ1τ2τ3 Para cuatro cubiertas: τ1234 = 1.035 τ1τ2τ3τ4 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 αCT como el coeficiente de absorción de la cubierta, el factor (τα) se debe reemplazar por: (τα ) eff U CVa = (τα ) + α V UVa 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%.
  • 35. Transmitancia óptica del vidrio en función del espesor y del ángulo de incidencia de la radiación solar. _________________________________________________________________ Espesor (mm) Transmitancia en % 0º 50 300 450 600 750 3 86 86 86 84 77 54 4 85 84.5 84 82 75 54 5 83 83 82.5 80 73.5 51 6 81.5 81 81 78.5 72 50 30
  • 36. Absortancia de cubiertas Para una cubierta Para dos cubiertas Para tres cubiertas Para cuatro cubiertas FABS = 1.002 τ1 α FABS = 1.012 τ1 τ2 α FABS = 1.025 τ1 τ2 τ3 α FABS = 1.050 τ1 τ 2τ 3 τ 4 α 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 ( τα )ef , el cual se puede calcular como: (τα ) ef = FABS + a1 (1 − e− K1 L1 ) + a2 (1 − e− K2 L2 ) + a3 (1 − e− K3 L3 ) + a4 (1 − e− K4 L4 ) Los cálculos efectuados son considerando una incidencia normal de la radiación, siendo necesario obtener correlaciones para otros ángulos de incidencia.
  • 37. Coeficientes para el cálculo del producto efectivo (τα)eff No. De Cubiertas Coeficiente 1 a1 0.23 0.14 2 a1 0.17 0.10 a2 0.63 0.44 a1 0.13 0.08 a2 0.47 0.35 a3 0.76 0.58 a1 0.11 0.07 a2 0.39 0.30 a3 0.62 0.50 a4 0.83 0.67 3 4 Emisividad cuerpo negro (0.95) Emisividad cuerpo selectivo ( 0.2)
  • 38. Factor de ensuciamiento y 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.
  • 39. Efecto de múltiples reflexiones absorbedorcubierta 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 Cubierta transparente coeficiente de reflexión ρc. Una cantidad de energía igual a (1-αp*)ρc* va a alcanzar la superficie 1 absorbente que almacenará la cantidad; (1-αp*)ρc*αp* Absorbedor α∗ p αe = 1 − (1 − α ∗ )ρ c p α* (1-αp*)ρc*αp* (1-αp*)2ρc*2 αp*
  • 40. Energía neta absorbida, Q’ABS La cantidad neta absorbida Q’ABS se puede calcular a partir de la siguiente relación: Q ' ABS = [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I D + [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i =500 I d I (τα )ef (1 − E )(1 − S )i =500 I d  = [(τα )ef (1 − E )(1 − S )]I  D + +  (τα )ef (1 − E )(1 − S ) I I  I 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: Q ' ABS = 0.98[(τα )ef (1 − E )(1 − S )]i I = fI 35
  • 41. 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.
  • 42. Energía neta absorbida, Q’ABS con (1-E) = 0.98 y (1-S)I=0 [ Q' ABS = 0.93 (τα ) ef i = 0  (τα ) ef   (1 − S )i     I = fI (τα ) ef i = 0   (1 − S )¡= 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:: [ ] Q ' ABS = 0.85 (τα ) ef i = 0 I = fI
  • 43. Temperaturas de los componentes de un termoconversor que intervienen en el rendimiento térmico cielo TC aire Ta cubierta aire absorbedor aislamiento aire Tc a b Ta TA Tais Ta
  • 44. 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.
  • 45. radiativas Pérdidas de calor en un termoconversor convectivas conductivas 40
  • 46. 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: dq = − kgradTndS q = − kSdT / dx Donde k es la conductividad térmica del material (en W/Mk) y n es el vector unitario llevado por la normal a dS
  • 47. Conducción T1 T2 a a T4 T3 b b c c 0 x1 x2 x3 ka S kb S (T1 − T2 ) = (T2 − T3 ) = q= La Lb x x4 kc S Lc  L L L  T1 − T4 = q a + b + c  k S k S k S b c   a (T3 − T4 )
  • 48. Analogía eléctrica R = Ra + Rb + Rc q = δT / R 1 1 1 1 = + + R Ra Rb Rc q = USδT Coeficiente global de transferencia de calor por conducción 1 k U= = SR L Ecuación general de conducción δT ρc = P + div (kgradT ) δt 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)
  • 49. 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: d q c = hc (Ts − T f )dS 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
  • 50. 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: qc = Sh (TS − T f ) 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: 1 Rc = hc S 45
  • 51. Números adimensionales Reynolds El número de Reynolds Re esta definido por: ρv L Re = µ 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: 2ab DH = (a + b )
  • 52. 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. ρv 2 Re = µv / L 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
  • 53. 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: hc L Nu = kf Donde kf es la conductividad térmica del fluido. Para Nu = 1 la transferencia se hace sólo por conducción.
  • 54. Números adimensionales Prandtl Este número relaciona la difusividad mecánica del fluido, definida por: νm = µ / ρ Pr = νm a = µc p kf a = k f / ρc p
  • 55. 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: ρ 2 gβ (T1 − T2 )L3 Gr = µ2 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 (α ρv2 ) por una densidad de energía ligada al impulso de Arquímedes ( α ρβ(T1-T2) al cuadrado de la densidad energética ligada a la viscosidad (α µv/L) 50
  • 56. Números adimensionales Rayleigh Este número interviene frecuentemente y es el producto del número de Grashof y del número de Prandtl Ra = Gr Pr
  • 57. Convección natural • Convección natural entre dos planos paralelos a temperaturas T1 y T2. Cuando la inclinación s de los planos sobre la horizontal es inferior a 75º: 0  1708   (sen1.8s ) 1708   Ra cos s  1 −  1 − N u = 1 + 1.44   +  Ra cos s   Ra cos s 5830       1.6 1/ 3  − 1   0 Donde el exponente 0 significa que el término entre paréntesis debe de tomarse igual a cero si el es negativo. Para las inclinaciones 75º < s < 90º [ N u = max 1;0.288( AsensRa ) ;0.039(sensRa ) 1/ 4 1/ 3 ] Donde A es la relación entre la separación L de los dos planos y la longitud del lado inclinado. En estas ecuaciones las propiedades del fluido se calculan para una temperatura promedio
  • 58. Convección natural • Convección natural sobre una placa plana Para una placa plana de longitud L llevada a una temperatura Tp e inclinada un ángulo s sobre a horizontal, a la presión atmosférica:  (Tp − Ta )sens  hc = 1.42  L   1/ 4 Donde Ta es la temperatura de la atmosfera . Esta relación es válida si 10 4< Gr < 109 Si Gr > 109 se debe reemplazar por: [ hc = 0.95 (Tp − Ta )sens ] 1/ 3 Convección natural en un cilindro horizontal Nu = 0.53(Gr Pr ) 1/ 4 Para un cilindro vertical se puede aplicar la ecuación para superficies planas Convección natural en una esfera N u = 2 + 0.45(Gr Pr ) 1/ 4
  • 59. Convección forzada • Flujo laminar en conductos. Siendo un conducto de diámetro hidráulico Dh y una longitud L. Cuando RePrDh/L > 10, se obtiene: Dh   µ m    N u = 1.86 Re Pr   L   µp     1/ 3 0.14 Con µm y µp las viscosidades d a la temperatura media del fluido y a la temperatura de la pared. Para conductos cortos, cuando RePrDh/L > 100, se tiene:   N u = Re Pr Dh 1 Log  − 0.167 4L (Re Pr Dh / L )− 0.5  1 − 2.654 Pr  En las aplicaciones solares, la velocidad de desplazamiento del fluido puede ser suficientemente baja para que la convección natural sea significativa, lo que se produce cuando L/D > 50 Y Gr/Re2 < 10. La ecuación propuesta es: µ  N u = 1.75 m  µ   p 0.14 4/3 R P  Gr1 / 3 Re Pr Dh      e r + 0.012    L  L     1/ 2 Donde la diferencia de temperatura a introducir en el cálculo del número de Grashof es entre la temperatura de las paredes y la temperatura promedio del fluido
  • 60. Convección forzada Ecuaciones simplificadas Aire a presión atmosférica en un conducto largo: hc = 3.5 V 0.8 Dh 0.2 Para 300 < T< 380 K • Aire a presión atmosférica entre dos placas distantes hc = 2.6 V 0 .8 Dh Para 300 < T< 380 K 0.2 • Agua en un conducto largo de diámetro D hc (0.02T − 4.06)V 0.8 = 1056 Para 278 < T< 378 K D 0.2 55
  • 61. Convección forzada • Flujo laminar sobre una placa plana Este caso tiene una importancia práctica ya que se trata de edificaciones y de captadores solares expuestos al viento; la relación es: hc = 5.7 + 3.8V Este coeficiente así calculado tiene cuenta de la convección natural y de las pérdidas por radiación y se propone de reemplazarlo por: hc = 2.8 + 3.0V • Flujo alrededor de un cilindro en donde el eje es perpendicular N u = 0.46 Re Cuando Re > 500 1/ 2 + 0.00128Re
  • 62. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes La cantidad total de calor perdida, se puede calcular por medio de una expresión linearizada : QP = U C AC (TC − Ta ) con esta relación se supone que la temperatura del absorbedor es uniforme y UC representa el coeficiente global de pérdidas del colector. Las pérdidas de calor hacia arriba a través de las cubiertas se lleva a cabo entre la superficie absorbedora y la cubierta y de esta hacia el ambiente, que es el caso mas general. En el caso de tener varias cubiertas habría que considerar el intercambio térmico entre ellas y la última con el ambiente. Como caso general se considera un colector solar con una sola cubierta y un absorbedor aislado.
  • 63. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes Las pérdidas de calor entre la cubierta y el absorbedor se hacen por conducciónconvención y por radiación: QC −V = AC hCC ( TC − TV ) + ACε CV σ S ( T 4 C −T ) 4 V en donde TV es la temperatura del vidrio, hCC el coeficiente de intercambio térmico por conducción-convección, εCV , la emisividad colector vidrio, la cual se expresa por: 1 ε CV = 1 εC + 1 εV −1 en donde εC y εV , representan respectivamente las emisividades del colector y del vidrio. La ecuación anterior se puede escribir bajo la forma: QC −V = AC ( hCCV + hRCV )( TC − TV )
  • 64. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes Con: 2 2 hRCV = σ S ε CV ( TC + TV )( TC + TV ) Sino se considera la energía absorbida en el vidrio, la energía transferida del absorbedor hacia el vidrio y de este hacia el ambiente, se puede expresar como: QC −V − a = AC ( hCVa + hRVa )( TV − Ta ) donde hCVa es el coeficiente de pérdidas de calor por convección debidas a la presencia del viento y hRVa , esta dado por: hRVa = ε V σ S ( Tcielo + TV )( T 2 cielo TV − Tcielo +T ) TV − Ta 2 V
  • 65. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes Al cielo se le considera como un cuerpo negro radiando a la temperatura Tcielo Tcielo = 0.0552 Tamb 1.5 (K) Entonces, el coeficiente total de pérdidas del colector al vidrio es: U CV = hCCV + hRCV y, el coeficiente total de pérdidas del vidrio al ambiente es: UVa = hCVa + hRVa el coeficiente total de pérdidas del colector hacia el ambiente a través de las cubiertas es: 1 U CVa 1 1 + + U CV UVa 60
  • 66. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes por lo tanto la ecuación general del calor perdido del colector a través de la cubierta de vidrio es: QCVa = ACU CVa ( TC − Ta ) Como se puede observar TV no está implícita en esta relación, sin embargo como se ha observado, que esta incluida tanto en los coeficientes de transferencia de calor convectivos promedios, así como en los coeficientes de transferencia de por radiación. El coeficiente UCVa se calcula de manera iterativa. Conociendo TC , se calcula TV , y se deduce en coeficiente global utilizando la ec. QCVa. Una vez conocidas estas pérdidas, la ec. QCV o la ec. QC-V-a , da una nueva estimación de TV , de donde se calcula un nuevo coeficiente UCVa y así hasta que los valores de TV derivados de estas dos iteraciones sucesivas sean muy próximos.
  • 67. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes Este método iterativo puede resultar muy laborioso, pudiéndose utilizar un cálculo alternativo ( Duffie y Beckman, 1980), en donde se cuenta con un relación empírica debida a Klein, la cual permite calcular el coeficiente UCVa , para un dominio de temperaturas en el colector entre 0 y 200 °C, con un error estimado inferior a ± 0.3 W/m2 °C: −1 U CVa     N 1  σ S ( TC + Ta )( TC 2 + Ta 2 )  = + e  + 2 N + f − 1 + 01333ε C . hCVa C  TC − Ta  (ε C + 0.00591NhCVa ) −1 + −N     εV    TC  N + f   siendo N el número de cubiertas transparentes y con:, f = (1 + 0.089 hCVa − 01166hCVa ε C )(1 + 0.07866 N ) .
  • 68. Pérdidas de calor a través de las cubiertas transparentes • con  100 e = 0.43 1 −  TC   520(1 − 0.000051s2 ) c= c( 70) para 0° < s < 70° para s ≥ 700
  • 69. Calculo de la eficiencia térmica de un captador solar Calculo del coeficiente global de pérdidas • Cálculo del coeficiente de convección natural entre la placa y el vidrio. • Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre superficies paralelas. • Cálculo del coeficiente de convección entre el vidrio y el exterior. • Cálculo del coeficiente de intercambio térmico radiativo entre el vidrio y el cielo. • Cálculo del coeficiente de intercambio térmico por conducción. • Cálculo del coeficiente global de pérdidas térmicas Cálculo de la eficiencia óptica Determinación de la irradiancia solar Cálculo de la eficiencia térmica instantánea η = ηop (T −U p − Ta ) I
  • 70. Anatomía de un captador solar plano Marco 1. Marco SelloSello 2. Cubierta transparente 3. Cubierta transparente Marco lateral 4. Marco lateral Aislamiento térmico 5. Aislamiento térmico Superficie absorbedora 6. Superficie absorbedora Ductos para para el fluido 7. Ductos el fluido Fijación 8. Fijación CajaCaja protectora 9. protectora 65
  • 71. Áreas en un captador área de absorción área de abertura área total
  • 72. Configuraciones de captadores planos Absorbedor sin cubierta c Captador estandar Captador con convección limitada Captador con aislamiento térmico transparente Captador al vacío con pilares Captador para calentamiento de aire
  • 73. Superficie absorbedora A A) B C Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí. B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o conjunto de aletas. C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.
  • 74. Propiedades ópticas de algunos recubrimientos selectivos. Recubrimien to selectivo Absortividad solar Emisividad infrarroja Cromo negro Acero,. cobre 0-91 – 0.96 0.07 – 0.16 Cobre negro Acero,. cobre Aluminio 0.81 – 0.93 0.11 – 0.17 Níquel negro Níquel, acero Óxidos de aluminio aluminio 0.89 – 0.96 0.90 - 0.07 – 0.17 - 0.40 Oxidos de fierro Sustrato metálico acero 0.85 -
  • 75. Propiedades ópticas de cubiertas transparentes Material plástico transmitancia Temperatura máxima, ºC Resistencia a la intemperie policarbonatos 0.73 – 0.84 100 – 130 De pobre a media poliésteres 0.80 – 0.87 140 De media a buena polietilenos 0.90 50 pobre Polivinil fluoruro 0.92 – 0.94 160 De buena a excelente Fibra de vidrio reforzada 0.77 – 0.87 90 buena acrílicos 0.80 – 0.90 70 - 135 De media a buena 70
  • 77. Captador solar plano de plástico (Polipropileno) para el Calentamiento de agua a bajas temperaturas
  • 78. Durabilidad y fiabilidad. • Entrada de agua en el interior del captador • Degradación del tratamiento del absorbedor. • Corrosión de la superficie absorbedora. • • • • Corrosión galvánica Corrosión por picaduras Corrosión por esfuerzos Corrosión biológica • Degradación y ruptura de la cubierta. • Degradación de los aislamientos térmicos • Degradación del material de las juntas.
  • 79. Criterios de diseño del colector. • Rígidez de la caja protectora y la sujeción del • • • • absorbedor, de forma que se evite su deformación y pérdida de estanqueidad por fatiga térmica Diseño de la fijación de la cubierta que permita absorber las dilataciones e impida la entrada de agua. Un proceso industrial de aplicación del recubrimiento de la superficie absorbedora que garantice su calidad Selección del material de juntas de forma que se asegure el cumplimiento de las normas de prueba de estos materiales. Control de calidad de las especificaciones del aislamiento térmico utilizado.
  • 80. Criterios de diseño del colector. • • • • • El material de la cubierta transparente en el caso del vidrio sea normal o templado, el espesor de debe ser inferior a 3mm y su trasmisividad mayor o igual a 0.8. La distancia media entre la cubierta transparente y el absorbedor no debe ser inferior a 2 cm ni superior a 4 cm. En ningún caso, el recubrimiento del absorbedor se debe de aplicar sobre acero galvanizado. La caja protectora del captador deberá contener un orificio de ventilación de un diámetro superior a los 4 mm colocado en la parte inferior, para poder eliminar las posibles acumulaciones de agua. El agua deberá drenarse sin afectar al aislamiento térmico. Se sugiere no utilizar más de una cubierta transparente
  • 81. Parte III Tecnologías para aumentar la temperatura y la eficiencia de conversión 75
  • 82. Aumento de los aislamientos térmicos • Convectivos (cubiertas transparentes) • Radiativos (recubrimientos selectivos internos; en el absorbedor y en las cubiertas. • Conductivos (aislamientos de mejor calidad y aumento del espesor)
  • 84. Tecnologías para aumentar temperatura y eficiencia Disminución de las pérdidas convectivas • Barreras anticonvectivas • Disminución del contenido de aire interior • Dispositivos concentradores
  • 85. Barreras anticonvectivas Si las cubiertas se cortan en una cierta longitud y se colocan perpendicularmente a la superficie, resulta que en el caso de cubiertas paralelas la radiación reflejada sale de la superficie absorbedora Cubierta exterior, mientras que en el caso perpendicular se dirigen hacia el absorbedor y no se pierden. Por otro lado, debido a que las particiones se pueden hacer bastante delgadas, las absorciones en las particiones se pueden evitar con el resultado neto que la transmisión solar del aislamiento convectivo puede ser bastante alta. Radiación solar Cubierta exterior Superficie absorbedora
  • 86. Barreras anticonvectivas Considerando que están debidamente diseñadas las particiones verticales, estas pueden suprimir las corrientes de convección natural. Si son de un material opaco a la radiación de longitud de onda larga, pueden también substancialmente reducir las pérdidas radiativas del absorbedor. Si son transparentes, se debe usar una superficie selectiva en el absorbedor y las particiones verticales se usarán solamente para suprimir la convección. En un principio la forma de las particiones fue hexagonal, teniendo la forma de un panal, por lo que originalmente este tipo de captadores se le conoce con el nombre de captadores solares planos tipo panal, la figura Barrera anticonvectivamuestra un ejemplo de este tipo de captador solar. Cubierta transparente Barrera anticonvectiva absorbedor Aislamiento 80
  • 88. Captadores solares al vacío Un captador solar “al vacío” esta compuesto por una serie de tubos transparentes por lo general de vidrio. En cada uno de ellos hay un absorbedor que capta la energía solar y un intercambiador para permitir la transferencia de la energía térmica. A todos los tubos se les hace vacío para disminuir en lo posible las pérdidas térmicas convectivas de absorbedor, el cual contiene un tratamiento selectivo para disminuir a su vez las pérdidas térmicas radiativas (baja emisividad).
  • 89. Transferencia de calor en función de la presión
  • 90. La presión requerida para lograr una capa estacionaria de aire (presión reducida) P= 0.29 Cosθ 1 / 2 (TA − Tc )1 / 2α 2 (1 + 2α )(100l )3 / 2 TA = Temperatura del absorbedor (K), Tc = Temperatura de la cubierta, α = 100/Tm K, Tm = promedia aritmética de TA y Tc en K, l = distancia entre el absorbedor y la cubierta . De la ecuación anterior, para un colector típico con l = 0.05 m, TA = 100ºC, Tc = 25ºC, θ = 45º, la presión requerida es, P = 0.0684 atm = 52 mmHg. La dependencia de la conductividad térmica de la capa de aire con la presión, puede cuantificarse a través del Número de Knudsen ( Kn): Kn = L /l En donde L es el camino libre medio de las moléculas, que para el caso del aire se puede considerar como una buena aproximación la relación siguiente:
  • 91. T m  P0  L = L0   T0  P  L0 = 6.38 X 10-8m, T0 = 288 K, P0 = 1atm, P = Presión de operación, en atm., K0 = conductividad térmica del aire a presión atmosférica. La conductividad térmica del aire es independiente de la presión para valores P ≥ 1 atm. Sin embargo, para valores de Kn ≥ 10, K es proporcional a la presión y a la distancia (l) y se calcula por medio de la relación siguiente: K0 K = L0 P l P  0  T0   T  m     1/ 2 De tal manera que en este régimen, el coeficiente de transferencia de calor es: K hc = l 85
  • 92. El coeficiente global de pérdidas para un colector evacuado  1 1 1   + + UL =  h +h h'cd h'r + h'cv  cv  r  −1 en donde: hr = hcv = h’cd = h’r = h’cv = coeficiente de radiación (absorbedor-cubierta). coeficiente de convección (absorbedor-cubierta). coeficiente de conducción en la cubierta transparente. coeficiente de radiación (cubierta-ambiente). coeficiente de convección (cubierta-ambiente).
  • 93. Análisis comparativo Colector plano 1 cubierta ε =0.95 hcv hcd hr h’cv h’r UT UB UL 3.24 -----6.74 9.50 5.00 5.90 0.72 6.62 TA = 100ºC, Colector plano 1 cubierta ε =0.1 Colector evacuado ε =0.1, P=10-4 Torrs 3.24 -----0.58 9.50 5.00 3.02 0.72 3.74 Ta = 20ºC, Tc = 25 0C -----0.06 0.58 9.50 5.00 ----------0.62 v = 1ms-1 h = w/ºcm2
  • 94. Captadores solares al vacío Normalmente la presión al interior debe ser del orden de < 10-3 Pa, para eliminar la transferencia de calor por convección, por lo que debe estar completamente hermético. Con el objeto de controlar la permanencia de este vacío, algunos fabricantes colocan un compuesto de bario, que deposita una capa metalizada sobre el interior del tubo durante su fabricación. Esta capa plateada de bario se convierte en blanca en contacto con el aire, sirviendo así como testigo de la pérdida del vacío.
  • 95. Clasificación • Captador solar a vacío con circulación directa. • Captador solar a vacío con caloriducto • Captador solar a vacío con efecto "Termo" • Captador solar a vacío tipo "Schott"
  • 96. Captadores solares con tubos evacuados • Una técnica para disminuir las pérdidas convectivas consiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, en este caso; a estos captadores solares se les conoce con el nombre de; “captadores solares evacuados. • El captador solar evacuado más conocido consiste en un tubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca un absorbedor solar de placa plana unido a un tubo en donde circula el agua a calentar y que cuenta además con un recubrimiento selectivo. • Existen comercialmente dos tipos de colector solar evacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidriometal. 90
  • 97. Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio, por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre si y durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extrae la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual actúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interior se deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentro de este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solar evacuado vidrio-vidrio. Sección evacuada Vidrio exterior Agua caliente Agua fría Agua caliente Vidrio exterior con recubrimiento absorbente
  • 98. Tubo evacuado tipo vidrio-metal El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de un absorbedor metálico de placa plana con recubrimiento selectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicato unido al metal por medio de una junta de expansión para amortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extrae el aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente para reducir al máximo las pérdidas de calor por convección Tubo metálico para transporte del agua Aleta metálica absortiva Junta de expansión vidrio metal Agua caliente Agua fría Agua caliente Envolvente de vidrio Sección evacuada
  • 99. El captador a vacío con circulación directa Esta técnica fue la primera en desarrollarse hace más de 30 años, con el objeto de mejorar la eficiencia del captador plano normal. La concepción del absorbedor y los ductos de circulación del fluido térmico son como las del captador plano, con la diferencia que las entradas y salidas son estrechas para poderse introducir al interior de un tubo de vidrio, en cuyo interior el aire se evacua, haciendo el vacío necesario y cerrando posteriormente de manera hermética. Existen en versiones vidrio-vidrio y metal-vidrio, en donde la complejidad radica en la formulación de los sellos vidrio/ metal.
  • 100. El captador solar a vacío con caloriducto • La diferencia con un captador solar a circulación directa es que el intercambio de calor se lleva a cabo siguiendo un mecanismo natural de evaporación y de condensación de un fluido. Este dispositivo de intercambio térmico se llama caloducto o caloriducto o por su nombre en ingles: heat pipe. El caloriducto esta en contacto con el absorbedor y permite transferir el calor captado fuera del tubo para calentar un fluido en el captador. En todos los casos existe una unión vidrio/metal hermética. Los caloriductos deben estar inclinados para permitir la termocirculación del fluido en el caloriducto. 1. Captador aislado al interior de la envolvente de protecció, 2. Condensador del caloriducto, 3. Circulación del agua en el captador, 4. Tubo de acero hermético, 5. Absorbedor , 6. Liquido descendiendo 7. Vapor subiendo, 8. Tubo de vidrio al vacío 90
  • 101. Tubo evacuado con caloriducto
  • 103. Módulo de captadores solares del tipo tubos evacuados, con intercambiador de calor de cambio de fase (caloriductos)
  • 104. Ficha técnica Model NSC-70-10 A NSC-70-15 A NSC-70-20 A Number of Tubes 10 15 20 Gross Area 2.27 m2 3.27 m2 4.26 m2 Absorber Area 1.04 m2 1.56 m2 2.08 m2 Weight 45 kg 60 kg 80 kg Technical Data: Max Working Pressure 6 bar Max Stagnation Temperature 250℃ Absorber Coating SS-ALN-CU (σ>0.96 ε<0.05 ) Long-term Vacuum 10-8 bar Manifold Shell Frosted Aluminum Alloy (Grey or Black painting) Insulation Rock Wool, 50mm thickness, 180kg/m3 Frame Stainless Steel or Aluminum Alloy Recommended Installation Angle 15°~ 90°
  • 105. El captador solar a vacío con efecto "Termo" En esta tecnología se aplica el principio de una envolvente al vacío que se utiliza para conservar bebidas calientes, conocida como botella Termos. El tubo interior funciona como absorbedor, ya que su superficie es tratada para ser absorbente y selectiva, emitiendo poca radiación en el infrarrojo. El calor es trasmitido fuera de la envolvente al vacío del tubo por la circulación de un fluido en contacto el absorbedor o por un caloriducto. A este tipo de captador también se le conoce con el nombre de “Sydney”, debido a que esta técnica fue desarrollada por primera vez en la Universidad de Sydney en Australia. Actualmente es una tecnología china, considerada como "Hi-Tech" , en Europa, representando cerca del 65% del mercado chino. Su fabricacion se ha simplificado, ya que no hay soldaduras vidrio/metal. Sin embargo, son frágiles en la parte de su unión con el termotanque, en donde la parte exterior e interior de cada tubo se juntan. Recubrimiento selectivo Tubo exterior Tubo interior 95
  • 106. tecnología de colectores parabólicos compuestos COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR vidrio ABSORBEDOR Absorbedor CON CAMPANA caja CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA aislamiento
  • 107. Captadores solares al vacío con concentración óptica Conductor del calor • En algunos casos se integra a este tipo de capatadores los reflectores del tipo de concentradores parabólicos compuestos, CPC, ya que como la superficie del absorbedor es cilíndrica cubre la totalidad de la superficie del tubo interior. Así la cara al sol puede captar la radiación directa y la parte oculta la radiación por reflexión. Tubo al vacío reflector Superficie selectiva
  • 108. Tecnología de captadores solares con tubos evacuados Estos equipos al trabajar al vacío Tubo al Vacío tienen menos pérdidas térmicas por convección entrada 47 < T < 190 OC Absorbedor de tubo con placa, tipo estacionario vidrio agua vacío salida
  • 109. Campo de tubos evacuados
  • 110. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA CON TUBOS EVACUADOS 100
  • 111. Sistemas de calentamiento solar de agua para uso doméstico
  • 112. Eficiencias de conversión para diferentes tecnologías termosolares E F I C I E N C I A Diferencia de temperaturas entre el captador solar y el ambiente Captador solar plano Calentamiento de piscinas Captador evacuado Calentamiento de agua y de espacios Calor para procesos Captador para piscina
  • 113. CARACTERÍSTICAS DE TERMOCONVERSORES SOLARES Tipo de captador solar Dominio de temperatura Costo internacional, usd Plano de plástico 30 - 45 Plano con superficie selectiva 30 – 100 Plano de metal 30 – 80 Plano evacuado 60 – 120 Plano con barreras anticonvectivas transparentes 60 – 100 Cilíndrico – parabólico compuesto 100 – 250 390 Cilíndrico Parabólico 200 – 400 405 Costo en México, mn 550 -650 357 950 -1700 390 2000 - 3000
  • 115. Tecnologías solares Captador plano doble cubierta, antreflectivas (80-150 °C) concentrador parabólico compuesto, estacionario, (80-110 °C) Concentrador de canal parabólico con cubierta (100-200 °C)
  • 116. Tecnologías solares captador de canal parabólico modular, (130 – 300 °C) Captador de canal parabólico Con cubierta, (80-300 ° C) Captador de canal parabólico (100-200 ° C)
  • 117. Tecnologías solares Captador de canal con foco fijo (100-200 ° C) Concentrador lineal tipo Fresnel (100-400 ° C) Concentrador de canal parabólico Combinado :calor-potencia 80-150 ° C
  • 118. Parte V Inclinación y orientación
  • 120. Sur geográfico • Círculos indios • Observación de la estrella polar • Brújula 105
  • 122. Declinación magnética Líneas isogónicas en la Tierra La declinación magnética es el ángulo formado entre la meridiana geográfica (o norte geográfico) y la meridiana magnética (o norte magnético). Cuando ese ángulo se presenta al oeste del norte geográfico, se habla de declinación oeste y en el caso opuesto se habla de declinación este. Dado el carácter dinámico del campo magnético terrestre, la declinación también es cambiante, y para un mismo lugar la declinación medida en una fecha es distinta a la medida en otra fecha distinta, pese a tratarse del mismo punto de la superficie terrestre. Esta variación se mide en una tasa anual, que establece en qué magnitud angular la declinación variará y en qué sentido será el giro (hacia el este o el oeste)
  • 123. Declinación magnética en la República Mexicana
  • 124. Declinación magnética Variación de la declinación magnética en el año 2006 Ciudad de México Longitud oeste: 99° 08’ Latitud norte: 19° 26’ Fecha Declinación 1 de enero 5° 59’ E 1 de junio 5° 56’ E 1 de diciembre 5° 53’ E Ciudad de Temixco, Morelos Longitud oeste: 99° 13’ 48” Latitud norte: 18° 51’ Fecha Declinación 1 de enero 6° 02’ E 1 de junio 6° 00’ E 1 de diciembre 5° 57’ E Variación anual 0° 6’ hacia el oeste
  • 125. Análisis de sombras • En las instalaciones solares es muy importante realizar un análisis de la proyección de sombras sobre el sistema debido a los obstáculos adyacentes, como la posibilidad de nuevas construcciones anexas y el crecimiento de árboles y plantas y por las mismas hileras de captadores y termotanques. • El criterio generalmente aceptado es que las sombras proyectadas por lo captadores sobre total de la instalación no deben superar el 10% de la superficie de captación al mediodía del solsticio de invierno. Este criterio debe ser ajustado por el diseñador para cada caso particular. • La distancia entre filas de captadores no deberá ser inferior a la obtenida por la siguiente expresión: D = kh En donde k es un coeficiente en función de la inclinación y h es la altura del colector. 110
  • 126. Análisis de sombras Inclinación 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º k 1.532 1.638 1.732 1.813 1.879 1.932 1.970 La distancia entre la primera fila de captadores y algún obstáculo que pueda producir sombra sobre la instalación, deberá ser superior al obtenido por la siguiente expresión: d = 1 . 732 h Donde h es la altura del obstáculo.
  • 127. Cálculo para evitar el sombreado sobre un captador solar A. 1. 2. 3. Determinación del ángulo α: Medir la distancia d Medir la altura h Calcular α h α d B. 1. Conociendo α (se toma como valor la altura solar mínima durante el año; siendo el 21 de diciembre a la 12:00 h, tiempo solar) 2. Conociendo el valor de h, 3. Se calcula d que es la distancia mínima que hay que colocar el captador para evitar el sombreado.
  • 128. Espaciamiento entre captadores  seni  X = L  tanh + cos i   m   L i hm X1 X2 X
  • 129. Efecto de sombreado a P El ángulo límite al este: tan-1(c/b) = e El ángulo límite al oeste: tan-1(d/b) = f La altura angular al meridiano (e): tan-1(a/√b2 + c2) = g y en el plano del meridiano (f): tan-1(a/ √b2 + d2) = h S c P b h g d (Vista de arriba) f ee f
  • 130. Muchas Gracias por su atención