3. Colectores planos de energ�a solar para calentamiento de aire forzado

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Colectores planos de energia solar
Orientacion y angulo de inclinacion de los colectores solares planos
Colector solar plano con superficie absorbedora descubierta
Colector solar plano con superficie absorbedora cubierta por una lamina transparente
Colector solar plano con superficie absorbedora suspendida
Colector almacenador de energia solar con cubierta transparente
Calculo de la superficie de los colectores solares planos para calentamiento de aire forzado
Construccion de colectores solares planos

La radiaci�n solar desempe�a un importante papel en muchos procesos ambientales. Todas las fuentes de energ�a que emplea el hombre se derivan del sol y las plantas dependen de esa energ�a para la fotos�ntesis y el desarrollo (KREITH, 1977).

La radiaci�n solar tiene su origen en las reacciones termonucleares que se producen en el n�cleo del sol. La radiaci�n de todas las reacciones se emite hacia el espacio y se compone, en su mayor parte, de radiaci�n de ondas cortas. Cuando la radiaci�n encuentra un material, �ste la refleja, la transmite o la absorbe. La fracci�n absorbida por lo general calienta el material. Mediante la combinaci�n adecuada de ciertos materiales se pueden construir colectores solares para aprovechar esa energ�a.

Colectores planos de energia solar

El colector solar es el elemento m�s importante de todo sistema para el uso directo de la energ�a solar, el cual transforma la radiaci�n solar en energ�a para calentar el aire.

El funcionamiento b�sico del colector solar, que se emplea para peque�os aumentos de la temperatura del aire, consiste en recibir la radiaci�n solar que incide en la superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o pl�stico. La radiaci�n solar que atraviesa la pel�cula transparente del colector incide en una superficie interna, que se denomina absorbedora, y aumenta su temperatura. El flujo de aire calentado por contacto con esa superficie se puede aprovechar en el secado de productos agr�colas. Los aumentos medios diarios de temperatura necesarios para el secado de granos no pasan, por lo general, de 3�C.

La vida �til de un colector solar depende de la calidad de los materiales, del dise�o de la estructura y de su eficiencia (PIACENTINI y CORTES, 1983). La eficiencia de un colector es la relaci�n entre la energ�a sensible que entrega el aire y la energ�a solar disponible. Un colector de menor eficiencia (n₁), pero m�s resistente que otro de eficiencia mayor (n₂), puede compensar el rendimiento m�s bajo si su durabilidad (d₁) se extiende en una proporci�n n₂: n₁ mayor que la durabilidad (d₂) del otro colector, o sea:

Una parte importante de los colectores planos es su superficie absorbedora, que es esencialmente plana, pero que puede ser perforada, corrogada, provista de aletas o rugosa. La superficie absorbe energ�a solar, se calienta y luego transfiere el calor al aire. Los colectores planos, en su mayor parte, son fijos. Recogen la radiaci�n directa y difusa, lo que permite calentar el aire incluso en d�as nublados, cuando toda la radiaci�n incidente es difusa (MIDWEST PLAN SERVICE 1980)

Entre algunas de las ventajas del uso de colectores solares para calentar el aire se cuentan las siguientes: a) su utilizaci�n para el secado es directa; b) no produce contaminaci�n ni corrosi�n del sistema de distribuci�n del aire y es fuente inagotable de energ�a; c) las p�rdidas de energ�a no constituyen problema serio, puesto que los aumentos medios necesarios para el secado de granos son relativamente peque�os; y d) el material y la tecnolog�a de la construcci�n de colectores solares planos son generalmente sencillos.

Los principales inconvenientes son: a) la disponibilidad de energ�a solar es variable y para el secado de granos se la puede aprovechar en peque�a escala solamente; b) los coeficientes de transferencia de energ�a son bajos, debido a las limitaciones de la velocidad del aire. Si esta �ltima fuese demasiado alta, habr�a grandes incrementos en la p�rdida de carga del sistema y habr�a que emplear duc�os de aire relativamente grandes en el colector solar; y c) la vida �til del colector solar es normalmente inferior a la de los dem�s sistemas de secado.

Orientacion y angulo de inclinacion de los colectores solares planos

El colector solar de superficie plana debe estar orientado con su eje longitudinal en direcci�n este-oeste, y su inclinaci�n depende de la �poca del a�o y de la latitud de la instalaci�n. La inclinaci�n �ptima diaria de un colector solar (a) se puede determinar en funci�n del �ngulo de declinaci�n diaria del sol (b) y de la latitud (d)

(en el hemisferio norte) ec.3

(en el hemisferio sur) ec.4 Los �ngulos de declinaci�n diaria del sol, en todos los meses del a�o, aparecen en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Angulos de declinaci�n (y) diaria del sol

Respecto a la latitud de la zona, se presume un valor positivo para el hemisferio norte y un valor negativo para el hemisferio sur.

El c�lculo de inclinaci�n �ptima de un colector para secado de granos se puede simplificar, puesto que la instalaci�n se ocupa en determinados meses del a�o solamente. As�, se calcula la inclinaci�n �ptima aproximada del colector, mediante la ecuaci�n 3 o 4 y tomando como base el valor de la declinaci�n media mensual (Cuadro 2) en los meses del periodo de secado. Para ejemplificar el c�lculo, se determinar�n los �ngulos de inclinaci�n �ptimos para colectores solares planos que se usan en las condiciones siguientes:

Cuadro 2

Angulos de declinaci�n medios mensuales calculados sabre la base del Cuadro 1

Ejemplos:

1) Epoca: abril a junio
Latitud: 20� 45'S

2) Epoca: julio y agosto
Latitud: 30�42'N

3) Epoca: enero a diciembre
Latitud: 20�45'S

Soluciones:

Caso (1): = 20�45' = - 20,75� =

Declinaci�n media

Luego,

Caso (2):

Luego,

Caso (3):

Cuando se utiliza el colector solar durante todo el a�o, como ocurre con los colectores planos para calentamiento de agua, se puede aumentar en 10� el �ngulo �ptimo de inclinaci�n, para compensar los meses de menor radiaci�n solar incipiente.

La cara inclinada del colector, de acuerdo con la convenci�n adoptada para esa latitud, deber� estar vuelta al norte, si el colector est� en el hemisferio sur, o al sur, si est� en el hemisferio norte. Entonces, si el �ngulo de inclinaci�n calculado con las ecuaciones 3 y 4 fuese negativo, quiere decir que habr� que volver la cara del colector en la direcci�n opuesta a la que se recomienda m�s arriba. Por ejemplo, para una latitud 10� S, en el mes de diciembre, se tiene:

Luego, la cara del colector deber� estar vuelta hacia el sur.

Colector solar plano con superficie absorbedora descubierta

El colector solar plano de superficie absorbedora descubierta (Figura 10) posee una eficiencia promedio baja, en relaci�n con los dem�s tipos de colectores, debido a las influencias del viento. En ensayos de secado se comprob� que la eficiencia media de ese colector se redujo en un 15 a 20%, con una velocidad de aire de 0,5 m/s. En dicho experimento se construy� el colector solar aprovechando la cubierta met�lica de un edificio, la que se pint� de negro opaco, y colocando un techo falso de lana de vidrio como aislaci�n t�rmica (ROSSI y ROA, 1980).

Figura 10. Colector solar plano de superficie absorbedora descubierta.

Se realizaron experimentos con el colector de superficie absorbedora descubierta, aprovechando el techo met�lico de un edificio sin pintar. Se obtuvieron eficiencias medias de 18,2% y un aumento medio de 1,5�C en la temperatura del aire, en 15 dias de pruebas con un volumen de aire de 12,7 kg/s.

El colector de este tipo alcanza eficiencias medias de 12% con la superficie sin pintura y de 30% con la superficie pintada de negro opaco. El aprovechamiento de superficies verticales, como las de silos y muros, reviste mayor inter�s en las latitudes mayores que en las reglones pr�ximas al ecuador. El costo fijo de estos colectores puede disminuir si no se emplea aislaci�n t�rmica (PIACENTINI y CORTES, 1983).

Se efectuaron ensayos de secado en un banco de secadores met�licos (Figura 1 1), cada uno de los cuales era un conducto de acero galvanizado de una secci�n de 1,0 a 2,5 cm por 0,56 m y 2,20 m de largo, con la superficie superior pintada de negro opaco. Los colectores ten�an una inclinaci�n de 35� y estaban acopiados, en n�mero de diez, a cada lado de un conducto central, tambi�n de fierro galvanizado, sin aisiaci�n. El ventilador succionaba el aire de los colectores a trav�s del conducto central y cada colector dispon�a de un sistema de regulaci�n de la entrada del aire, para homogeneizar el flujo de aire en las diversas unidades. El conjunto present� una eficiencia media del 50% aproximadamente, con vol�menes del orden de 1,23m3. s. Las p�rdidas de carga fueron del orden de 196 Pa convol�menes de 2,2 m3. s; esta cifra podrfa disminuir si se mejora la aerocin�mica H del 1 banco de colectores (PIACENTINI y CORTES 1983)

Figura 11, Banco de colectores solares met�licos simples (PIACENTINI y CORTES, 1983).

Colector solar plano con superficie absorbedora cubierta por una lamina transparente

Los colectores solares planos con superficie absorbedora cubierta por una l�mina transparente (Figura 12) se componen de una placa, generalmente met�lica, pintada de negro opaco, que absorbe la radiaci�n salar y est� cubierta por una pel�cula semitransparente (pl�stico r�gido o flexible, o vidrio), la que act�a como aislante t�rmica en la parte superior (Figura 13). En la parte inferior el colector lleva aislaci�n t�rmica con materiales como lana de vidrio o poliestireno, entre otros. La eficiencia de estos colectores es superior, normalmente, a la de los de superficie descubierta. Esta eficiencia llega al 50% con aumentos de temperatura hasta de 1 0�C; para incrementar la temperatura de 10 a 1 7�C hay que instalar otra superficie transparente, paralela a la primera, a una distancia no inferior a 1,2 m, para que la eficiencia no disminuya (ROSSI y ROA, 1980).

En la construcci�n de colectores de este tipo se pueden aprovechar edificios o estructuras ya existentes, como techos y paredes met�licas de galpones y silos.

Figura 12. Colector solar plano de superficie absorbedora cubierta por una l�mina transparente.

Colector solar plano con superficie absorbedora suspendida

Los colectores solares planos de superficie absorbedora suspendida se caracterizan por el paso del flujo de aire por debajo o por los costados de la superficie absorbedora (Figura 14). Son m�s eficientes que los anteriores y presentan una concepci�n diferente en cuanto a la forma de la superficie absorbedora, la que puede ser lisa o corrugada.

Figura 14. Colector solar plano de superficie absorbedora suspendida.

En experimentos con un colector de superficie transparente hecha de fibra de vidrio, malla absorbedora de fibra de vidrio y superficie absorbedora de metal galvanizado (Figura 15), se obtuvo una eficiencia media superior al 70% y un aumento medio de 1 1 0 C en la temperatura del aire, en 15 d�as de ensayos con un flujo de aire de 4 kg/s (STRATFORD et al., 1983).

Figura 15. Colector salar plano de superficie suspendida en paredes de edificio
(STRATFORD et al).

Colector almacenador de energia solar con cubierta transparente

Los colectores almacenadores de energ�a solar con cubierta transparente (Figura 16) acumulan una parte de la energ�a solar en forma de calor sensible, en un lecho de piedras por ejemplo, que act�a como superficie absorbedora, aten�ando las elevaciones bruscas de temperatura y promoviendo la estabilidad relativa de sus incrementos. El colector almacenador contin�a calentando el aire durante cierto tiempo despu�s de la puesta de sol, debido a la temperatura almacenada en el lecho absorbedor. la magnitud de dicho incremento de temperatura y de los per�odos adicionales de funcionamiento del sistema dependen de varios factores, talos como: flujo de aire, radiaci�n solar incidente, espesor del lecho de piedras y otros detalles de la construcci�n del colector.

Figura 16. Coliector-almacenador de energ�a solar con cubiterta Transparente

La eficiencia energ�tica del colector-almacenador puede variar entre el 55 y el 60% (SANTOS, 1980). El uso de colectores de este tipo para secar granos a nivel de explotaci�n agr�cola es bastante interesante, por el empleo de materiales r�sticos, la facilidad de construcci�n, funcionamiento y mantenci�n (Figura 17). No obstante, hay que considerar la viabilidad t�cnico-econ�mica del proyecto.

Calculo de la superficie de los colectores solares planos para calentamiento de aire forzado

Este c�lculo se puede realizar directamente cuando se conoce la eficiencia media de dichos colectores. En el caso concreto del de granos, generalmente se necesita aumentos medios de 1 a 3�C. Adem�s es preciso cuantificar la energ�a necesaria que el colector solar debe entregar para calentar el aire. la energ�a necesaria para calentar el aire (E) depende del flujo de aire (Q), de la entalpia especifica del aire (C), del incremento en la temperatura del aire (T) y del volumen especifico de aire (Ve):

As�, el c�lculo de la superficie del colector (A), si se conoce la eficiencia media del colector (E) y la radiaci�n solar media incidente en la superficie inclinada de �ste (1), se puede realizar mediante la ecuaci�n

El valor de la radiaci�n solar media incidente en la superficie inclinada del colector (1) depende principalmente de la latitud y de la altura de la zona, la �poca del a�o y el �ngulo de inclinaci�n del colector en relaci�n con la direcci�n de los rayos solares.

Construccion de colectores solares planos

Para la construcci�n de un colector solar plano que sea eficiente y adecuado para el secado de granos, se recomienda:

a) Usar pel�culas de polietileno con un espesor de 0,2 a 0,4 mm, de preferencia tratadas contra la degradaci�n por la radiaci�n ultravideta; materiales r�sticos, como madera, ladrillos, piedras, planchas met�licas, malla de alambre y otros que son de f�cil manejo, bajo costo y mejor vida �til.

b) En los colectores solares para calentamiento de aire, mantener la velocidad del aire alrededor de 2,5 m/s, pues una velocidad del aire inferior a dicho valor reduce la eficiencia de los colectores, y si sube de 5 m/s, causa elevadas p�rdidas de carga en el sistema.

c) Mantener la p�rdida de carga en el sistema colector-duc�os en menos de 128 Pa, para el secado de granos.

d) Proteger las entradas de aire con telas met�licas con malla de 6 mm, para evitar la entrada de p�jaros, roedores u otros animales.

e) Los materiales que est�n en contacto con el suelo deben ser resistentes a la corrosi�n. En el colector-almacenador hay que colocar un pl�stico entre el lecho de piedras y el suelo, para evitar el desarrollo de hierbas da�inas y de hormigueros.

f) Usar pernos en lugar de clavos, para facilitar la retirada del pl�stico transparente para guardarlo cuando su uso ya no sea necesario.

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