Energía solar térmica

Práctica de energía solar térmica

El objetivo de la práctica es entender el funcionamiento de un colector solar térmico, cuál es su fundamento físico y cómo se puede aplicar en la vida cotidiana.  En el interior del colector (3), por los efectos de la radiación solar simulada mediante una fuente halógena (1), se calienta el agua que se almacena en el recipiente de reserva (2 en la figura). Se hace circular el agua a través del colector y por medio de una bomba (4) se impulsa el agua desde el panel a la superior del recipiente. Un tubo de goma sale de la parte inferior del recipiente y la lleva al panel, haciéndola circular de manera continuada.                       

La práctica se lleva a cabo con una masa de agua determinada a temperatura ambiente y se finaliza una vez que ha transcurrido una hora desde que se enciende la lámpara. Durante ciertos intervalos de tiempo se va adquiriendo la temperatura del agua hasta finalizar la hora. Se realiza una gráfica de temperaturas (eje y) y tiempos de adquisición (eje x en s).  Un ajuste lineal de la nube de puntos permite obtener la pendiente de la recta, o variación de la temperatura respecto del tiempo, lo que permite estimar la potencia absorbida por el panel Pabs.

El rendimiento, η, es la relación entre la potencia térmica generada (potencia absorbido por el agua del colector, Pabs en W, c calor específico del agua expresada en J/(kg K), m masa en kg) y la potencia recibida, PT en forma de radiación solar incidente. La radiación incidente procedente del sol puede sufrir variaciones dependiendo de la latitud, la estación del año y el clima. Por otra parte hay que considerar la curva de rendimiento del panel (véase más adelante). Para la realización de la práctica, por simplicidad, se considera una radiación promedio por unidad de superficie de 1000 W / m2; para el cómputo de PT se multiplica por la superficie del colector.

 

 

 

➢      Energía solar térmica

Los paneles solares fotovoltaicos y los paneles solares térmicos aprovechan la misma fuente de energía, el sol, pero no sirven para lo mismo. Los paneles solares térmicos aprovechan el calor del sol para calentar agua; por lo general se suelen utilizar para suministrar agua caliente y calefacción en las casas. Los paneles solares fotovoltaicos, sin embargo, aprovechan la radiación del sol para generar electricidad.

–   Contexto histórico

El calor del sol ha sido un elemento utilizado por el hombre desde la prehistoria para secar la ropa, alimentos o para su transporte. Los romanos y los griegos hacían uso de sistemas solares térmicos por concentración solar, por medio de unos recipientes en forma parabólica con el interior reflectante llamados Skapia. También se utilizaban en el ejército (Arquímedes). Posteriormente, Horace de Saussure inventó la “caja caliente” que con su conocimiento sobre el efecto invernadero en espacios cerrados, propuso una caja acristalada. El interior era negro y todas las caras aisladas excepto la acristalada, inventando así el colector de energía solar. Posteriormente, se modernizaron en forma de colectores de placa plana (proporcionan agua caliente). A partir de aquí se fueron mejorando e innovando adquiriendo la forma y características actuales.

–   Ventajas y desventajas.

Es una energía renovable, su contaminación con respecto a otras es casi despreciable. Además es una fuente de energía ideal para zonas rurales o de alta montaña donde el transporte de la energía eléctrica es complejo, con muchas pérdidas, y requeriría una alta inversión económica. Estos sistemas poseen un sencillo mantenimiento, no requieren ningún combustible para su funcionamiento, sino que son autónomos, también reducen la dependencia de otros países para conseguir energía y promueve el empleo.

En contraposición, esta energía depende de la geografía y latitud de la zona, y por tanto de su climatología. Por otro lado, requiere una gran inversión económica inicial y la obtención de beneficios es a largo plazo. Si recuperamos nuestra inversión en menos de 5 años sería productivo, o en menos de 10 años aceptable; mayor a 10 años no sería rentable. Posee un bajo rendimiento (alrededor 11,6% según datos del Ministerio de Industria y Energía) y necesita una bomba que haga circular el fluido.

Si es un circuito abierto, tiene un mayor rendimiento pero no puede ser utilizado en zonas que son propensas a heladas, ya que, habría que implementar un anticongelante; si las aguas son excesivamente duras, el colector se puede dañar por precipitación de cal; en este caso, debe utilizarse un circuito cerrado.

–   Aplicaciones:

  • Producción de Agua Caliente Sanitaria.
  • Calentamiento de piscinas.
  • Calefacción de baja temperatura.

–   Proyecto de energía solar

El Ministerio de Industria y Energía regula la concesión de subvenciones para la energía solar 1996 y establece que la memoria para conseguir la subvención debe incluir:

  • Breve descripción técnica.
  • Ahorro esperado de energía y periodo de inversión en meses.
  • Presupuesto desglosado.
  • Inversiones a efectuar y su cronograma.

A esto se le debe incluir las siguientes partes que incluyen los aspectos anteriores: Memoria, cálculos, planos, pliego de condiciones, mediciones, presupuesto y estudio de rentabilidad. Ya que estos proyectos deben ser a largo plazo. Real Decreto 900/2015, de 9 de octubre, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas de las modalidades de suministro de energía eléctrica con autoconsumo y de producción con autoconsumo.

Publicado en:

«BOE» núm. 243, de 10/10/2015.

Entrada en vigor:

11/10/2015

Departamento:

Ministerio de Industria, Energía y Turismo

Referencia:

BOE-A-2015-10927

 

Radiación captada por un panel solar. Curva de rendimiento energético 

Los colectores solares poseen una curva característica de rendimiento función de una serie de factores. La expresión general de dichas curvas viene dada por la expresión:

Donde:

  • η0 representa el rendimiento del captador cuando la diferencia entre la temperatura media del fluido y la temperatura ambiente sea igual a cero (rendimiento óptico).
  •  Las pérdidas térmicas del captador se describen por medio de los dos coeficientes de pérdidas térmicas, k1 y k2. k1 define una variación lineal, mientras que k2 denota una variación cuadrática de las pérdidas térmicas. Cuanto mayor sean los dos coeficientes, menor será el rendimiento del captador.
  • Tm = Temperatura media del colector.
  • Ta = Temperatura ambiente.
  • I = radiación solar global en W /m2

 

Si se representa la curva dependiendo  de la radiación global, se observa que el rendimiento del captador disminuye si se reduce la radiación y si aumenta el salto térmico entre el captador y el ambiente. La mayor o menor transferencia de calor depende de las propiedades del vidrio (mayor o menor absorción) y de la reflexión en su superficie, cuanto menor sea el ángulo de incidencia respecto a la superficie del colector mayor será la reflexión.

En general, el análisis del intercambio por radiación entre superficies es complicado debido a la reflexión.

 

–   Enlaces de interés:

1.      https://www.youtube.com/watch?v=tRcHfPxScmc

2.      https://www.youtube.com/watch?v=9PfGzOb8P6c

 

–   Bibliografía:

1.      Cemaer. (s.f.). Diferencia entre panel solar y calentador solar. Obtenido de Mundo solar: http://www.dforcesolar.com/energia-solar/diferencia-entre-panel-solar-y-calentador-solar/

2.      SitioSolar. Historia de la energía solar. Parte I. Obtenido de:   http://www.sitiosolar.com/historia-de-la-energia-solar-parte-i/   

3.      Fuentes Villaseca, S. (8 de abril de 2015). Historia de la energía solar. Obtenido de Colectores solares: http://energiasolaryrecolectores.blogspot.com.es/2015/04/historia-de-la-energia-solar.html

4.      Blanca Espada (20 de febrero de 2018). Energía solar, ventajas y desventajas. URL:

5.      http://www.erenovable.com/energía-solar-ventajas-y-desventajas/

6.      Escoda S.A., S. (diciembre de 2011). Obtenido de MANUAL TÉCNICO DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: http://www.salvadorescoda.com/tecnico/solar/Manual_Energia_Solar_4a_ed_Salvador_Escoda.pdf

7.      Yunus A. Cengel, A. J. (2011). Transferencia de calor en masa Fundamentos y Aplicaciones. MCGRAW-HILL.

Comunicación personal. José Luis García Fernández. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas. Universidad Politécnica de Madrid.

Autores del post: 

Riánsares Ramos Pulpón

Durga Pérez Morales

Ivón López Toglla

Fernanda Devia Morato