Guía de diseño de aplicaciones con energía térmica solar para aplicaciones no residenciales (3ª PARTE)

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Sistemas de paso simple en bucle abierto

Debido a que las cargas industriales operan durante todas las horas de sol o incluso para un día de 24 horas, el sistema térmico  solar más simple es uno sin almacenamiento de calor. Una porción apreciable (entre el 25 % y el 70 %) de la carga térmica del día puede suministrarse por tales sistemas,

Debemos asumir que TLi y Txi son constantes durante todas ls horas del día. Debido a que no se proporciona almacenamiento, el exceso de captación (cuando TCi > TLi) tendrá que ser eliminado.

El máximo área de colector Ac para el cual no es necesario eliminar energía en ningún momento del año puede ser encontrado desde la siguiente ecuación de equilibrio térmico instantáneo:

Donde P_L, la demanda de calor térmica instantánea de la carga (en kW) viene dada por:

Y F_R es el factor de extracción de calor del campo del colector cuando su área de superficie es Ac. Ya que Ac es todavía desconocido, el valor de F_R también es indeterminado. Recuérdese que el factor de eficiencia de la placa F´ para colectores de líquido pueden ser asumidos constantes e independientes del caudal del fluido por área del colector unitario. La P_L puede expresarse en términos de nivel de radiación crítica I_C:

Si el área del colector actual A_C excede este valor, el exceso de energía tendrá lugar tan pronto como la intensidad de radiación alcance un valor ID, cuyo valor es determinado en el siguiente balance térmico:

Nótese que el valor de I_D decrece con el incremento del área del colector A_C, por lo tanto indicando que al incrementar la cantidad de energía solar tendrá que ser eliminada.

Componentes de costes de un sistema solar

La forma como los componentes individuales del sistema solar contribuyen al coste total puede estimarse a partir de la siguiente tabla. Nótese que los colectores constituyen la fracción principal, por lo que deben seleccionarse y dimensionarse con gran cuidado. Los costes de las tuberías son el segundo en importancia y también los costes de la estructura soporte son relevantes.

Componentes de coste	Rango de porcentaje
Colectores	15-30
Instalación del colector	5-10
Estructura de soporte del colector	5-20
Depósitos de almacenamiento	5-7
Tuberías y accesorios	10-30
Bombas	1-3
Intercambiadores de calor	0-5
Enfriador	5-10
Varios	2-10
Instrumentación	1-3
Aislamiento	2-8
Subsistema de control	4-9
Material eléctrico	2-6

Diseño de aplicaciones de calor solar en procesos industriales

Hasta ahora el uso de la energía térmica solar se ha utilizado casi exclusivamente en piscinas, preparación de agua caliente doméstica, y calentamiento de espacios, mientras que su uso en el sector servicios y en aplicaciones industriales es insignificante. Sin embargo el sector industrial consume mucha energía y aproximadamente el 30 % caen dentro de un rango de temperaturas compatible con los colectores térmicos solares.

Los sectores industriales y procesos más prometedores son los mostrados en la siguiente tabla y la distribución de demanda de calor por rango de temperatura.

Sector	Procesos	Temperatura (ºC)
Fabricación de cerveza y malteado	Ebullición de mosto	100
	Lavado de botellas	60
	Secado	90
	Enfriamiento	60
Leche	Pasteurización	60-85
	Esterilización	130-150
Preservación de alimentos	Pasteurización	110-125
	Esterilización	< 80
	Cocinado	70 – 100
	Escaldado	95 – 100
	Blanqueo	< 90
Carne	Lavado, esterilización, limpieza	< 90
	Cocinado	90 – 100
Vino y bebidas	Lavado de botellas	60 – 90
	Enfriamiento (enfriamiento de absorción de efecto simple)	85
Textil	Lavado, blanqueo, teñido	< 90
	Cocinado	140 – 200
Automóviles	Secado de pintura	160 – 220
	Desengrasado	35 – 55
Papel	Pulpa de papel: Cocinado	170 – 180
	Agua de alimentación de la caldera	< 90
	Blanqueo	130 – 150
	Secado	130 – 160
Curtido	Calentamiento de agua para procesos húmedos	165 – 180 (vapor)
corcho	Secado, corcho cocido	40 – 155

Integración de colectores térmicos en sistemas industriales

Para temperaturas de proceso de hasta 60 ºC, los colectores de placa plana con absorbedores selectivos son los más apropiados y pueden ser la solución más económica incluso en rangos de temperatura de 90 ºC. Para temperaturas por encima de este rango, otros tipos de colectores deben ser considerados: tubos evacuados, placas planas de alta eficiencia, CPC o colectores de concentración de línea-eje.

En los últimos años se han desarrollado colectores de temperatura media para aplicaciones en el rango de temperaturas de 80 – 120 º C. Por ejemplo, los colectores de placa plana con acristalamiento anti reflexión doble y colectores herméticamente sellados con relleno de gas inerte, o incluso una combinación de ambos, reducen las pérdidas de calor del colector sin sacrificar significativamente el rendimiento óptico. En la siguiente figura se muestran las curvas de eficiencia estimadas para placas planas  de simple-, doble, triple vidrio.

Otra solución para los colectores de temperatura media es reducir las pérdidas de calor por concentración por, por ejemplo, uso de colectores CPC estacionarios sin vacío y con factor de concentración bajo (en el rango de dos).

Entre 150 º y 250 º C, es apropiado considerar la tecnología de colector parabólico. Mucho es conocido sobre las aplicaciones de alta temperatura (400 º C – 600 ºC) usando colectores parabólicos para producción de energía eléctrica, pero el ajuste debe hacerse en el rango de temperatura media. Los colectores parabólicos pueden incluso ser una alternativa apropiada para grandes sistemas a bajas temperaturas (alrededor de 60 º C).

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