Muchas son las tecnologías que
venimos estudiando en nuestro blog para conseguir disminuir el consumo
energético. Hoy nos centramos en el diseño de colectores solares para sistemas
activos utilizados para genera calor
Tipo, diseño, orientación y
localización son todos factores que afectan la capacidad de un colector solar
activo para absorber el calor solar. La temperatura deseada del aire o agua
caliente depende del uso previsto.
Diseño de colectores activos
El diseño de colectores solares
activos puede hacerse de muchas formas, pero todas tienen dos características
comunes: (1) Superficie pintada de negro para absorber los rayos del sol,
causando un incremento de temperatura en esa superficie y (2) medio de
transferencia, usualmente aire o agua, para recoger el calor absorbido y
transferirlo al punto de uso o almacenamiento. Típicamente la mayoría de los
colectores usan placas sobre la superficie absorbedora que ayudan a reducir las
pérdidas de calor por convección y radiación. Colectores típicos de aire y agua
son mostrados en la figura con la que abrimos este artículo.
La mayoría de los recintos para
confinar animales pueden fácilmente adaptarse a sistemas solares de tipo aire
antes que a los sistemas de tipo agua, el motivo es que tienen sistemas de
ventilación existentes que pueden usarse para distribuir el aire caliente.
Comúnmente las placas de cubierta
están hechas de vidrio, fibra de vidrio o plástico. El vidrio de ventana de
doble o simple resistencia tiene una transmisividad del 87 %. Esto quiere decir
que el 87 % de la radiación solar pasa a través de la superficie del absorbedor
negra.
La fibra de vidrio es un material
comúnmente usado como colector en granjas. Su transmisividad es algo menor que
la del vidrio (aproximadamente un 80 %), pero es más resistente a la rotura.
También es usan láminas de
plástico, pero solamente unos pocos tipos pueden resistir los rayos del sol
durante más de un año o dos antes de perder el color y volverse quebradizo. La
transmisividad del plástico es alta (92 %), pero pueden ocurrir pérdidas por
calor radiante de hasta un 30 % en la parte trasera de la cubierta (en
comparación con los vidrios y fibra de vidrio).
La eficiencia de un colector
solar activo se mide por su efectividad en la transmisión de energía, a través
de la placa de cubierta, y por la absorción y retención de esa energía en su
superficie absorbedora. La eficiencia está influida por la cantidad de aislamiento
usado en la construcción del colector y por la tasa a la cual el fluido del
medio de transferencia fluye a través del colector. Dependiendo del diseño y
orientación, los colectores estacionarios pueden capturar entre un 25 – 60 % de
la energía disponible.
Colectores solares
Hay dos tipos básicos de
colectores solares usados para calentar aire o agua. Son los colectores de tipo
plano y los colectores de concentración. Los colectores de concentración
enfocan los rayos del sol que inciden en un reflector en un área de absorción
más pequeña.
En la mayor parte de los
colectores, es necesario aislamiento en la parte trasera para reducir las
pérdidas de calor por radiación desde el frente del colector.
El diseño básico de un colector
de agua consiste en una placa absorbedora, generalmente con tubos, una
envolvente y un aislamiento detrás de la placa absorbedora.
En la siguiente tabla se muestran
las eficiencias típicas de los colectores usados en aplicaciones de granjas.
Tipos de colectores
|
Eficiencia promedio
|
Colectores de pared vertical para uso invernal
|
|
Ventana solar
pasiva (fibra de vidrio)
|
80 %
|
Pared de bloque de
hormigón (tipo aire)
|
50 %
|
Colectores con inclinación de 45º - 65 º
|
|
Tubos de plástico
(de tipo agua a alta temperatura)
|
35 %
|
Placa desnuda
(tipo aire)
|
30 %
|
Placa cubierta
(tipo aire)
|
35 %
|
Placa cubierta
(tipo aire)
|
40 %
|
Placa suspendida
cubierta (tipo aire)
|
45 %
|
Los colectores que hemos
considerado son todas unidades de baja temperatura: Los colectores de alta
temperatura son alrededor de un 10 % menos eficiente. Pueden usarse reflectores
para incrementar la eficiencia del colector en un 5 – 10 %.
Los colectores más apropiados
transfieren el calor a una temperatura que es menos de 27,8 ºC más alta que la
temperatura del aire exterior. Las unidades a baja temperatura pueden usarse
para calentar el aire entrante en los recintos del ganado y para el secado de
grano a baja temperatura.
Los colectores de baja temperatura
son unidades de tipo de aire, operados con caudales que van de 19 a 57 m3/h
por m2 de colector. Estarán aislados al menos con R = 4
(preferiblemente hasta R = 13). Debido a que las diferencias de temperatura
entre el aire caliente solar y el aire exterior no es grande, las pérdidas del
colector y distribución son mínimas, y la eficiencia es alta.
Para obtener más capacidad de
calefacción de un colector a baja temperatura, se incrementará el área de
absorción de energía o se acelerará el caudal de aire a través del colector.
(Aunque acelerar el caudal de aire incrementa la eficiencia y la cantidad total
del calor colectado, la temperatura del aire dejando el colector será inferior.
El calor a alta temperatura
significa que la temperatura del medio de transferencia dejando el colector es 47
ºC o más. El medio de transferencia suele estar más de 27,8 ºC por encima de la
temperatura del aire exterior. Esta aplicación se usa principalmente para
calentar obleas para el suelo en los recintos ganaderos pero también puede
usarse donde el flujo de aire es bajo y se desean altas temperaturas.
Almacenamiento de calor
Un sistema de recirculación dual como el que mostramos en
la siguiente figura se utiliza para almacenamiento del agua obtenida con los
colectores.
Usualmente, las bombas en el circuito de calor almacenado
operan sólo si la temperatura del medio de transferencia de calor está por lo
menos 5,5 º C más alta.
Tamaño del almacenamiento de calor
El almacenamiento de energía en
los recintos con animales es apropiado tanto para colectores de baja
temperatura como para los de alta temperatura. El almacenamiento permite
equilibrar la captación de calor con el uso de calor, nivelando los picos y
valles del suministro de energía solar y extendiendo la utilidad del sistema a
días nublados y noches.
El almacenamiento de calor debe
dimensionarse para alrededor de dos días de capacidad para los colectores de
baja temperatura y alrededor de dos días para los de alta temperatura. Un
almacenamiento de energía demasiado grande hace difícil mantener las
temperaturas a un nivel usable, especialmente en el caso de sistemas de alta
temperatura que proporcionan calor al suelo.
El tamaño del almacenamiento está
directamente relacionado con el área de la superficie del colector. Como norma
general por cada m2 de superficie de colector dispondremos de 163
litros de almacenamiento de agua.
Bibliografía
- Solar Heating Systems for Confinement Livestock Buildings. Energy management in agricultura. AE-99. Department of Agricultural Engineering, Purdue University
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