Energa solar Trmica Baja Temperatura Colector placa plana
Energía solar Térmica Baja Temperatura
Colector placa plana 1. Componentes: § Elemento absorbente metálico protegido por un aislante y cubierta de material transparente. § Caja rígida o carcasa da cuerpo: – resistencia mecánica – Permite anclaje en el lugar determinado
Superficies absorbentes selectivas § Forma de disminución de las pérdidas térmicas de un colector. § Materiales cuyas características son: § Absorber fuertemente en las longitudes de onda inferiores a 2μm. § Baja emisión para longitudes de onda superiores a 2μm. § Se consiguen con un mínimo de 2 materiales que tienen funciones diferentes. § Espejo caliente: El reflector es el primero en interceptar la radiación solar. Capa reflectante sobre absorbente negro. § Espejo oscuro: El absorbente es el primero en interceptar la radiación solar. Absorbente selectivo sobre reflector blanco.
§ Obtención de superficies selectivas: § Cobre envejecido: absorción de 0. 85, emisividad de 0. 17 § Acero contenido en níquel § Pinturas Selectivas: § Contienen: – Pigmentos absorbentes – Aglutinante resistente a la radiación
§ Cermets: § Formados por deposición de sucesivas capas metaldieléctrico. § Buen carácter selectivo § Estabilidad a altas temperaturas. § Negro de cromo electrodepositado § Aluminio anodizado § Pigmentado con negro de níquel.
Ecuación del rendimiento § η= Qu/Ac Is= Fr(ζα)-Fr. UL[(Tent-Ta)/Is] – donde: § Qu=Energía extraída de un colector en un instante determinado. § Ac=Área del colector § Is=Irradiancia § FR= Factor de extracción de calor
§ (ζα)= producto de la transmitancia de la/s cubierta/s por la absorvancia de la placa de absorción. § Ul= coeficiente global de transferencia de calor del colector § Tent = Temperatura de entrada § Ta= Temperatura ambiente (K)
Tipos de Colectores § Colectores de piscina: § Trabaja entre 10 o. C y 40 o. C. § Colector sin cubierta: – Mayor rendimiento – Precio económico § Componentes: – Doble placa de polietileno negro de 1 mm de espesor. § Se utilizan en piscinas al aire libre. – Alargar la temporada de baño.
§ Colectores de tubos de vacío: § Componente básico doble tubo de vidrio § Absorbedor selectivo de alto nivel (Mo-Al 2 -O 3) – Aplicaciónes: § Sistemas de temperaturas medias(sist. De acondicionamiento de aire, etc. ) § Lugares fríos con diferencias elevadas entre la Tª del colector y el ambiente. – Aprovechamiento radiación solar difusa
§ Minimiza la influencia de las condiciones climáticas. § Vacío ligero (0. 001 atms): § Eliminación de las pérdidas por convección § Vacío fuerte ( <0. 1 Pa): § Eliminación pérdidas por conducción. § Ventajas frente a los de placa plana: § Incidencia de los rayos del sol siempre en ángulos rectos →minimiza pérdidas por reflexión § Homogeneidad en la radiación incidente sobre el absorbente (cte desde media mañana hasta media tarde)
§ Dos tipos básicos ( según sea el método de intercambia de calor entre la placa y el fluido): § De flujo directo. § Tubo de calor: – Características: § Unión seca (intercambio de calor en seco) § Función diodo( transferencia de calor en un solo sentido) § Limitación de la temperatura(evita riesgos de aumento incontrolado en el interior de los tubos)
§ Colectores de Aire: – El fluido que refrigera la placa es directamente el que se quiere calentar. – El aire circula por convección natural o forzada por impulsores – Se emplean en el secado de productos agrícolas. – Tª inferior a 60 o. C
– Inconvenientes (derivados de las propiedades del aire): § Baja densidad § Baja conductividad térmica § Bajo calor específico por unidad de volumen. – Rendimiento depende del caudal de aire circulante – Instalaciones mayores que la de los sistemas hidráulicos. – Ventajas: § Evitan problemas de congelación y ebulición del fluido. § Bajas presiones de trabajo.
Tipos de Instalaciones § El agua caliente se emplea par ala calefacción. Agua caliente sanitaria y procesos industriales. § Tipos de instalaciones: § Según el tipo de circulación utilizado: § Circuitos con circulación natural o termosifón § Circuitos con circulación forzada
Tipos de instalaciones § Según el tipo de sistema de expansión utilizado: § Circuitos abiertos § Circuitos cerrados § Según el tipo de transferencia de calor del primario al secundario: § Sistemas directos § Sistemas indirectos o de doble circuito
Tipos de instalaciones § Según el tipo de conexión con el sistema auxiliar: § § § Sistemas en depósito principal Sistemas en línea centralizado Sistema en línea distribuido Sistema con depósito secundario centralizado Sistema con depósito secundario distribuido
Circulación natural o termosifón § Circulación entre el captador y el depósito se realiza por convección natural. (ρagua caliente < ρagua fría). § El movimiento se mantiene siempre que la radiación solar sea suficiente para mantener el gradiente de temperaturas entre las dos zonas. § ΔPB= (ρacu –ρf) g (Δz – ½ zc); donde:
Circulación natural o termosifón § ΔPB= diferencia de presión producida por al diferencia de densidades entre la parte caliente y fría del circuito, que produce la denominada fuerza ascensional. § Δz= diferencia de alturas entre la parte alta del circuito y la parte baja. § Ρacu= densidad en el depósito.
Circulación natural o termosifón § ρf = densidad del fluido a la salida del colector. § Zc = altura del punto estudiado. § Las pérdidas de carga tienen que ser lo más pequeñas posibles para favorecer el flujo de agua: § Tubos del colector de 22 mm de diámetro interno. § Tubos principales de 12 mm
Circulación natural o termosifón § Desventajas: § En lugares con afectación de heladas, el colector debe incorporar un sistema de protección contra heladas. § Afectados por los depósitos de calcio que pueden producirse en zonas con aguas duras.
Circulación natural o termosifón
Termosifón con doble circuito § Poseen un intercambiador térmico en el interior de acumulador de tal forma que no es el agua de consumo la que circula por los colectores. § Pequeña pérdida de rendimiento debida al intercambiador. § Se debe incluir en el circuito primario un pequeño vaso de expansión.
Termosifón con doble circuito § Tanto el circuito primario como el secundario han de tener válvulas taradas a la presión del elemento más débil de la instalación.
Circulación forzada § El flujo del fluido se produce mediante una bomba circuladora eléctrica. § Es necesario un control diferencial de temperaturas para la activación de la bomba. § Se utiliza doble circuito con intercambiador § Las pérdidas de carga no serán tan limitantes, habrán que cuantificarse para la elección de la bomba.
Circulación forzada § Amplia libertad en la elección del caudal de trabajo del sistema: § Idealmente aquel en que ha estado realizado el test de los colectores.
Estructura de la instalación § Objetivos: § Óptimo aprovechamiento de al energía captada. § Eficaz conexión con el sistema de soporte. § Eficaz distribución de la energía hacia los consumos finales. § Realizar un buen dimensionamiento del campo de colectores. § Diseño de la instalación de forma que todos los componentes trabajen dentro de los límites de seguridad y de lo más cerca posible de las condiciones normales de trabajo.
Estructura de la instalación § Conexión entre captadores: § Captadores en serie: la salida de un colector se conecta directamente con la entrada del siguiente. Para instalaciones que se utilizan en precalentamiento de agua. § Conexionado en paralelo: Es la más utilizada. – Cada colector trabaja dentro del intervalo de diseño. § Conexionada mixto: Grupos de varios colectores en serie unidos a cada grupo en paralelo con los restantes.
Estructura de la instalación § Soporte y Anclajes de los colectores. § La mejor orientación será la sur con una inclinación que dependerá de la temporada de uso de la instalación. § Características de los soportes de una instalación: § Tiene que ser capaz de soportar esfuerzos mecánicos superiores a 2. 000 Nm-2 de placa. § Materiales que soporten la intemperie y que no necesiten mantenimiento. § Tornilería y accesorios de acero inoxidable. Tienen que soportar esfuerzos superiores a 2. 500 Nm-2. Incorporar arandelas plásticas para evitar corrosiones. § Permitir diferentes posibilidades de sujeción y de fácil montaje.
Circuito hidráulico § Conducciones y Valvulería: § No presentas diferencias respecto a las instalaciones hidráulicas de cualquier sistema comercial. § Considerar las variaciones de Tª del circuito primario→ Altas solicitaciones mecánicas sobre las tuberías. § Materiales más utilizados: § Cobre: Más utilizado, fácil de trabajar, uniones por soldadura, variedad de accesorios en el mercado. § Polipropileno: bajo coeficiente de conductividad térmica, se une por termofusión, elevado coste.
Circuito hidráulico § Bombas circuladoras ó electrocirculadores: § Solo tiene que suplir la energía disipada por la pérdida de carga del fluido a lo largo del circuito. § Determinación del electrocirculador: § Ph = m Δp → Potencia necesaria para mover un caudal m bajo una diferencia de presión Δp. § Pe = Ph/ η → Potencia electrica del electrocirculador.
Circuito hidráulico § Eficiencia mecánica de al bomba: § 20 -50% para bomba de potecia inferior a 100 W ( residencias familizares) § 50 -75% electrocirculadores medianos § 75 -90% electrocirculadores grandes. § Se coloca en el circuito primario a la salida del acumulador ( para evitar cavitación).
Acumulador e intercambiador § Acumulador. § Acumula la energía térmica que se produce en el campo de colectores. § Tipos de almacenamiento: § Almacenamiento por calor sensible. (Aprovecha la capacidad calorífica de una sustancia). § Almacenamiento por calor latente. (Utiliza el calor latente de cambio de estado de una sustancia). Materiales de cambio de fase (PCM)→ Almacenan cantidad importante de energía en uncorto intervalo de tiempo. § Almacenamiento por calor de reacción.
Acumulador e intercambiador § Para los sistemas ACS: § Acumuladores por calor sensible. § Utilizan agua como elemento activo. § Materiales más usados: acero, acero inoxidable y fibra de vidrio reforzada. § Sistemas contra la corrosión: recubrimientos plásticos a base de: Pinturas epoxídicas y bituminosas, el vitrificado, protección galvánica directa. § Forma importante para aprovechar la estratificación.
Acumulador e intercambiador § Intercambiador. § Para sistemas de dos omás circuitos hidráulicos. § Originan una pequeña pérdida de eficiencia. § Evitan problemas de mezcla del agua de consumo. § Fundamentalmente líquido-líquido
Acumulador e intercambiador § Tipos: § Intercambiadores envolventes o de capa: Se sitúan en el interior de los depósitos. Fácil tener una superficie de contacto grande entre las dos capas. § Intercambiadores de serpentín: Se basa en la inclusión de un serpentín en el deposito. § Intercambiadores de tubo de contracorriente: exteriores al acumulador, necesitan de una bomba. § Intercambiadores de placas: Exteriores al acumulador. El más eficiente → ofrece una mayor superficie de intercambio con dimensiones exteriores reducidas.
Acumulador e intercambiador
Otros elementos § Vaso de Expansión. § Permite la expansión del fluido, contrarrestando los aumentos de volumen y presión producidos. § Se incluye en el circuito primario. § Puede ser: § Abierto: EL fluido del interior del vaso se encuentra en contacto directo con al atmósfera. Instalado en la parte más alta del circuito (Sólo para potencia < 70 k. W) § Cerrado: Fluido contenido en un recipiente hermético. § Evita pérdidas por evaporación de agua, limita entarada de O 2, , fácil montaje.
Otros elementos § Sondas y dispositivos de control. § Se utilizan en instalaciones en las que se utiliza una bomba. (sistema de control del funcionamiento de la bomba) § El sistema más utilizado es el termóstato diferencial.
Otros elementos § Fluido caloportador. § Encargado de transferir la energía térmica desde el absorbedor hasta el depósito acumulador. § Tipos: § Agua natural: Utilizado en circuitos abiertos → Agua caliente sanitaria pasa directamente por los colectores. § Agua con adición de anticongelante: Se utiliza para evitar problemas de heladas. § Líquidos orgánicos sintéticos o derivados del petróleo. § Aceites de silicona.
Aislamientos § Aislamiento térmico. § Para acumuladores: § Superficie menor a 2 m 2 → espesor mínimo de 30 mm § Superficie para volúmenes mayores → 50 mm § Intercambiadores externos: § No será inferior a 20 mm. § Tuberías y accesorios situadas en el interior: Depende del Dext. § Tuberías y accesorios situadas en el exterior: § Los valores se incrementan en 10 mm como mín.
Instalación
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