03 noviembre 2013

Cálculo del rendimiento de captadores solares


En esta nota explicamos la forma de calcular el rendimiento de los captadores solares utilizados habitualmente para la producción de agua caliente.


Consideramos tres tipos de captadores

  1. Colectores sin esmaltar fabricados en polímero negro. No tienen un revestimiento selectivo y no incluyen un bastidor y aislamiento en la parte trasera; si no que usualmente se ponen simplemente en un tejado o en un soporte de madera. Son buenos para capturar la energía solar, pero las pérdidas térmicas al medio ambiente se incrementan rápidamente con la temperatura del agua particularmente en localizaciones ventosas. Los colectores sin esmaltar se usan comúnmente para aplicaciones que requieren transmisión de energía a baja temperatura (calentamiento de piscina, agua de reposición en piscifactorías, aplicaciones de calentamiento de procesos, etc); a menudo operan solamente en verano debido a las altas pérdidas del colector. Los colectores sin esmaltar son sensibles al viento y a menudo, la eficiencia de tales colectores incluye un término dependiente del viento.
  2. Colectores esmaltados a menudo tienen un revestimiento selectivo y se fijan en un bastidor entre un recubrimiento de vidrio en el frontal y un panel aislante en la parte posterior. Son buenos capturando energía solar y sus pérdidas térmicas al medio ambiente son relativamente bajos. Los colectores esmaltados se usan comúnmente en aplicaciones que requieren un reparto de energía a temperaturas moderadas (calentamiento de agua doméstica, calentamiento de espacios y aplicaciones de calentamiento de procesos a 50 ºC o menos) en medio de climas fríos. Pueden operar todo el año con protección anticongelación (ej. glicol, diseño drain-back). La eficiencia de los colectores esmaltados son independientes del viento.
  3. Los colectores evacuados son un revestimiento selectivo encerrado en una envolvente tubular de vidrio evacuado, sellado. Son buenos al capturar la energía solar; sus pérdidas térmicas son extremadamente bajas. Los sistemas actuales en el mercado usan una tubería térmica sellada en cada tubo para extraer el calor del absorbedor (un líquido se vaporiza mientras está en contacto con el absorbedor térmico, el calor es recuperado en la parte superior del tubo mientras que el vapor se condensa, y el condensado retorna por gravedad al absorbedor). Los colectores evacuados son buenos para aplicaciones que requieren transmisión de energía a temperaturas moderadas a altas (agua caliente doméstica, calentamiento del espacio y aplicaciones de calentamiento típicas a 60 ºC a 80 ºC dependiendo de la temperatura del exterior) en climas fríos. Pueden ser operados todo el año con protección contra la congelación. La eficiencia de colectores evacuados es independiente del viento.
Ecuaciones de eficiencia del colector

Las ecuaciones de eficiencia se basan en el área bruta, no el área de apertura.

Ecuación de eficiencia (lineal) genérica

Típicamente, el rendimiento de un colector solar esmaltado o evacuado es modelado por la siguiente ecuación:

eta = Fr (tau alpha) - [Fr UL]*DT/G

Donde:

eta es la eficiencia del colector (adimensional).
Fr (tau alpha) es un parámetro usado para caracterizar la eficiencia óptico del colector (adimensional)  [°C].
G es la radiación solar incidente global en el colector [W/m2]

Los parámetros Fr (tau alpha) y Fr UL se determinan a partir de ensayos estándar y están disponibles para la mayoría de los colectores en el mercado. El Fr más grande (tau alpha) es, la mayor eficiencia del colector al capturar la energía de la radiación solar. La más pequeña Fr UL es, la eficiencia del colector al retener la energía capturada en vez de perderla por convección y conducción a la temperatura ambiente.

Ecuación de eficiencia cuadrática

Algunos fabricantes o laboratorios de ensayos incluyen un término cuadrático en la ecuación de eficiencia:

eta = Fr (tau alpha) - [Fr UL]*DT/G - [Fr _UL-T]*DT2/G)

donde Fr UL_T es el coeficiente de temperatura de Fr UL.

Ecuación de eficiencia en formato europeo

Algunos laboratorios de ensayos, particularmente en Europa, estiman las eficiencias del colector con ecuaciones cuadráticas similares a las anteriores, excepto que DT es el diferencial de temperatura entre la temperatura del colector promedio y el exterior. 
 

Ecuaciones de eficiencia dependientes del viento para colectores no esmaltados

La primera de las ecuaciones se usa para modelar colectores no esmaltados.  Deben notarse los siguientes puntos:


  • Para colectores no esmaltados, G también incluye pérdidas radiativas  de onda larga al cielo.
  • Para la mayoría de los colectores no esmaltados, los coeficientes de eficiencia se ajustan dependiendo de la velocidad del viento Fr (tau alpha) llega a ser:                                                                                                                                                                                                                                       [Fr (tau alpha)] - [Fr (tau alpha)]wind*V
y Fr UL llega a ser::

[Fr UL] + [Fr UL]wind*V

donde:

[Fr (tau alpha)] y [Fr UL] son dos coeficientes correctivos, expresados  in s/m and (J/m3)/°C, respectivamente, y C es la velocidad del viento esperimentada por el colector.

Diferencias entre área de apertura y bruta                                                                                                                            

  • Área bruta es el área total ocupada por el colector.
  • Área de apertura es el área máxima del colector en la que puede captarse el sol.
Si la eficiencia se expresa en términos de área de apertura, puede usarse la siguiente conversión:

  • eta_g = eta_a (Aa / Ag)

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