Si bien muchos programas están
disponibles para diseñar aplicaciones de energía térmica solar, la inmensa
mayoría de las herramientas disponibles se han desarrollado para el uso de esta
energía en edificios, y específicamente
para aplicaciones residenciales y comerciales. Pero son muchos los usos de la
energía térmica solar que son hoy competitivos como la integración de energía
en procesos industriales o la obtención de energía para usos diversos en
ubicaciones remotas. Para estas interesantes aplicaciones no dispondremos de
herramientas sencillas y tendremos que recurrir a las ecuaciones termodinámicas
y a realizar pruebas empíricas para validar los desarrollos que deseamos
explorar. En esta nueva guía de diseño nos centramos en la descripción de los
métodos que podemos utilizar para desarrollar este tipo de aplicaciones.
Tipos de aplicaciones
Las aplicaciones más extendidas
de la energía térmica solar son el calentamiento de agua y de espacios, y su
desarrollo va implantándose progresivamente conforme aumenta su competitividad
con los sistemas convencionales a base de combustibles fósiles.
El rango de aplicaciones térmicas
de la energía térmica solar va desde las bajas temperaturas que se requieren en
el agua doméstica y el calentamiento de piscinas, a las medias- altas-
temperaturas que se requieren en la refrigeración por absorción o la producción
de vapor para generación eléctrica.
En esta exposición nos centramos
en los sistemas de baja temperatura cuya principal ventaja es que requieren
inversiones de capital bastante reducidas.
Colectores
Los colectores solares planos son
los más convenientes para procesos que requieren fluidos trabajando a baja
temperatura (25 º C) y pueden transmitir temperaturas de fluido de 25 ºC
incluso en días nublados. El término colector de placa plana generalmente se
refiere a un serpentín hidrónico alojado en una caja aislada con cobertura de
vidrio simple o doble que permite a la energía solar calentar el absorbedor. El
calor se extrae del fluido a través de los serpentines hidrónicos. Su diseño lo
hace más susceptible a las pérdidas parásitas que un colector de tubo evacuado
pero más eficiente en la captura de energía solar debido a que los colectores
de placa plana convierten tanto la radiación solar directa como la indirecta en
la energía térmica. Esto hace que los colectores de placa plana sean la
elección preferida para aplicaciones de calentamiento a baja temperatura.
Acoplando una bomba de calor de fuente agua (temperaturas de fluido bajas) con
colectores solares se obtiene una eficiencia de calentamiento más alta que las
aplicaciones GSHP y las calderas de gas.
Las curvas de rendimiento de un
colector solar de placa plana típica son como las de la figura con las que
abrimos este texto. La eficiencia del colector (ŋ)
se expresa como una función de la temperatura de entrada del fluido de trabajo
del colector (Tin), la temperatura ambiente (To) y la
radiación solar total incidente en la superficie del colector (GT).
El porcentaje de energía que un
sistema solar puede proporcionar es conocido como fracción solar. El método
f-chart desarrollado por Sandford Klein proporciona una valoración exacta de la
cantidad de energía que un sistema térmico solar proporcionará. Esta
modelización proporciona al diseñador la capacidad de variar los parámetros del
sistema, tales como áreas de colectores, volumen de almacenamiento, temperatura
de operación, y carga, para optimizar el diseño del sistema.
La efectividad en costes de los
sistemas solares térmicos son también dependientes de tener una carga constante
para la energía que el sistema solar proporciona.
El agua caliente del sistema
solar puede utilizarse para aplicaciones diversas tales como calentar o
precalentar agua, o para calentar aire mediante un intercambiador de calor.
También son interesantes las
aplicaciones de frío solar, especialmente porque la demanda de frío en
latitudes templadas suele coincidir con los periodos de mayor demanda.
Métodos de diseño de sistemas solares
Los métodos de diseño pueden
separarse en tres clases genéricas. La categoría simple, usualmente asociada
con la pre factibilidad implica cálculos manuales rápidos del rendimiento del
sistema/colector solar. El método de las correlaciones anuales generalizadas
puede ser usado para estudios a lo largo del año con cargas más o menos
constantes. La aproximación es directamente válida para sistemas solares en
bucle abierto, mientras que puede también ser usado para sistemas en bucle
cerrado si puede determinarse la temperatura de entrada del colector promedio.
Una forma simple de seleccionar esta temperatura Tm para sistemas
multipaso en bucle cerrado es asumir la siguiente relación empírica:
Donde Tmains es la
temperatura de alimentación anual promedio y Tset es la temperatura
del agua caliente requerida (en la mayoría de los casos 60 – 80 ºC).
Los métodos de diseño de nivel
medio se realizan durante el estudio de factibilidad del proyecto. Nos
centramos principalmente en el estudio de los métodos en este nivel.
Los métodos de diseño detallados
implican realizar simulaciones hora a hora del sistema solar a lo largo de todo
el año.
Ver 2ª PARTE
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