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Proyecto de colector solar, Guías, Proyectos, Investigaciones de Mecánica

Informe detallado de un colector solar.

Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones

2018/2019

Subido el 06/02/2023

richardplasencia
richardplasencia 🇵🇪

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Uncolector solarocaptador solares cualquier dispositivo diseñado para recoger (colectar)
la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de una red con vistas a su
aprovechamiento. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja
temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción,agua
caliente sanitariay climatización de piscinas,
Colectores de baja temperatura
Colectores solares planos.
Son aquellos que, por una inversión moderada, permiten obtener energía térmica para usos
habituales en la construcción.
Colector solar plano
También llamadopanel solar térmico, consiste en una superficie plana por la que discurre,
embebida o pegada, una tubería por la que discurre el agua que se ha de calentar. El conjunto
de la superficie (panel) y tubería son o están pintados, de color negro, que absorbe la
radiación solar. Hay dos tipos fundamentalesː
Colector plano protegido: cuentan con unvidriofino en la cubierta que limita las
pérdidas de calor y aumenta la captación por efecto invernadero. El resto de caras
estánaisladas térmicamente. Son los más utilizados por tener la relación coste-producción
de calor más favorable. El captador está en una caja rectangular, cuyas dimensiones
habituales oscilan entre los 80 y 120cm de ancho, los 150 y 200cm de alto, y los 5 y
10cm de espesor (aunque no están normalizados).
Colector plano no protegido: sistema más económico y de menor rendimiento, utilizado
esencialmente para climatización de piscinas. En este caso no dispone de vidrio protector,
por lo que no aprovecha el efecto invernadero, y se calienta simplemente porque la
radiación solar calienta mejor una superficie negra que otra de color claro. Dada la
simplicidad de este tipo de colectores, existen multitud de subvariantes tanto en formas
como en materiales: conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro
es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su limitada eficiencia,
necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo
compensan por su bajo coste.
Colector de tubos de vacío
Uncolector solar de tubos de vacíoconsiste en una serie de tubos de vidrio de doble
pared; la cámara intermedia está al vacio. Existen tres sistemas:
Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.
Flujo indirecto conheat pipe:1 el calor evapora un fluido en el tubo, y este
transmite su energía al condensarse en el extremo. y por el tubo interior discurre
elcaloportador
Flujo indirecto sinheat pipeLa diferencia con el anterior es que es construido al
100% con cristal de borosilicato, evitando la utilización de cobre, por lo que
abarata aún más sus costos, además eleva el rendimiento un 30% con respecto
a los tubos de vacío con Heat-Pipe.
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Un colector solar o captador solar es cualquier dispositivo diseñado para recoger (colectar) la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de una red con vistas a su aprovechamiento. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción, agua caliente sanitaria y climatización de piscinas,

Colectores de baja temperatura

Colectores solares planos. Son aquellos que, por una inversión moderada, permiten obtener energía térmica para usos habituales en la construcción. Colector solar plano También llamado panel solar térmico , consiste en una superficie plana por la que discurre, embebida o pegada, una tubería por la que discurre el agua que se ha de calentar. El conjunto de la superficie (panel) y tubería son o están pintados, de color negro, que absorbe la radiación solar. Hay dos tipos fundamentalesː  Colector plano protegido : cuentan con un vidrio fino en la cubierta que limita las pérdidas de calor y aumenta la captación por efecto invernadero. El resto de caras están aisladas térmicamente. Son los más utilizados por tener la relación coste-producción de calor más favorable. El captador está en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de espesor (aunque no están normalizados).  Colector plano no protegido : sistema más económico y de menor rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas. En este caso no dispone de vidrio protector, por lo que no aprovecha el efecto invernadero, y se calienta simplemente porque la radiación solar calienta mejor una superficie negra que otra de color claro. Dada la simplicidad de este tipo de colectores, existen multitud de subvariantes tanto en formas como en materiales: conceptualmente, una simple manguera enrollada y pintada de negro es, en esencia, un colector solar plano no protegido. Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan por su bajo coste. Colector de tubos de vacío Un colector solar de tubos de vacío consiste en una serie de tubos de vidrio de doble pared; la cámara intermedia está al vacio. Existen tres sistemas:  Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.  Flujo indirecto con heat pipe :^1 el calor evapora un fluido en el tubo, y este transmite su energía al condensarse en el extremo. y por el tubo interior discurre el caloportador  Flujo indirecto sin heat pipe La diferencia con el anterior es que es construido al 100 % con cristal de borosilicato, evitando la utilización de cobre, por lo que abarata aún más sus costos, además eleva el rendimiento un 30 % con respecto a los tubos de vacío con Heat-Pipe.

Colectores de alta temperatura

Concentradores solares de espejo parabólico.  Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parabólicos. Pueden ser: o Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer una tubería situada en el foco de la parábola o Sistemas puntuales (disposición esférica): con forma de paraboloide de revolución, utilizado para concentrar más la radiación y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas.  Espejos planos o lentes Fresnel lineales,^2 con idéntica función que los concentradores solares lineales.

Colectores de muy alta temperatura

Llamada a veces horno solar , son sistemas para obtener muy altas temperaturas. Antiguamente se hizo con concentradores parabólicos fijos (horno solar de Odeillo) y actualmente se hace con campos de espejos planos orientables que dirigen su reflejo y lo concentran en un único punto situado en una torre, en la que se genera vapor de agua que suele servir para producir electricidad.

Si se conocen los valores de QU y HT para intervalos de una hora, la eficiencia horaria puede expresarse por: hora = QU /^ AC HT Donde: QU: Energía útil absorbida por el colector en una hora. HT: Radiación total solar incidente sobre la superficie del colector en la unidad de área, durante la misma hora. En el proceso de cálculo se van obteniendo los valores de QUy HT para cada hora del día. Después, la eficiencia diaria se calcula por la relación: El valor de la eficiencia diaria puede calcularse para cualquier día del año o para un día promedio. Si se desea evaluar un colector, comparar dos modelos diferentes o diseñar un nuevo prototipo, puede utilizarse la eficiencia diaria calculada para cualquier día del año. Si se desea confeccionar el proyecto de una instalación solar, el valor de la eficiencia diaria que debe utilizarse es aquel hallado para un día promedio, representativo del período para el cual debe trabajar la instalación. El cálculo de la eficiencia diaria requiere el conocer los valores de QU y HT para cada hora del día. El valor de la radiación solar incidente HT se puede hallar por la ecuación: HT = (H – Hd) Rb + Hd (1 + cos )/2 + H (1 – cos ) (^) T/ 2 H: Radiación total horaria que incide sobre una superficie horizontal. Hd: Radiación difusa horaria que incide sobre una superficie horizontal. Rb: Relación entre la radiación directa sobre una superficie inclinada y una superficie horizontal. : Ángulo de inclinación del colector con relación a la horizontal. T: Reflexividad del suelo. En toda instalación solar debe tomarse en cuenta tal inclinación, pues variándola puede cambiarse el valor de la energía ganada en una gama muy amplia. El ángulo que se seleccione dependerá de la forma en que se uti- lice la instalación; esto es, la estipulación de que funcione principal- mente en invierno, en verano o durante todo el año determinará, en cada caso, una inclinación diferente para los colectores. Si se desea un máximo rendimiento anual se recomienda dar a los colectores una inclinación de 0,9, donde representa la latitud del lugar. La energía útil ganada por el colector va a depender de la radia- ción recibida, del tipo de colector, su diseño y materiales utilizados, del área que tiene la superficie de absorción y además, de la tempe- ratura de trabajo y la del medio ambiente. El valor de QU se puede determinar para cada hora por medio de la fórmula: QU = AC [S – UL(Tpm – Ta)]

Donde: S: Radiación total absorbida por el colector en la unidad de área en una hora. UL: Coeficiente total de pérdidas del colector. Tpm: Temperatura media del plato de absorción. Ta: Temperatura del medio ambiente. Y como la temperatura del plato de absorción es difícil de de- terminar, puede también usarse la fórmula: QU = ACFR [S – UL (Tf – Ta)] Donde: Tf: Temperatura del fluido que entra al colector. FR: Factor de remoción de calor del colector. La radiación total absorbida por el colector depende de la ra- diación que llega a él y de ciertas propiedades de los materiales y características del colector, tales como la transmisividad de la cubierta transparente, la absorbencia del plato, etcétera. El valor de S puede determinarse para cada hora por medio de la ecuación: S = HT ( )e (1 – a) (1 – b) Donde: ( )e: Valor efectivo del producto transmisividad-absorbencia en el colector. (1 – a): Factor del efecto del polvo sobre el colector. (1 – b): Factor del efecto de la sombra sobre el plato de absorción El producto efectivo transmisividad-absorbencia del colector es un factor muy importante en su eficiencia, que depende de las ca- racterísticas del material de la cubierta (su reflexividad y su factor de absorción y extinción), del grueso de las planchas transparentes usadas y, principalmente, de la cantidad de éstas. El factor ( )e depende también de las características de la superficie del plato de absorción. El efecto de la suciedad ha de considerarse en una instalación que trabaje largo tiempo; para este caso se toma el valor de a = 0,02 usualmente. El efecto de la sombra depende de la geometría del colector. Para un colector con dos planchas transparentes de cubierta, espa- ciadas a 20 mm, se recomienda un valor para el efecto de sombra de b = 0,03. En este efecto sombra no se toma en consideración la de los árboles y edificios que puedan interponerse en la trayectoria del Sol y del cielo, sino solamente las que dependen del diseño del colector. Se considera un cielo libre de obstáculos a partir de los 15o de altitud desde el alba hasta el atardecer. Otro de los factores que más influyen en la eficiencia del colector es el coeficiente total de pérdidas UL. El cálculo de este coeficiente se realiza por medio de un proceso iterativo basado en la teoría de la transferencia de calor por conducción, convección y radiación. El co- eficiente total de pérdidas está dado por la suma de tres coeficientes: UL = UT +^ Ub +^ Ue

Ue =^ keAe /^ LeAc

Donde:

Le: Espesor del aislante lateral. ke: Conductividad térmica del aislante. Ae: Área lateral. Ac: Área de la cubierta. Uno de los parámetros que más afecta al valor del coefi- ciente total de pérdidas es el número de planchas en la cubier- ta. Mientras mayor sea su número, menores serán las pérdidas; pero, por otro lado, disminuirá la radiación que llegue al plato de absorción, ya que también se afecta el factor ( )e; por esto, el valor N óptimo ha de fijarse con el objetivo de una eficiencia máxima en el colector. En la práctica, el número de planchas en la cubierta varía de una a tres en dependencia, principalmente, de la temperatura media del plato Tpm; a una temperatura más alta, mayor será el número de planchas requeridas. El último factor necesario para el cálculo de QU es el de remoción de calor del colector. Conviene definir este factor como una cantidad que relaciona la energía útil ganada por el colector con la energía útil ganada, si la superficie del colector estuviera a la temperatura de entrada del fluido; así, este factor se puede expresar matemáticamente como: FR = [ Cp (Tfo – Ffi)] / Ac [S – UL (Tfi – Ta)]

Donde:

: Flujo de agua (o líquido) por el colector.

CP: Calor específico del fluido.

Tfo: Temperatura del fluido a la salida del colector.

Tfi: Temperatura del fluido a la entrada del colector.

Ta: Temperatura del medio ambiente.

Para los fines del cálculo de la eficiencia de los colectores so- lares es conveniente expresar el factor FR en función del factor de eficiencia F’ del colector, de acuerdo con la fórmula:

FR = [ Cp / AcULF’][ 1 – e–(AcULF’^ /^ Cp)]

El factor de eficiencia del colector F’ depende principalmente de la forma geométrica del plato

de absorción y de las propieda- des de los materiales con que está construido. Esto significa

que para cada diseño del colector es necesario calcular un factor de eficiencia F’.

Después de conocidos los valores de QU y HT para cada hora del día y de UL y FR, se puede

finalmente determinar el valor de la eficiencia del colector mediante la fórmula 5.1. De esta

manera se llega al fin del cálculo de la eficiencia de los colectores solares planos, y los valores

obtenidos pueden utilizarse, si es necesario, en el cálculo del número de colectores.