3. Colectores planos de energía 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 radiación solar desempeña un importante papel en muchos procesos ambientales. Todas las fuentes de energía que emplea el hombre se derivan del sol y las plantas dependen de esa energía para la fotosíntesis y el desarrollo (KREITH, 1977).

La radiación solar tiene su origen en las reacciones termonucleares que se producen en el núcleo del sol. La radiación de todas las reacciones se emite hacia el espacio y se compone, en su mayor parte, de radiación de ondas cortas. Cuando la radiación encuentra un material, éste la refleja, la transmite o la absorbe. La fracción absorbida por lo general calienta el material. Mediante la combinación adecuada de ciertos materiales se pueden construir colectores solares para aprovechar esa energía.

Colectores planos de energia solar

El colector solar es el elemento más importante de todo sistema para el uso directo de la energía solar, el cual transforma la radiación solar en energía para calentar el aire.

El funcionamiento básico del colector solar, que se emplea para pequeños aumentos de la temperatura del aire, consiste en recibir la radiación solar que incide en la superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o plástico. La radiación solar que atraviesa la película 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 agrícolas. Los aumentos medios diarios de temperatura necesarios para el secado de granos no pasan, por lo general, de 3°C.

La vida útil de un colector solar depende de la calidad de los materiales, del diseño de la estructura y de su eficiencia (PIACENTINI y CORTES, 1983). La eficiencia de un colector es la relación entre la energía sensible que entrega el aire y la energía solar disponible. Un colector de menor eficiencia (n₁), pero más resistente que otro de eficiencia mayor (n₂), puede compensar el rendimiento más bajo si su durabilidad (d₁) se extiende en una proporción 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 energía solar, se calienta y luego transfiere el calor al aire. Los colectores planos, en su mayor parte, son fijos. Recogen la radiación directa y difusa, lo que permite calentar el aire incluso en días nublados, cuando toda la radiación 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 utilización para el secado es directa; b) no produce contaminación ni corrosión del sistema de distribución del aire y es fuente inagotable de energía; c) las pérdidas de energía no constituyen problema serio, puesto que los aumentos medios necesarios para el secado de granos son relativamente pequeños; y d) el material y la tecnología de la construcción de colectores solares planos son generalmente sencillos.

Los principales inconvenientes son: a) la disponibilidad de energía solar es variable y para el secado de granos se la puede aprovechar en pequeña escala solamente; b) los coeficientes de transferencia de energía son bajos, debido a las limitaciones de la velocidad del aire. Si esta última fuese demasiado alta, habría grandes incrementos en la pérdida de carga del sistema y habría que emplear ducíos de aire relativamente grandes en el colector solar; y c) la vida útil del colector solar es normalmente inferior a la de los demás 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 dirección este-oeste, y su inclinación depende de la época del año y de la latitud de la instalación. La inclinación óptima diaria de un colector solar (a) se puede determinar en función del ángulo de declinación diaria del sol (b) y de la latitud (d)

(en el hemisferio norte) ec.3

(en el hemisferio sur) ec.4 Los ángulos de declinación diaria del sol, en todos los meses del año, aparecen en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Angulos de declinación (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 cálculo de inclinación óptima de un colector para secado de granos se puede simplificar, puesto que la instalación se ocupa en determinados meses del año solamente. Así, se calcula la inclinación óptima aproximada del colector, mediante la ecuación 3 o 4 y tomando como base el valor de la declinación media mensual (Cuadro 2) en los meses del periodo de secado. Para ejemplificar el cálculo, se determinarán los ángulos de inclinación óptimos para colectores solares planos que se usan en las condiciones siguientes:

Cuadro 2

Angulos de declinación 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° =

Declinación media

Luego,

Caso (2):

Luego,

Caso (3):

Cuando se utiliza el colector solar durante todo el año, como ocurre con los colectores planos para calentamiento de agua, se puede aumentar en 10° el ángulo óptimo de inclinación, para compensar los meses de menor radiación solar incipiente.

La cara inclinada del colector, de acuerdo con la convención adoptada para esa latitud, deberá estar vuelta al norte, si el colector está en el hemisferio sur, o al sur, si está en el hemisferio norte. Entonces, si el ángulo de inclinación calculado con las ecuaciones 3 y 4 fuese negativo, quiere decir que habrá que volver la cara del colector en la dirección opuesta a la que se recomienda más arriba. Por ejemplo, para una latitud 10° S, en el mes de diciembre, se tiene:

Luego, la cara del colector deberá 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 relación con los demás tipos de colectores, debido a las influencias del viento. En ensayos de secado se comprobó 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 construyó el colector solar aprovechando la cubierta metálica de un edificio, la que se pintó de negro opaco, y colocando un techo falso de lana de vidrio como aislación térmica (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 metálico 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 interés en las latitudes mayores que en las reglones próximas al ecuador. El costo fijo de estos colectores puede disminuir si no se emplea aislación térmica (PIACENTINI y CORTES, 1983).

Se efectuaron ensayos de secado en un banco de secadores metálicos (Figura 1 1), cada uno de los cuales era un conducto de acero galvanizado de una sección 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 tenían una inclinación de 35° y estaban acopiados, en número de diez, a cada lado de un conducto central, también de fierro galvanizado, sin aisiación. El ventilador succionaba el aire de los colectores a través del conducto central y cada colector disponía de un sistema de regulación de la entrada del aire, para homogeneizar el flujo de aire en las diversas unidades. El conjunto presentó una eficiencia media del 50% aproximadamente, con volúmenes del orden de 1,23m3. s. Las pérdidas de carga fueron del orden de 196 Pa convolúmenes de 2,2 m3. s; esta cifra podrfa disminuir si se mejora la aerocinámica H del 1 banco de colectores (PIACENTINI y CORTES 1983)

Figura 11, Banco de colectores solares metálicos 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 lámina transparente (Figura 12) se componen de una placa, generalmente metálica, pintada de negro opaco, que absorbe la radiación salar y está cubierta por una película semitransparente (plástico rígido o flexible, o vidrio), la que actúa como aislante térmica en la parte superior (Figura 13). En la parte inferior el colector lleva aislación térmica 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 construcción de colectores de este tipo se pueden aprovechar edificios o estructuras ya existentes, como techos y paredes metálicas de galpones y silos.

Figura 12. Colector solar plano de superficie absorbedora cubierta por una lámina 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 más eficientes que los anteriores y presentan una concepción 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 días 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 energía solar con cubierta transparente (Figura 16) acumulan una parte de la energía solar en forma de calor sensible, en un lecho de piedras por ejemplo, que actúa como superficie absorbedora, atenúando las elevaciones bruscas de temperatura y promoviendo la estabilidad relativa de sus incrementos. El colector almacenador continúa calentando el aire durante cierto tiempo después de la puesta de sol, debido a la temperatura almacenada en el lecho absorbedor. la magnitud de dicho incremento de temperatura y de los períodos adicionales de funcionamiento del sistema dependen de varios factores, talos como: flujo de aire, radiación solar incidente, espesor del lecho de piedras y otros detalles de la construcción del colector.

Figura 16. Coliector-almacenador de energía solar con cubiterta Transparente

La eficiencia energética 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 explotación agrícola es bastante interesante, por el empleo de materiales rústicos, la facilidad de construcción, funcionamiento y mantención (Figura 17). No obstante, hay que considerar la viabilidad técnico-económica del proyecto.

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

Este cálculo 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. Además es preciso cuantificar la energía necesaria que el colector solar debe entregar para calentar el aire. la energía 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):

Así, el cálculo de la superficie del colector (A), si se conoce la eficiencia media del colector (E) y la radiación solar media incidente en la superficie inclinada de éste (1), se puede realizar mediante la ecuación

El valor de la radiación solar media incidente en la superficie inclinada del colector (1) depende principalmente de la latitud y de la altura de la zona, la época del año y el ángulo de inclinación del colector en relación con la dirección de los rayos solares.

Construccion de colectores solares planos

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

a) Usar películas de polietileno con un espesor de 0,2 a 0,4 mm, de preferencia tratadas contra la degradación por la radiación ultravideta; materiales rústicos, como madera, ladrillos, piedras, planchas metálicas, malla de alambre y otros que son de fácil manejo, bajo costo y mejor vida útil.

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 pérdidas de carga en el sistema.

c) Mantener la pérdida de carga en el sistema colector-ducíos en menos de 128 Pa, para el secado de granos.

d) Proteger las entradas de aire con telas metálicas con malla de 6 mm, para evitar la entrada de pájaros, roedores u otros animales.

e) Los materiales que están en contacto con el suelo deben ser resistentes a la corrosión. En el colector-almacenador hay que colocar un plástico entre el lecho de piedras y el suelo, para evitar el desarrollo de hierbas dañinas y de hormigueros.

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

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