ENERGÍA SOLAR (SEGUNDA PARTE – DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES PARA AGUA)

Un proceso de conversión de energía solar puede ser dividido en tres fases: recepción, transferencia y acumulación. La recepción de calor se lleva a cabo directamente o a través de placas colectoras. Un ejemplo típico de dichas placas son las utilizadas para calentar agua, que constan de un cuerpo negro con un índice de radiación de gran absorción. Estos colectores se componen básicamente de una caja de material aislante, por lo general fibra de vidrio y resina de poliéster, aislado internamente con lana de vidrio fenólico y un cuerpo negro que cubre gran parte de un intercambiador de cobre. Para aumentar la resistencia térmica y minimizar las pérdidas, un cristal de 4 mm de espesor, perfectamente aislado con lana de vidrio o de silicio, cubre el dispositivo.
Un práctico sistema de calefacción de agua con colectores solares se ilustra en las figuras de abajo.

El agua del foco frío llega a la base de las tuberías del colector solar, las cuales absorben el calor por medio de la expansión térmica y la convección natural o forzada, y luego retorna al depósito. El flujo de agua continúa en este ciclo, y la temperatura aumenta gradualmente después de cada paso a través de los colectores.
La ecuación que rige el proceso es la siguiente:

Q = FA [I(ab) – U(Ti – Ta)]

donde
Q = Energía extraída por la placa (W)
F = Factor de eficiencia de remoción de calor de la placa (adimensional)
A = Área de la placa de ¼ (m2)
I = Tasa de incidencia de radiación solar absorbida por unidad de superficie de la placa (W/m2)
a = Coeficiente de transmisión solar de la cubierta transparente.
b = Coeficiente de absorción solar de la hoja de la placa
U = Coeficiente de pérdida de energía de la placa (W / º C? M2)
Ti = Temperatura del fluido (º C)
Ta = Temperatura ambiente (º C)

La energía útil del colector es

Qu = AGCp(Ti – To)

Donde G es el volumen de fluido por unidad de área de colector, Cp es el calor específico del agua ( 4190 kJ/ Kg °C) y To es la temperatura exterior del agua.
La eficiencia del colector se define como: h = Qu/AI
La generación de vapor de agua a través de energía solar, con temperaturas promedio entre 150 y 200 º C, tiene innumerables aplicaciones. El calentamiento directo de aire en secadores de granos y semillas también son muy comunes hoy en día, con la ventaja que estos sistemas menos sofisticados pueden competir con aquellos que utilizan combustibles convencionales.
La adopción de cualquier proceso solar ayuda a evitar pérdidas en el volumen de los granos (de hasta un 50%), debido a un almacenamiento deficiente, que los expone a la humedad. En cualquier caso, los colectores solares pueden evitar la quema de combustibles fósiles en algunas industrias, tales como las de transformación de alimentos, y puede contribuir a una reducción de energía eléctrica y el consumo de gas en residencias.

CÁLCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES TÉRMICAMENTE
AISLADOS
Los recipientes para almacenamiento de agua caliente tienen paredes dobles que impiden las pérdidas de temperatura, pero para aumentar su durabilidad deben ser inmunes a la corrosión. Algunos módulos comerciales se construyen en acero inoxidable AISI 304 y resinas especiales de poliéster para el agua caliente y pueden resistir temperaturas de hasta a 280 º C y presiones de 7 atm. Un método simplificado de cálculo de transferencia de calor en los recipientes térmicamente aislados en estados estacionario y transitorio se presenta a continuación.

Estado Estacionario.
El calor fluye desde la alta hasta la baja temperatura de acuerdo a la relación:

P = (T alta – T baja) / Rt………(1)

Donde P es la potencia estacionaria disipada en el depósito (W), T es la temperatura (°C), y Rt (ó simplemente R) es la resistencia térmica (°C/W) cuyas componentes dependerán del material de fabricación (tuberías y depósito) (Rps) y del ambiente interior (Rra).

Estado transitorio.
En un instante tla temperatura se eleve bruscamente (de manera exponencial). Para expresar la diferencia instantánea de temperatura, que se define como ΔT = ZthP, donde Zth es la impedancia térmica del depósito, que varía con el tiempo. El circuito equivalente térmico, incluyendo la capacidad térmica C, se ilustra en la figura de abajo, con su respuesta transitoria a
un paso brusco de potencia que se ilustra luego.

El concepto de impedancia térmica transitoria, Zth, se utiliza para aplicaciones con cargas térmica repetitiva y condiciones de descarga a alta potencia, es decir, cuando el depósito opera en diferentes estados de variación de calor.
Una manera práctica de medir las constantes térmicas R y C podría ser el siguiente. Un elemento electrotérmico se sumerge en el medio del fluido térmico en un depósito de tal manera que un estado estacionario de potencia v2/ R que se transmita puede ser medido, como se muestra en la Figura previa. Después de un periodo de potencia constante para el elemento térmico, la temperatura interna llegue a un valor estable que se mide simultáneamente con la temperatura ambiente cercana al tanque. El valor de R se puede calcular por la ecuación (1).
Para el cálculo de C, podemos continuar con el experimento de la prueba anterior para evaluar R y su última temperatura medida, salvo que ahora la resistencia activa
se desconecta. La temperatura comenzará a disminuir de manera exponencial, al igual que en la figura de abajo y sus valores a intervalos periódicos se pueden registrar en una tabla o gráfico.
La capacidad térmica se puede evaluar a partir de la ecuación:

ΔT/P = R(1 – exp (-t/RC)) = Zth

La cual para T(i=0) = Talta =PR , se puede escribir de manera más conveniente.

Ci = ti / RLn (ΔTi/PR)

Habrá tantos valores de Ci como instantes de la medición de Ti, y un buen valor medio se podría obtener a partir de ahí. Un alto aislamiento térmico estándar debe garantizar la conservación del agua caliente por períodos muy largos. Las grandes diferencias de temperatura entre las superficies interior y exterior del depósito incrementará sus pérdidas.


Calentamiento doméstico de agua.

Calentar un cierto volumen de agua implica una determinada cantidad de energía. Para uso doméstico, dicha cantidad está vinculada a los hábitos de cada uno de los ocupantes de una residencia. Los datos registrados muestran que, en promedio, cada miembro de una familia utiliza aproximadamente 100 litros de agua al día. La cantidad de
energía utilizada para calentar el agua cada mes entonces se estima así:

L = NP(100)(Tw – Tm)ρwCp


Donde:

L = Energía utilizada para calentar el agua por mes
N = Número de días al mes
P = número de personas
Tw = Temperatura mínima aceptable para el agua caliente (60 º C)
Tm = Temperatura ambiente del agua
ρw = Densidad del agua (1kg /Lt)
La ecuación anerior se puede utilizar para predecir la cantidad de energía utilizada para calentar el agua en un período determinado.
Ejemplo Para estimar el uso promedio mensual de energía para calentar agua [Joules
(W / s)] en una familia de cuatro personas, con agua a una temperatura ambiente de 11 °C, la ecuación indicará:
L = (30dias)(4 personas)(100 Lts/dia)(60° - 11°)(1Kg/Lt.)(4190 J / Kg °C) = 2,464 x E9 J.

GEOMETRIA DE INSTALACIÓN PARA UN CALENTADOR SOLAR

Referencias:
*INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - FELIX A. FARRET & M. GODOY SIMOES - IEEE.

* TEORÍA PARA EL DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES DE AGUA - Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental - Organización Panamericana de la Salud.