Caracterización y factibilidad de un colector solar de placa absorsora en aluminio de la empresa Futuro Solar

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(1)CARACTERIZACIÓN Y FACTIBILIDAD DE UN COLECTOR SOLAR DE PLACA ABSORSORA EN ALUMINIO DE LA EMPRESA FUTURO SOLAR.. DIEGO ORLANDO DUARTE BAQUERO DIEGO DAVID PRIETO MOYANO. UNIVERISDAD DISTRITAL FRANCISO JOSE DE CLADAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2018.

(2) CARACTERIZACIÓN Y FACTIBILIDAD DE UN COLECTOR SOLAR DE PLACA ABSORSORA EN ALUMINIO DE LA EMPRESA FUTURO SOLAR.. DIEGO ORLANDO DUARTE BAQUERO DIEGO DAVID PRIETO MOYANO. MONOGRAFÍA. DIRIGIDO POR PhD CAMILO ANDRES ARIAS HENAO. UNIVERISDAD DISTRITAL FRANCISO JOSE DE CLADAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2018. 2.

(3) LISTA DE ILUSTRACIONES. Ilustración 1. Coordenadas solares. Fuente. (Santamaría, 2010) .................................... 17 Ilustración 2. Componentes principales del captador solar térmico. Fuente. (G.N. Tiwari, 2016) ............................................................................................................................... 21 Ilustración 3. Montaje de bucle abierto de ensayos. (AENOR, 2006) ............................... 25 Ilustración 4. Componentes del banco de pruebas al exterior (1). .................................... 27 Ilustración 5. Componentes del banco de pruebas al exterior (2) ..................................... 27 Ilustración 6. Componentes del banco de irradiación simulada (1). ................................. 29 Ilustración 7. Componentes del banco de irradiación simulada (2) .................................. 30 Ilustración 8. Resistencias equivalentes en el colector solar de placa plana. (G.N. Tiwari, 2016) ............................................................................................................................... 32 Ilustración 9. Configuración del colector. Fuente: (G.N. Tiwari, 2016) .............................. 35 Ilustración 10. Montaje del piranómetro en el ensayo al exterior. Señalado en el círculo azul. ................................................................................................................................. 38 Ilustración 11. Solar Power Meter HT 204........................................................................ 38 Ilustración 12. Montaje del piranómetro y lámparas para el ensayo de simulación de irradiación. Señalado en el círculo rojo y rectángulo rojo respectivamente. ..................... 39 Ilustración 13. Piranómetro del banco de irradiación simulada......................................... 39 Ilustración 14. Montaje de termopar a la entrada del fluido del colector solar en el ensayo al exterior, señalada en el círculo rojo.............................................................................. 40 Ilustración 15. Montaje de termopar a la salida del fluido del colector solar en el ensayo al exterior, señalada en el círculo rojo. ................................................................................ 40 Ilustración 16. Montaje de pirómetros de la lectura de los termopares y datalogger para la medida de temperatura ambiente, señalados en el círculo amarillo. ................................ 41 Ilustración 17. Montaje de termopar a la entrada del fluido del colector solar en el ensayo de irradiación simulada, señalada en el cuadro amarillo. ................................................. 41 Ilustración 18. Montaje de termopar a la salida del fluido del colector solar en el ensayo de irradiación simulada, señalada en el cuadro amarillo. ...................................................... 42 Ilustración 19. Consola de instrumentación de temperatura ambiente y de la irradiación, en el ensayo de simulación................................................................................................... 42 Ilustración 20. Montaje del caudalimetro en el ensayo al exterior, señalado en el círculo rojo. ................................................................................................................................. 43 Ilustración 21. Caudalimetro utilizado en el ensayo al exterior. ........................................ 43 Ilustración 22. Montaje del caudalimetro en el ensayo de simulación de irradiación, señalado en el cuadro rojo. .............................................................................................. 44 Ilustración 23. Caudalimetro utilizado en el ensayo de simulación de irradiación. ............ 44 Ilustración 24. Montaje del anemómetro en el ensayo al exterior. .................................... 45 Ilustración 25. Anemómetro utilizado para los dos ensayos. ............................................ 45 Ilustración 26. Simulador de viento, señalado en el cuadro rojo....................................... 46 Ilustración 27. Área de absorbedor del colector de aluminio. ........................................... 47 Ilustración 28. Área de apertura del colector de aluminio. ................................................ 48 Ilustración 29. Área total del colector de aluminio. ........................................................... 48. 3.

(4) Ilustración 30. Válvula de automática de purga de aire ubicada en el cuadro naranja. .... 50 Ilustración 31. Operación del colector en condiciones normales al exterior ensayadas en una prueba simulada. ...................................................................................................... 57. 4.

(5) LISTA DE GRAFICAS. Grafica 1. Eficiencia Vs Diferencia de temperatura reducida. .......................................... 54 Grafica 2. Características de funcionamiento del colector solar de placa absorsora de aluminio en el exterior ...................................................................................................... 55 Grafica 3. Eficiencia Vs Diferencia de temperatura reducida. .......................................... 60 Grafica 4. Características de funcionamiento del colector solar de placa absorsora de aluminio en el ensayo de irradiación simulada. ................................................................ 61 Grafica 5. Eficiencia simulación Trnsys durante un año ................................................... 64 Grafica 6. Resultados de la simulación en TRNSYS ........................................................ 65 Grafica 7. Ampliación del punto más alto de la potencia útil del colector. ........................ 66 Grafica 8. Comportamiento en el mes de agosto. ............................................................ 67 Grafica 9. Comportamiento mes de septiembre. .............................................................. 67 Grafica 10. Comportamiento mes de octubre................................................................... 68 Grafica 11. Adecuación de los datos de Trnsys a la Norma EN12075-2, en el mes de agosto.............................................................................................................................. 68 Grafica 12. Adecuación de los datos de Trnsys a la Norma EN12075-2, en el mes de septiembre. ...................................................................................................................... 69 Grafica 13. Adecuación de los datos de Trnsys a la Norma EN12075-2, en el mes octubre. ........................................................................................................................................ 69 Grafica 14. Caída de presión del colector solar. .............................................................. 71 Grafica 15. Constante de tiempo día 3 de octubre del 2018, ensayo de irradiación simulada. ......................................................................................................................... 73 Grafica 16. Constante de tiempo día 5 de octubre del 2018, en ensayo de irradiación simulada. ......................................................................................................................... 74 Grafica 17. Constante de tiempo de los días evaluados del mes septiembre y octubre. .. 74 Grafica 18. Comparación de eficiencias entre la placa absorsora de cobre y aluminio en el ensayo con radiación simulada. ....................................................................................... 86 Grafica 19. Comparación de eficiencias entre la placa absorsora de cobre y aluminio en el ensayo con radiación simulada. ....................................................................................... 87 Grafica 20. Comparación de eficiencias entre la placa absorsora de cobre y aluminio en el ensayo con radiación al exterior. ..................................................................................... 88 Grafica 21. Comparación de eficiencias entre la placa absorsora de cobre y aluminio en el ensayo con radiación al exterior. ..................................................................................... 88 Grafica 22. Datos de simulación de TRNSYS del colector solar de placa absorsora de cobre. .............................................................................................................................. 89. 5.

(6) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Normas Técnicas con diferentes ensayos para colectores solares. (Technology, 2012) ............................................................................................................................... 22 Tabla 2. Datos, Resultados de pérdidas y eficiencias de la prueba al exterior ................. 52 Tabla 3. Registro de temperaturas de entrada y salida del colector, radiación, temperatura media reducida, eficiencia, potencia útil, y porcentaje de error en el ensayo al exterior. .. 54 Tabla 4. Datos, Resultados de pérdidas y eficiencias con irradiación simulada. .............. 59 Tabla 5. Registro de temperaturas de entrada y salida del colector, radiación, temperatura media reducida, eficiencia, potencia útil, y porcentaje de error en el ensayo de irradiación simulada. ......................................................................................................................... 60 Tabla 6. Constante de tiempo día 3 de octubre del 2018, ensayo de irradiación simulada. ........................................................................................................................................ 72 Tabla 7. Constante de tiempo día 5 de octubre del 2018, en ensayo de simulación de irradiación. ....................................................................................................................... 73 Tabla 8. Potencias útiles generadas con el colector solar de placa absorsora de cobre. . 90 Tabla 9. Potencias útiles generadas con el colector solar de placa absorsora de aluminio ........................................................................................................................................ 90. 6.

(7) LISTA DE ECUACIONES. Ecuación 1. Eficiencia del colector ................................................................................... 31 Ecuación 2. Pérdidas totales del colector ........................................................................ 31 Ecuación 3. Pérdida de la base ....................................................................................... 32 Ecuación 4. Pérdida por la parte superior. ....................................................................... 33 Ecuación 5. Coeficiente de convección entre placas paralelas. ....................................... 33 Ecuación 6. Número de Nusselt. ...................................................................................... 33 Ecuación 7. Número de Rayleigh. .................................................................................... 33 Ecuación 8. Coeficiente de transferencia por radiación entre el absorbedor y la cubierta. 33 Ecuación 9. Coeficiente convectivo del viento. ................................................................ 34 Ecuación 10. Coeficiente de transferencia por radiación.................................................. 34 Ecuación 11. Temperatura sky. ....................................................................................... 34 Ecuación 12. Pérdida de los lados. .................................................................................. 34 Ecuación 13. Eficiencia de aleta. ..................................................................................... 35 Ecuación 14. Factor de eficiencia del colector. ................................................................ 35 Ecuación 15. Constante m ............................................................................................... 35 Ecuación 16. Factor de remoción. ................................................................................... 36 Ecuación 17. Eficiencia óptica. ........................................................................................ 36 Ecuación 18. Coeficiente de pérdidas térmicas. .............................................................. 36 Ecuación 19. Constante de tiempo en función de las temperaturas del colector. ............. 46 Ecuación 20. Eficiencia. Fuente. (Wisconsin-Madison, 2014) ......................................... 63. 7.

(8) CONTENIDO INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 10 RESUMEN ............................................................................................................. 11 1. DEFINICION DEL PROBLEMA. ...................................................................... 12 1.1.. JUSTIFICACIÓN. ...................................................................................... 12. 1.2.. OBJETIVOS.............................................................................................. 13. 1.2.1.. OBJETIVO GENERAL. ...................................................................... 13. 1.2.2.. OBJETIVOS ESPECIFICOS. ............................................................. 13. 1.3.. ANTECEDENTES. .................................................................................... 13. 2. MARCO TEORICO .......................................................................................... 16 2.1.. RADIACION SOLAR ................................................................................. 16. 2.2.. COORDENADAS SOLARES .................................................................... 17. 2.3.. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ................................................................... 18. 2.3.1. 2.4.. EL CAPTADOR SOLAR PLANO .............................................................. 19. 2.4.1. 2.5.. COMPONENTES DE UNA INTALACIÓN SOLAR TÉRMICA. ........... 18 PRINCIPALES COMPONENTES DEL CAPTADOR SOLAR PLANO 20. PRUEBAS NORMATIVAS ........................................................................ 21. 2.5.1. ENERGÍA SOLAR. CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS. MÉTODOS DE ENSAYO (ISO 9806:2013) ..................................................... 23 2.5.2. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Y COMPONENTES. CAPTADORES SOLARES. PARTE 2: MÉTODOS DE ENSAYO. .................. 23 2.6. MONTAJE DEL COLECTOR SOLAR DE ACUERDO A LA NORMA EN12975-2 ......................................................................................................... 24 2.7.. BANCOS DE PRUEBAS........................................................................... 26. 2.8.. ANÁLISIS TÉRMICO DEL COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. ...... 31. 3. INSTRUMENTACIÓN...................................................................................... 37 3.1.. MEDIDA DE RADIACÓN SOLAR. ............................................................ 37. 3.2.. MEDIDA DE TEMPERATURA. ................................................................. 39. 3.3.. MEDIDA DE CAUDAL. ............................................................................. 42. 3.4.. MEDIDA DE VELOCIDAD DEL VIENTO. ................................................. 45. 3.5.. MEDIDA DE TIEMPO. .............................................................................. 46 8.

(9) 3.6.. MEDIDAS DE LAS ÁREAS....................................................................... 47. 4. ENSAYOS DE RENDIMIENTO EN ESTADO ESTACIONARIO DEL COLECTOR SOLAR Y RESULTADOS. ................................................................ 49 4.1.. ENSAYO DE EFICIENCIA EN ESTADO ESTACIONARIO AL EXTERIOR. 49. 4.2. ENSAYO DE EFICIENCIA EN ESTADO ESTACIONARIO USANDO UN SIMULADOR DE IRRADIACIÓN SOLAR. .......................................................... 56 4.3. COMPARARACIÓN DE LOS RESULTADOS CON EL SOFTWARE TRNSYS. ............................................................................................................ 63 4.4.. DETERMINACIÓN DE CAIDA DE PRESIÓN. .......................................... 71. 4.5.. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE TIEMPO. ............................ 72. 5. INFORME DE ENSAYO DE RENDIMIENTO PARA CAPTADORES SOLARES CON CUBIERTA. ................................................................................................... 76 6. COMPARACION DE EFICIENCIAS DE LOS COLECTORES SOLARES DE PLACA ABSORSORA DE COBRE Y DE ALUMINIO. ........................................... 86 7. RECOMENDACIONES PROCESO DE MANUFACTURA DEL COLECTOR SOLAR DE PLACA ABSORSORA DE LA EMPRESA FUTURO SOLAR. ............. 92 7.1. ANÁLISIS DE COSTOS DEL NUEVO DISEÑO DEL COLECTOR SOLAR DE LA EMPRESA FUTURO SOLAR. ................................................................. 92 7.2. VIABILIDAD ENERGÉTICA DEL COLECTOR CON PLACA EN ALUMINIO .......................................................................................................... 93 8. CONCLUSIONES. ........................................................................................... 94 REFERENCIAS ..................................................................................................... 96. 9.

(10) INTRODUCCION Y REUMEN. INTRODUCCIÓN Futuro Solar es una empresa que se dedica a la fabricación, instalación y mantenimiento de sistemas de energía solar térmica y adecuación de sistemas fotovoltaicos con una trayectoria de más de 20 años, uno de sus productos es el colector solar de placa plana con placa absorsora en cobre el cual cuenta con estudios de comportamiento térmico, sin embargo, el alto costo de este material ha llevado a que la empresa a busque un material que sea más económico como el aluminio. Este nuevo diseño del colector solar de placa plana no cuenta con un análisis térmico, es por es que el siguiente proyecto busca caracterizar este colector bajo la norma EN 12974-2, debido a que esta norma específica los métodos de ensayo para la determinación de la capacidad de un captador solar de calentamiento de líquido esta norma también suministra métodos y procedimiento de cálculo. Este proyecto desarrolla la caracterización del colector solar de placa absorsora de aluminio, por medio de unos ensayos estipulados por la norma EN12875-2 para poder determinar la eficiencia del colector, con el fin de comparar las eficiencias de los dos colectores solares e ilustrar los resultados a la empresa para que tomen la decisión de cambiar o no el material de la placa absorsora. Por otro lado, recomendar a la empresa que el proceso de fabricación del colector solar caracterizado sea, en lo posible, el mismo en su línea de producción, sin embargo, debido a que los resultados obtenidos corresponden al colector solar ensayado, ya que un ligero cambio en su geometría y/o materiales, cambian los resultados de eficiencia y por consiguiente este estudio no tendría valides con los demás colectores. El desarrollo del proyecto se llevo a cabo con la selección del colector solar de placa absorsora de aluminio el cual fue suministrado por la empresa, los métodos de ensayos e llevaron a cabo en dos partes, la primera llevando el colector al exterior por medio de un banco el cual se adecua a los planteamientos de montaje de la norma y en él se logró una eficiencia de 63%, con un caudal de 0,02 Kg/s, una radiación entre 300 W/m2 y 1000 W/m2, y unas condiciones atmosféricas (velocidad de viento y temperatura ambiente) en la ciudad de Bogotá D.C más exactamente en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en los meses de agosto y septiembre del año 2018. La segunda parte se llevó a cabo en el laboratorio de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en los meses septiembre y octubre del año 2018, por medio del banco de irradiación simulada, en. 10.

(11) INTRODUCCION Y REUMEN. él se obtuvo una eficiencia del 63% con el mismo caudal, rangos de irradiación y en la velocidad de viento se utilizó un simulador para que la prueba estuviera en las condiciones que al exterior. Luego de tener estos resultados por medio de estos métodos de ensayos se procedió a simular el sistema por medio del software TRNSYS en donde se pudo observar el comportamiento térmico del colector durante un año dando como resultado una eficiencia promedio anual de 61.4% Ya con los resultados del comportamiento térmico del colector de placa absorsora de aluminio se procedió a compararlo con uno de placa absorsora de cobre mostrando que la eficiencia del colector del cobre es de 68% con una eficiencia óptica de 69.6%, un coeficiente de perdidas a 1 = 4.79 y a2 = 0.000012, en este estudio para una placa absorsora de aluminio se obtuvo una eficiencia 63% con una eficiencia óptica de 65% y un coeficiente de perdidas a1 = 5.75 y a2 =0.005.. RESUMEN Mediante este proyecto se trabajará temáticas como el funcionamiento y requerimientos de un colector solar térmico de placa plana con una placa absorbente de aluminio para su caracterización y comparación con otro material de la placa absorsora. Por lo tanto, se realizará unas pruebas en el banco al exterior y simulación en el banco del laboratorio RE550 P.A. HILTON LTD al colector de acuerdo con los parámetros de ensayos de la norma EN 12975-2. Luego se compara por medio del software TRNSYS los resultados obtenidos en las dos pruebas para determinar la eficiencia de este. A continuación, se procede a realizar unas gráficas paramétricas del colector solar de placa absorsora de aluminio para darle herramientas a la empresa y así determinar la viabilidad de la fabricación de la placa absorsora con este material, teniendo en cuenta su comportamiento térmico y costos de fabricación.. 11.

(12) 1.. DEFINICION DEL PROBLEMA. 1. DEFINICION DEL PROBLEMA. Futuro Solar es una empresa que se dedica a la fabricación, instalación y mantenimiento de sistemas de energía solar térmica y adecuación de sistemas fotovoltaicos con una trayectoria de más de 20 años, uno de sus productos es el colector solar de placa plana con placa absorsora en cobre. El problema que contaba la empresa era que no tenía una caracterización de este colector por lo que se desarrolló por parte de estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, un estudio que se titula: “Análisis de desempeño de un colector solar de la empresa Futuro Solar para determinar la eficiencia térmica” (Duarte Baquero & Prieto Moyano, 2016), el cual se tomó en cuenta los parámetros de instalación y matemáticos por medio de la norma EN 12975-2. Con el desarrollo del estudio se mostró que el colector fabricado tiene una eficiencia del 68% en su funcionamiento. Con este resultado la empresa puede afirmar que con las características de fabricación y con los materiales utilizados puede dar más certeza del comportamiento térmico de una instalación y ya no será un método de diseño de instalaciones empírico como se venía trabajando anteriormente por parte de la empresa. Sin embargo, debido al alto costo de los materiales de fabricación del colector, la empresa está buscando nuevos materiales dando como resultado usar aluminio para la placa de absorción por lo que el presente trabajo pretende aportar a la empresa Futuro solar un estudio de funcionamiento de un nuevo colector solar de placa absorsora fabricada en aluminio, ya que no cuenta con una caracterización, de tal manera que se hará una comparación con un colector solar de placa absorsora fabricada en cobre para así determinar si es factible la producción del nuevo colector de placa absorsora fabricada en aluminio en relación de viabilidad energética.. 1.1. JUSTIFICACIÓN. El presente proyecto desarrollará la caracterización de un colector solar de placa plana con una placa absorsora en aluminio, suministrado por la empresa Futuro Solar, esta caracterización ayudará a la empresa a tener un concepto de la disposición de este material en función del comportamiento térmico para poder. 12.

(13) 1.. DEFINICION DEL PROBLEMA. evaluar el diseño de este nuevo colector solar dadas las condiciones de operación que se requieran en el momento de instalación, así mismo poder realizar el informe de ensayo del colector solar en función de sus características geométricas y térmicas para tener una ventaja al momento de competir en el mercado comercial.. 1.2. OBJETIVOS. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL. Determinar el potencial térmico y factibilidad de uso, que cuenta el colector solar de placa absorsora fabricada en aluminio dado su proceso de manufactura en la empresa Futuro Solar. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. a) Desarrollar la caracterización térmica de un colector solar de placa absorsora fabricada en aluminio de la empresa Futuro Solar. b) Realizar los ensayos en el banco al exterior y en estado estable en el banco del laboratorio teniendo en cuenta las recomendaciones de instalación según la norma EN 12975-2. c) Determinar la eficiencia del colector solar de placa absorsora fabricada en aluminio mediante las gráficas paramétricas del funcionamiento y el informe de ensayo de rendimiento para captadores solares con cubierta según la norma EN 12975-2 en su Anexo D. d) Determinar el comportamiento térmico de los colectores solares de placa absorsora fabricada en aluminio y cobre mediante la simulación en estado transitorio en el software TRNSYS e) Comparar por medio de los resultados de eficiencia los colectores solares de placa plana (placa absorsora en cobre y aluminio) y así dar una recomendación al fabricante. f) Establecer recomendaciones en el procedimiento de fabricación del colector solar para asegurar la repetividad de los procesos de manufactura.. 1.3. ANTECEDENTES. En Colombia el estudio del comportamiento térmico sea desarrollado por medio EN 12975-2 o sus respectivas homologaciones dentro de las investigaciones consultadas sobre el tema llamo la atención los siguientes trabajos: (Texeira Ignacio, 2010) En Uruguay en 2010 de realizo un trabajo de monografía sobre el ensayo de colectores solares, partiendo desde la construcción del banco 13.

(14) 1.. DEFINICION DEL PROBLEMA. de pruebas y todas sus consideraciones en el cual se muestra el análisis de diferentes apartados de la norma, para así comparar las eficiencias de un colector de bajo costo y un colector comercial. (Trejos Moncadaa Maira Lorena, 2014) En México se realizó un estudio con el objetivo de hacer un comparativo de la adhesión, dureza, reflectividad, capacidad de absorción y la durabilidad de dos revestimientos comerciales diferentes sobre una superficie absorbente de cobre y aluminio, en comparación con el recubrimiento original del absorbedor. Se utilizó láminas de aluminio y de cobre con un espesor de 12,38 µm y 40,00 μm, respectivamente, que corresponden a la aleta que cubre los tubos de cobre a través de los cuales fluye el agua en los colectores solares de placa plana. Esta aleta, cuando se recubre con diferentes materiales, actúa como el absorbente de estos calentadores. (Garzón Romero Juan David, 2015) Se investigó la eficiencia de un colector por medio de dos procesos simulación y experimentación. Se tuvo en cuenta el software TRNSYS para la simulación de tal manera que también se incluyó los materiales de fabricación del colector. Para el experimento se aplicó un protocolo de aspectos normativos para pruebas en interior y posteriormente se realizó la prueba de hipótesis de “Kolmogorov-Smirnov” a los resultados de las pruebas. (Duarte Baquero & Prieto Moyano, 2016) El estudio el cual se titula “Análisis de desempeño de un colector solar de la empresa Futuro Solar para determinar la eficiencia térmica “busca dar solución a un problema de la empresa Futuro Solar, el cual es determinar el desempeño térmico bajo diferentes condiciones de funcionamiento de los colectores solares de placa plana, por lo tanto, se realizó un análisis y una serie de pruebas a un colector que fue suministrado por la empresa. En las condiciones exteriores se instaló el colector en la cubierta de la cafetería de funcionarios de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, se adecuo de acuerdo a la geometría del colector suministrado por la empresa y se controló para que el banco cumpla las condiciones de montaje dadas en la norma UNE-EN 12975- 2, la cual es guía de cómo debe ser el banco de pruebas y la toma de datos. En una segunda instancia, se llevó el colector al banco de pruebas que cuenta el laboratorio de la Universidad Distrital, el cual simula la radiación por medio de unas lámparas incandescentes, este banco también se adecuo de acuerdo a la norma EN12975-2. Los datos tomados en ambos bancos de pruebas se analizan y se desarrollan pertinentemente para la determinación del desempeño térmico del colector en estado estacionario en condiciones exteriores y en el laboratorio.. 14.

(15) 1.. DEFINICION DEL PROBLEMA. (Anderson Miguel Lenz, 2018). En Brasil se hizo un estudio titulado: “Evaluation of three systems of solar thermal panel using low cost material, tested in Brazil”, en el cual se compara tres diferentes tipos de colectores solares de bajo costo fabricados en: Botellas PET, forrados en PVC y latas en aluminio, debido a que en las el consumo energético en este país es muy alto por lo que se están creando nuevas alternativas de energías renovables que en este caso para calentar agua residencial y reemplazar las duchas eléctricas. Los experimentos se llevaron a cabo en Cascavel-PR, el campus de la Universidad Estatal de Paraná occidental y se encontró que el sistema con latas de aluminio mostró el mejor rendimiento de llegar a 54,3 ° C, presentando una eficiencia de 41,6%.. 15.

(16) 2.. MARCO TEORICO. 2. MARCO TEORICO Para la determinación del rendimiento de un colector solar de placa plana, es necesario conocer los factores que lo afectan, tales como: la posición en la que se encuentra el colector, los tipos de irradiación que inciden directamente sobre la superficie del mismo, la medición de las variables implicadas, y cuales son las ecuaciones que permiten calcular el rendimiento del colector, por ello se propone esta sección.. 2.1. RADIACION SOLAR Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmosfera donde experimenta fenómenos de reflexión, absorción y difusión que disminuyen la intensidad final. La radiación que llega directamente del sol es la denominada radiación directa y la que previamente es absorbida y difundida por la atmósfera (muy significativamente, por ejemplo, en días nublados) es la radiación difusa. La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en la que incide dando lugar a la radiación reflejada. La reflexión dependerá de las características y naturaleza de la superficie reflectora. La radiación solar global es la suma de los tres tipos antes citados, directa difusa y reflejada, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica. Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie determinada dependen: •. •. De las condiciones meteorológicas (de hecho, en un día nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad; en un día despejado con un clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede llegar hasta el 90% de la radiación total). De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa y la mínima reflejada).. De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno) (Salgado, 2010). 16.

(17) 2.. MARCO TEORICO. 2.2. COORDENADAS SOLARES En el sistema de coordenadas de la esfera celeste se especifica la posición del sol mediante dos ángulos que se denominan elevación y acimut. Estas coordenadas solares se definen con respecto a la dirección vertical que es la dirección que marcaría una plomada, que, apuntando hacia abajo, se dirigiría hacia el centro de la Tierra y hacia arriba interceptaría a la esfera celeste en un punto denominado cenit. La intersección en el hemisferio opuesto de la esfera celeste definiría el punto opuesto del cenit denomino nadir. Las definiciones de las coordenadas solares: I.. II.. III.. Elevación solar γs: Es el ángulo que forman los rayos solares con la horizontal. Toma valores que van de (90° - Ф - δ) en el solsticio de invierno a (90° - Ф + δ) en el solsticio de verano, siendo Ф la latitud del lugar y δ la declinación. Acimut solar Ψs: ángulo formado por el meridiano del sol y el meridiano del lugar, tomando como referencia el Sur en el hemisferio norte y el Norte en el hemisferio sur. Tiene valores positivos de 0° a 180° hacia el Oeste y negativos de 0° a -180° hacia el Este. Ángulo o distancia cenital θzs: ángulo formado por la dirección del sol y el vertical. Es el ángulo complementario de la elevación solar (Santamaría, 2010).. Ilustración 1. Coordenadas solares. Fuente. (Santamaría, 2010). 17.

(18) 2.. MARCO TEORICO. 2.3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Una instalación solar térmica es un sistema de aprovechamiento de energía solar para producción de agua caliente. Las diferencias entre ésta y un equipo solar doméstico (que en general es asimilable conceptualmente con los equipos compactos o termosifón) es que el equipo compacto está fabricado mediante un proceso estandarizado que presupone resultados uniformes en prestaciones, se ofrece en el mercado bajo un único nombre comercial y se vende como unidad preparada para su instalación. El equipo compacto puede estar constituido por un único componente integral o por un conjunto de componentes normalizados en características y configuración. Básicamente el funcionamiento de una instalación es el siguiente: •. Captación de la energía radiante para transformarla directamente en energía térmica, con el aumento de temperatura de un fluido de trabajo. Almacenamiento de dicha energía térmica, bien en el mismo fluido de trabajo de los colectores, o bien transferida al agua de consumo para su posterior utilización.. •. En cualquier instalación solar térmica se denomina circuito primario al circuito hidráulico formado por los colectores y las tuberías que los unen al acumulador, y es el encargado de recoger la energía térmica del colector y transferida al acumulador solar directamente o a través de un intercambiador de calor. Por el circuito secundario siempre circula agua de consumo. La transferencia de energía solar al agua del acumulador se realiza por la circulación del fluido contenido en el circuito primario. Este se calienta a su paso por los colectores y se enfría cuando pasa a través del sistema de intercambio, al transmitir al calor agua del consumo. El agua caliente del sistema de acumulación queda almacenada y dispuesta para ser consumida. 2.3.1. COMPONENTES DE UNA INTALACIÓN SOLAR TÉRMICA. El equipo solar domestico compacto, al igual que una instalación solar, puede estar constituido por: •. Un sistema de captación formado por uno o varios captadores que transforman la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se calienta el fluido de trabajo que aquellos contienen.. 18.

(19) 2.. • •. •. •. •. MARCO TEORICO. Un sistema de acumulación constituido por un depósito que almacena el agua caliente hasta que se precise su uso. Un sistema de intercambio que realiza la transferencia de energía térmica captada desde el circuito de colectores, o circuito primario, al agua caliente que se consume. Un circuito hidráulico constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se encarga de conducir el movimiento del fluido caliente desde el sistema de captación hasta el sistema de acumulación y desde éste a la red de consumo. Un sistema de regulación y control que fundamentalmente se encarga de asegurar el correcto funcionamiento del equipo, para proporcionar un adecuado servicio de agua caliente y aprovechar la máxima energía solar térmica posible. Por otro lado, puede incorporar distintos elementos de protección de la instalación. Adicionalmente los equipos suelen disponer de un sistema de energía auxiliar que se utiliza para complementar el aporte solar suministrando la energía necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizado la continuidad del suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o consumo superior al previsto (Salgado, 2010). 2.4. EL CAPTADOR SOLAR PLANO Los captadores solares son los encargados de convertir la energía del Sol en calor, que se transporta al fluido de trabajo del circuito solar. En los captadores solares planos el fluido de trabajo circula por el interior de los mismos, a través de un circuito interno formado, usualmente, por tubería o por los huecos que dejan entre si un par de placas electrosoldadas. El principio físico que se rige la transferencia de calor en el interior de los captadores solares vidriados en el efecto invernadero, que tiene lugar cuando la radiación solar incidente atraviesa la cubierta transparente del captador y queda atrapada en el interior del mismo. El efecto invernadero tiene lugar en el interior de los captadores solares vidriados al incidir sobre ellos la radiación solar, haciéndose transparentes a la radiación de onda corta, correspondiente a la radiación solar, y opacos de la radiación de onda larga, que corresponde con emisiones de energía en forma de calor (infrarrojo). De este modo, cuando la mayor parte de la radiación solar atraviesa el vidrio, una parte es reflejada por la placa absorbedora, volviendo a incidir sobre el vidrio, pero por una cara. 19.

(20) 2.. MARCO TEORICO. interior, y siendo conducida, de nuevo, hacia la placa absorbedora. El efecto que se produce en el interior de un vehículo cuando se encuentra con sus ventanas cerradas y expuesto a la radiación solar. Además de propiciar el efecto invernadero, la cubierta de los captadores solares planos protege al absorbedor de la intemperie y minimiza las pérdidas por convección debidas a la acción del viento. (Salgado, 2010). 2.4.1. PRINCIPALES COMPONENTES DEL CAPTADOR SOLAR PLANO I.. Cubierta transparente: como el nombre lo indica está construida con un material transparente a la radiación solar (vidrio o plástico incoloro) y que además debe ser capaza de: • Provocar el efecto invernadero. • Reducir las pérdidas térmicas por convección y radiación en el absorbedor. • Asegurar la estanqueidad.. II.. Absorbedor: es el elemento fundamental de un captador solar plano, tiene por misión recibir la radiación solar, transformarla en energía térmica y transmitirla al fluido caloportador. Se suele emplear cobre y solo en el caso que el fluido que pasa por el absorbedor sea el mismo que se utiliza en el sistema se emplean absorbedores de acero o plástico. Entre las características y propiedades que debe tener un buen absorbedor hay que destacar: • • • • •. III.. Pérdida de carga. Capacidad del absorbedor. Homogeneidad de la circulación del fluido caloportador en el absorbedor. Transmisión de calor entra la placa absorbente y el fluido. Resistencia a la presión.. Aislamiento térmico: el absorbedor está protegido, en su parte lateral y posterior, por un aislamiento térmico para evitar las pérdidas por conducción. Los aislantes deben poseer, entre otras, las siguientes características:. 20.

(21) 2.. MARCO TEORICO. • Comportamiento con la temperatura. • Desprendimiento de vapores. • Verificar que no se degrada por envejecimiento. • Se deben proteger contra la penetración accidental de agua o las condensaciones. IV.. Carcasa: es el dispositivo sobre el que descansan cada uno de los elementos que componen el captador. Su misión es doble: proteger y soportar los diversos elementos que constituyen el colector y actuar de enlace con el conjunto del edificio sobre el cual se sitúa el colector. Se suelen utilizar carcasas de aluminio. La vida útil de la carcasa debe ser al menos de 20 años. (Javier, 2008). Ilustración 2. Componentes principales del captador solar térmico. Fuente. (G.N. Tiwari, 2016). 2.5. PRUEBAS NORMATIVAS En los colectores solares deben resistir una serie de condiciones ambientales, por lo tanto, existen unas normas que permite medir dichas condiciones, algunas de estas normas son:. 21.

(22) 2.. Prueba. Estándar. MARCO TEORICO. Procedimiento de la Prueba. EN 12975. Resistencia a Temperatura. la. Un colector mínimo 1 h con G> 1,000 W / m² y la temperatura ambiente de 20 - 40 ° C, el viento <1 m / s Alta Un Colector mínimo 1 h con G: A) 950-1049; B) 1050 1200; C)> 1200 (W / m²) y la temperatura ambiente: A) ISO 9806-2 25 - 29,9; B) 30 - 40; C)> 40 ° C, el viento <1 m / s [1]. EN 12975 Exposición ISO 9806-2. EN 12975 Choque térmico externo ISO 9806-2 EN 12975 Choque térmico interno ISO 9806-2 Penetración de Lluvia. EN 12975 ISO 9806-2 EN 12975. Un colector A de acuerdo con ISO 9806-2 Clase A 30 días con H> 14 MJ / m² 30 h con G> 850 W / m² y Tamb> 10 ° C Colector A, B, C 30 días con H: A) 14; B) 18; C) 20 MJ / m² 30 h con G: A) 850; B) 950; C) 1050 W / m² y Tamb> A) 10; B) 15; C) 20 ° C Un Colector A 2 tiempos acorde a la ISO 9806-2 Clase A mínimo 1h con G (W/m²) y Tamb (°C) durante 30 h expuesto Colector A. 2 tiempos mínimos de 1h con G (W/m²) y Tamb (°C) durante 30 h expuesto Colector A. 2 tiempos acorde con la ISO 9806-2. Clase A mínimo 1h con G (W/m²) y Tamb (°C)durante 30 h expuesto Colector A. 2 tiempos mínimos de 1h con G (W/m²) y Tamb (°C) durante 30 h expuesto Colector A. Duración de la prueba 4h Colector A. Duración de la prueba 4h Colector B previamente acondicionado 5h con G > 700 W/m², fracción difusa <30%.. Colector A, con inclinación ajustable latitud ± 5 °, pero no menos de 30 °, fracción difusa <20%. Área del colector: 0,1% de precisión, irradiación global mínimo G> 800 W / m². La velocidad del viento 2-4 m / s. Volumen de flujo Comportamiento Térmico 0,02 kg / (s * m²), máx. deriva +/- 10%, en masa ISO 9806-2 desviación flujo ± 1%, irradiación Desviación ± 50 W / m². Desviación Tamb ± 1 K, desviación de la temperatura de entrada de ± 0,1 K. Tout-Tin> 1,5 K, Tm-Tamb en η0 ± 3K. Fase de acondicionamiento mínimo de 15 minutos y la medición de fase mínima 15 min. Tabla 1. Normas Técnicas con diferentes ensayos para colectores solares. (Technology, 2012). 22.

(23) 2.. MARCO TEORICO. 2.5.1. ENERGÍA SOLAR. CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS. MÉTODOS DE ENSAYO (ISO 9806:2013) Esta norma ha sido elaborada por el comité técnico AEN/CTN 94 Energía solar térmica cuya secretaría desempeña CONAIF. Esta norma internacional especifica métodos de ensayo para evaluar la durabilidad, fiabilidad y seguridad de captadores de calentamiento de fluido. Esta norma internacional incluye también métodos de ensayo para la caracterización del rendimiento térmico de captadores de calentamiento de fluido, concretamente rendimiento térmico en estado estacionario y cuasi-dinámico de captadores solares de calentamiento de líquido con cubierta y sin cubierta, y rendimiento en estado estacionario de captadores solares de calentamiento de aire con cubierta y sin cubierta. (abiertos al ambiente además de un circuito cerrado). 2.5.2. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Y COMPONENTES. CAPTADORES SOLARES. PARTE 2: MÉTODOS DE ENSAYO. Esta norma ha sido elaborada por el comité técnico AEN/CTN 94 Energía Solar Térmica cuya secretaria desempeñada AENOR. Esta norma específica los métodos de ensayo para la determinación de la capacidad de un captador solar de calentamiento de líquido para resistir la influencia de agentes degradantes. Define los procedimientos para ensayar captadores bajo condiciones bien definidas y repetibles. Esta norma también proporciona métodos de ensayo y procedimientos de cálculo para la determinación del rendimiento térmico en estado estacionario y estado cuasi-dinámico de captadores solares de calentamiento líquido con cubierta. Contiene métodos para la realización de ensayos al exterior bajo irradiancia solar real y viento real y simulado y métodos para la realización de ensayos al interior bajo condiciones de irradiancia solar y viento simuladas. Esta norma europea especifica los métodos de ensayo para la validación de los requisitos de durabilidad, fiabilidad y seguridad de los captadores de calentamiento que se especifica en la norma EN 12975-1. Esta norma también incluye tres métodos de ensayo para la caracterización del rendimiento térmico de los captadores de calentamiento de líquido. (AENOR, 2006). 23.

(24) 2.. MARCO TEORICO. 2.6. MONTAJE DEL COLECTOR SOLAR DE ACUERDO A LA NORMA EN12975-2 La forma en que se monta un captador influirá en los resultados de los ensayos de rendimiento térmico. Por lo tanto, se deben montar los captadores de acuerdo con las siguientes especificaciones: La estructura de montaje del captador no debe obstruir la apertura del captador, y no debe afectar significativamente al aislamiento posterior o lateral. Se debe utilizar una estructura de montaje abierta que permita al aire circular libremente alrededor de la parte delantera y trasera del captador. Debe montarse el captador de forma que el borde inferior no esté a menos de 0,5 m sobre la superficie del suelo. El captador debe ensayarse a ángulos de incidencia tales que el modificador del ángulo de incidencia del captador no varié en más de ± 2% de su valor en condiciones de incidencia normal. Para captadores de placa plana con una cubierta, esta condición se cumple normalmente si el ángulo de la radiación solar directa en la apertura del captador es menor de 20°. La orientación del captador al exterior puede montarse en una posición fija mirando al sur, pero esto dará lugar a una restricción en el tiempo disponible para el ensayo por el rango de aceptabilidad de los ángulos de incidencia. La localización del banco de ensayo debe ser tal que ninguna sombra se proyecte sobre el captador durante el ensayo. El rendimiento de algunos captadores es particularmente sensible a los niveles de irradiancia térmica. La temperatura de las superficies adyacentes al captador debe ser lo más cercana posible a la del aire ambiente para minimizar la influencia de la radiación térmica. Para ensayos al interior y con simulador, el captador debe protegerse de superficies calientes como radiadores, conductos de aire acondicionado y maquinaria, y de superficies frías como ventanas y paredes exteriores. El rendimiento de muchos captadores es sensible a la velocidad del aire. Para minimizar la reproductibilidad de los resultados, los captadores deben montarse de forma que el aire pueda pasar libremente sobre la apertura, la parte posterior y los laterales del captador.. 24.

(25) 2.. MARCO TEORICO. En la Ilustración 3 se puede observar el montaje recomendado por la norma para sistemas abiertos para su respectivo ensayo de rendimiento térmico en condiciones exteriores y de irradiación simulada.. Ilustración 3. Montaje de bucle abierto de ensayos. (AENOR, 2006). Donde: 1. Sensor de temperatura de aire circundante. 2. Sensor de temperatura de salida del colector. 3. Purgador de aire. 4. Tubería aislada. 5. Captador solar. 6. Calentador/enfriador de control de temperatura primario. 7. Manómetro. 8. Depósito abierto. 9. Depósito pesado 10. Bomba. 11. Balance. 12. Válvula reguladora de caudal. 13. Filtro (200μm). 14. Visor de cristal. 15. Caudalímetro. 16. Regulador secundario de temperatura.. 25.

(26) 2.. MARCO TEORICO. 17. Generador de viento artificial. 18. Sensor de temperatura de entrada al colector. 19. Pirgeómetro. 20. Piranómetro. 21. Anemómetro. 22. Tanque principal constante.. 2.7. BANCOS DE PRUEBAS. Según el montaje sugerido de la norma EN 12975-2 se tienen dos tipos de bancos para la realización de los ensayos los cuales son: I.. Banco de pruebas al exterior: Es una estructura completamente en acero, tiene una guía para darle la inclinación al captador en la parte inferior y el método de sujeción es de dos garras fijas y dos móviles en la parte superior. Consta de dos termopares (entrada y salida del colector), con un manómetro para indicar la presión de entrada en el colector, un caudalímetro en la entrada del mismo, un piranómetro en la parte superior del colector, y un datalogger que es un sensor de temperatura. El banco cuenta con una torre de enfriamiento que en su parte inferior sirve como tanque de almacenamiento, luego es conectado por medio de una tubería a la succión de la bomba y en la descarga se encuentra una válvula para controlar el paso del fluido para no tener inconvenientes en la toma de datos y seguido es conectado una manguera especial a los instrumentos de medición (caudalimetro, válvula antirretorno, manómetro, termopar de entrada del fluido del colector) que cuenta el banco de pruebas. Para finaliza el ciclo, en la salida del colector se conecta un sensor de temperatura, un manómetro y una conexión por medio de una manguera a la torre de enfriamiento.(Como se muestra en la Ilustración 4 y la Ilustración 5).. 26.

(27) 2.. Ilustración 4. Componentes del banco de pruebas al exterior (1).. Ilustración 5. Componentes del banco de pruebas al exterior (2). Donde: 1. Torre de enfriamiento 2. Bomba 3. Estructura metálica. 4. Válvula antirretorno. 5. Manómetro de entrada. 6. Termopar de entrada. 7. Termopar de salida.. 27. MARCO TEORICO.

(28) 2.. MARCO TEORICO. 8. Manómetro de salida. 9. Caudalimetro. 10. Válvula de bypass 11. Piranómetro. 12. Válvula reguladora. 13. Pirómetros. 14. Datalogger.. II.. Banco de pruebas de irradiación simulada. El banco que se va a utilizar para la irradiación simulada se encuentra en el laboratorio de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, el cual es fabricado por la empresa P.A. HILTON LTD. El colector de energía solar de placa plana RE550 de Hilton ha sido diseñado para funcionamiento interno o externo con un panel de instrumentación móvil fijado a un terminal. La consola de instrumentación y el sistema de circulación han sido diseñados para el trabajo en condiciones secas o bajo cubierto. La instrumentación del sistema y la bomba no han sido diseñadas para su funcionamiento en condiciones de humedad o de lluvia. El panel solar se apoya sobre un bastidor con ruedas para facilitar su uso. El banco dispone de un solarímetro montado en la mitad del colector solar que se visualiza directamente en W/m2 en una pantalla digital en la consola de instrumentación, está conectado con un suministro de agua local, un regulador de presión ajustable para que no supere 1,5 Bar en el indicador. Un punto de purga de aire en la parte superior del panel que permite el llenado completo del mismo. El agua circula por medio de una bomba que dispone de tres ajustes de velocidad. El agua del panel se recircula de manera continua y por el caudalimetro del panel hasta abrir ligeramente la válvula de control de caudal de purga, cuenta también con una válvula de alivio de presión para cuando no se aplique la refrigeración al agua no entre en estado de ebullición y por lo tanto no aumente la presión en el sistema. La temperatura del agua fría que entra en el sistema, la temperatura del agua recirculada que entra y que sale del panel, y la temperatura ambiente se miden mediante termopares. Para simular la radiación solar en las pruebas, el banco posee un simulador solar que está constituido por 2 bancos de 6 proyectores de 500W dispuestos en 2 bancos de 6 focos que proporcionan una salida de 2x3 kW. El suministro a los focos se realiza mediante dos terminales y circuitos de alimentación independientes. Cada circuito posee un RCCB individual y un interruptor/seccionador. Esto permite conectar los dos terminales de alimentación a dos tomas de red separadas. En la. 28.

(29) 2.. MARCO TEORICO. mayoría de los países, una forma individual de laboratorio es capaz de suministrar hasta 3 kW. De ahí la disposición. (ver Ilustración 6 e Ilustración 7).. Ilustración 6. Componentes del banco de irradiación simulada (1).. 29.

(30) 2.. Ilustración 7. Componentes del banco de irradiación simulada (2). Donde: 1. Termopar de entrada 2. Manómetro de entrada 3. Válvula antirretorno. 4. Piranómetro 5. Soporte del colector solar. 6. Colector solar. 7. Válvula de bypass 8. Termopar de salida. 9. Manómetro de salida. 9. Caudalimetro. 10. Bastidor de ruedas. 11. Bomba. 12. Caudalimetro. 13. Consola de instrumentación. 14. Simulador solar opcional RE550B. 15. Pirómetros.. 30. MARCO TEORICO.

(31) 2.. MARCO TEORICO. 2.8. ANÁLISIS TÉRMICO DEL COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. La norma EN 12975-2 establece que la eficiencia del colector solar, sometido a los ensayos al exterior y a una irradiación simulada, está dada por la Ecuación 1. 𝜂 = 𝜂0 − 𝑎1 [(𝑡𝑚 − 𝑡𝑎 )⁄𝐺] − 𝑎2 𝐺 [(𝑡𝑚 − 𝑡𝑎 )⁄𝐺]. 2. Ecuación 1. Eficiencia del colector (AENOR, 2006). Donde: 𝜂0 : Eficiencia óptica 𝐺 : Irradiación solar hemisférica [W/m2] 𝑎1 : Coeficiente de pérdidas térmicas. [W/m2K] 𝑎2 : Coeficiente de pérdidas térmicas cuadráticas. [W/m2K2] t m : Temperatura media de fluido. (𝑡𝑖𝑛 + ∆𝑇⁄2) [K] t a : Temperatura ambiente [K]. Por lo tanto, se realiza un análisis de resistencia equivalentes, donde se tienen en cuenta las perdidas por convección, conducción y radiación. La Ilustración 8 muestra el circuito de resistencias equivalentes en el colector solar de placa plana. Para ello se tendrá en cuenta las siguientes ecuaciones dadas las perdidas anteriormente mencionadas.. 𝑈𝑙 = 𝑈𝑏 + 𝑈𝑡 + 𝑈𝑒 Ecuación 2. Pérdidas totales del colector. Donde: 𝑈𝑙 : Pérdidas totales del colector. [W/m2K] 𝑈𝑏 : Pérdida de la base. [W/m2K] 𝑈𝑡 : Pérdida por la parte superior. [W/m2K] 𝑈𝑒 : Pérdida por los lados. [W/m2K]. 31.

(32) 2.. 𝑈𝑏 =. MARCO TEORICO. 𝐾 𝐿. Ecuación 3. Pérdida de la base. Donde: 𝑈𝑏 : Pérdida de la base. 𝐾: Conductividad térmica del material aislante de la base. 𝐿: Grosor del aislante 𝑇𝑎 : Temperatura Ambiente. ℎ2𝑐 : Coeficiente convectivo del viento ℎ2𝑟 : coeficiente de transferencia por radiación. 𝑇𝑔 : Temperatura del vidrio. ℎ1𝑐 : Coeficiente de convección entre placas paralelas. ℎ1𝑟 : Coeficiente de transferencia por radiación entre el absorbedor y la cubierta. 𝑞̇ 𝑎𝑏 : Tasa de energía térmica absorbida. 𝑞̇ 𝑢 : Tasa de energía útil transferida. 𝑇𝑝 : Temperatura de la placa. 𝑇𝑝𝑏 : Temperatura entre la placa y la base ℎ𝑏𝑐 : Coeficiente de pérdida de calor por convección. ℎ𝑏𝑟 : Coeficiente de pérdida de calor por radiación.. Ilustración 8. Resistencias equivalentes en el colector solar de placa plana. (G.N. Tiwari, 2016). 32.

(33) 2.. 𝑈𝑡 = (. MARCO TEORICO. 1 1 + ) ℎ1𝑐 + ℎ1𝑟 ℎ2𝑐 + ℎ2𝑟. Ecuación 4. Pérdida por la parte superior.. ℎ1𝑐 =. 𝑁𝑢 𝐾 𝐿. Ecuación 5. Coeficiente de convección entre placas paralelas.. ℎ1𝑐 : Coeficiente de convección entre placas paralelas. 𝑁𝑢 : Número de Nusselt ∗. 𝑁𝑢 = 1 + 1.44 [1 −. 1.6. 1 3. 1708 1708 sin(1.8 𝜃) 𝑅𝑎 cos 𝜃 ] (1 − ) + [( ) − 1] 𝑅𝑎 cos 𝜃 𝑅𝑎 cos 𝜃 5830 Ecuación 6. Número de Nusselt.. 𝑅𝑎 =. 𝑔𝛽𝐿3 (Δ𝑇) 𝑣∗𝛼. Ecuación 7. Número de Rayleigh.. Donde: 𝑅𝑎 : Número de Rayleigh 𝛽=. 1 : 𝑇𝑓. Coeficiente de expansión térmica. 𝑇𝑓: Temperatura del fluido entre la paca y el vidrio 𝜈: Viscosidad cinemática 𝑔: Aceleración de la gravedad 𝜃: Ángulo de inclinación 𝐿: Longitud de separación entre el vidrio y la placa.. ℎ1𝑟. (𝑇𝑃4 − 𝑇𝑐4 ) = 𝜀𝑒𝑓𝑓 𝜎 𝑇𝑝 − 𝑇𝑐. Ecuación 8. Coeficiente de transferencia por radiación entre el absorbedor y la cubierta.. ℎ1𝑟 : Coeficiente de transferencia por radiación entre el absorbedor y la cubierta. 33. ∗.

(34) 2.. 𝜎: Constante de Stefan Boltzmann. 𝑇𝑝 : Temperatura de la placa (Iteración). 𝑇𝑐 : Temperatura cubierta 𝜀𝑒𝑓𝑓 : Emisividad efectiva entre la placa y el vidrio 𝜀𝑝 :Emitancia del absorbedor 𝜀𝑐 : Emitancia del vidrio.. ℎ2𝑐 = 2.8 + 3𝑉 Ecuación 9. Coeficiente convectivo del viento.. ℎ2𝑐 :Coeficiente convectivo del viento 𝑉: Velocidad del viento.. ℎ2𝑟. 4 𝑇𝑐4 + 𝑇𝑠𝑘𝑦 = 𝜀𝑐 𝜎 ( ) 𝑇𝑐 + 𝑇𝑎. Ecuación 10. Coeficiente de transferencia por radiación.. ℎ2𝑟 : Coeficiente de transferencia por radiación. 𝑇𝑎 :Temperatura de ambiente máxima. 𝑇𝑠𝑘𝑦 = 𝑇𝑎 − 6 Ecuación 11. Temperatura sky.. 𝑈𝑒 =. 𝐾 ∗ 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐿 ∗ 𝐴𝑏𝑎𝑠𝑒. Ecuación 12. Pérdida de los lados.. Donde: 𝐾: Conductividad térmica del material 𝐿: grosor del aislante 𝐴: Área transversal.. 34. MARCO TEORICO.

(35) 2.. MARCO TEORICO. Dada la distribución de los tubos y la placa absorsora, como se muestra en la Ilustración 9, se obtiene una eficiencia de aleta. (F), un factor de eficiencia del colector (F’) y una constante m, por medio de las ecuaciones 13, 14 y 15. Ilustración 9. Configuración del colector. Fuente: (G.N. Tiwari, 2016). 𝐹=. tanh[𝑚(𝑊 − 𝐷)]/2 [𝑚(𝑊 − 𝐷)]/2. Ecuación 13. Eficiencia de aleta.. 𝐹′ =. 1 𝑊𝑈𝐿 𝑊 + 𝜋𝐷ℎ 𝐷 + (𝑊 − 𝐷)𝐹. Ecuación 14. Factor de eficiencia del colector.. 𝑈𝐿 𝑚=√ 𝐾𝛿 Ecuación 15. Constante m. Donde: 𝐾: Conductividad térmica de la placa. 𝛿: Espesor de la aleta. ℎ: Coeficiente de transferencia de calor entre los tubos y el fluido.. 35.

(36) 2.. 𝐹𝑅 =. 𝑚̇𝑓 𝐶𝑓 𝐹´𝐴𝑐 𝑈𝐿 [1 − 𝑒𝑥𝑝 {− }] 𝐴𝑐 𝑈𝐿 𝑚̇𝑓 𝐶𝑓. Ecuación 16. Factor de remoción.. Donde: 𝑚̇𝑓 : Flujo másico del sistema. 𝐶𝑓 : Calor especifico del agua. 𝐴𝑐 : Área total del captador.. 𝜂0 = 𝐹´ ∗ 𝜏 ∗ 𝛼 Ecuación 17. Eficiencia óptica.. Donde:. 𝜏: Transmitancia. 𝛼: Absortancia. 𝑎1 = 𝐹𝑅 ∗ 𝑈𝑙 Ecuación 18. Coeficiente de pérdidas térmicas.. 36. MARCO TEORICO.

(37) 3. INSTRUMENTACIÓN. 3. INSTRUMENTACIÓN. La instrumentación es una parte esencial en la toma de datos y de análisis de resultados, ya que su disposición y calibración permite encontrar variables por las cuales se va a evaluar el sistema. Para ello se recurrirá a la norma para observar cuáles son esas variables y determinar qué instrumentos son los óptimos para que nos midan dichas variables. Por consiguiente, dada las ecuaciones que se plantean en el apartado 2.8.ANÁLISIS TÉRMICO DEL COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. Se registra las medidas de las variables correspondientes.. 3.1. MEDIDA DE RADIACÓN SOLAR. Se utiliza un piranómetro de clase I o superior, como se especifica en la Norma ISO 9060, para medir la radiación global de onda corta desde el Sol y el cielo. Se recomienda que antes de realizar los ensayos correspondientes verificar el estado del piranómetro para no tener fallas en las lecturas, para ello se debe colocar en una posición de ensayo típica y permitir que se equilibre durante al menos 30 minutos antes de comenzar la toma de datos. Además, al momento de montar el instrumento no debe proyectar sombra en la apertura del captador en ningún momento. Debe montarse el piranómetro de forma que su sensor sea coplanar con el plano de apertura del captador. Debe montarse de forma que reciba los mismos niveles de radiación solar directa, difusa y reflejada que las que recibe el captador. Para ensayos al exterior y de simulación de irradiación debe montarse a mitad de la altura del captador. El simulador para ensayos de eficiencia en estado estacionario debe tener la siguiente característica: las lámparas deben ser capaces de producir una irradiancia media sobre la apertura del captador de, al menos, 700 Wm -2. Se pueden usar también valores en el rango de 300 Wm-2. a 1000 Wm-2. para estos ensayos.. 37.

(38) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 10. Montaje del piranómetro en el ensayo al exterior. Señalado en el círculo azul.. Ilustración 11. Solar Power Meter HT 204.. 38.

(39) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 12. Montaje del piranómetro y lámparas para el ensayo de simulación de irradiación. Señalado en el círculo rojo y rectángulo rojo respectivamente.. Ilustración 13. Piranómetro del banco de irradiación simulada.. 3.2. MEDIDA DE TEMPERATURA. Se requiere tres medidas de temperatura para el ensayo del captador solar. Estas son la temperatura del fluido a la entada y salida del captador y la temperatura ambiente del aire. Para medir estas temperaturas se requiere montar en el captador. 39.

(40) 3. INSTRUMENTACIÓN. solar unos sensores a una distancia de 200mm a la entrada del colector solar y debe colocarse un aislamiento alrededor de la tubería tanto aguas arriba como aguas abajo del sensor Si se fuerza aire sobre el captador mediante un generador de viento, debe medirse la temperatura del aire a la salida del generador de viento y deben realizarse controles para asegurar que esta temperatura no se desvía de la temperatura del aire ambiente en más de ±1K.. Ilustración 14. Montaje de termopar a la entrada del fluido del colector solar en el ensayo al exterior, señalada en el círculo rojo.. Ilustración 15. Montaje de termopar a la salida del fluido del colector solar en el ensayo al exterior, señalada en el círculo rojo.. 40.

(41) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 16. Montaje de pirómetros de la lectura de los termopares y datalogger para la medida de temperatura ambiente, señalados en el círculo amarillo.. Ilustración 17. Montaje de termopar a la entrada del fluido del colector solar en el ensayo de irradiación simulada, señalada en el cuadro amarillo.. 41.

(42) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 18. Montaje de termopar a la salida del fluido del colector solar en el ensayo de irradiación simulada, señalada en el cuadro amarillo.. Ilustración 19. Consola de instrumentación de temperatura ambiente y de la irradiación, en el ensayo de simulación.. 3.3. MEDIDA DE CAUDAL. Los caudales másicos pueden medirse directamente o alternativamente, si se conoce la densidad del agua, pueden determinarse a través de medidas del caudal. 42.

(43) 3. INSTRUMENTACIÓN. volumétrico y la temperatura. Debe calibrase el caudalimetro en todo el rango de caudales de fluido y temperaturas que se usen durante el ensayo del captador.. Ilustración 20. Montaje del caudalimetro en el ensayo al exterior, señalado en el círculo rojo.. Ilustración 21. Caudalimetro utilizado en el ensayo al exterior.. 43.

(44) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 22. Montaje del caudalimetro en el ensayo de simulación de irradiación, señalado en el cuadro rojo.. Ilustración 23. Caudalimetro utilizado en el ensayo de simulación de irradiación.. 44.

(45) 3. INSTRUMENTACIÓN. 3.4. MEDIDA DE VELOCIDAD DEL VIENTO. Las pérdidas de calor de un captador aumentan cuando aumenta la velocidad del aire sobre el captador, pero no está bien definida la influencia de la dirección de velocidad de aire. Bajo condiciones al exterior, la velocidad del aire circundante rara vez es constante. Se requiere, por lo tanto, la medida del promedio de la velocidad del aire durante el periodo de ensayo. Durante los ensayos al interior, la velocidad del aire puede variar de un extremo a otro. Por tanto, deben tomarse una serie de medidas de la velocidad del aire, a una distancia de 10mm a 50mm en frente de la apertura del captador. Debe determinarse entonces un valor medio. Tomando medidas de la velocidad del aire al interior antes y después de los puntos de ensayo de rendimiento para evitar ocultar la apertura del captador.. Ilustración 24. Montaje del anemómetro en el ensayo al exterior.. Ilustración 25. Anemómetro utilizado para los dos ensayos.. 45.

(46) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 26. Simulador de viento, señalado en el cuadro rojo.. 3.5. MEDIDA DE TIEMPO. La constante de tiempo del colector es el tiempo necesario para que el fluido utilizado en este caso agua salga del colector en un 63.2% de su estado estacionario, este representa el tiempo de respuesta del colector a fin determinar los intervalos de tiempo apropiados para las pruebas de eficiencia después de un cambio drástico en la irradiancia incidente. (Rincón, 2005) La constante de tiempo es una medida de tiempo para que se cumpla la siguiente ecuación: 𝑇𝑠𝑡 − 𝑇𝑒 = 0,368 𝑇𝑠𝑖 − 𝑇𝑒 Ecuación 19. Constante de tiempo en función de las temperaturas del colector.. Donde:. 𝑇𝑠𝑡 : Temperatura del fluido a la salida del colector al cabo de un cierto tiempo. 𝑇𝑠𝑖 : Temperatura inicial del fluido a la salida del colector. 𝑇𝑒 : Temperatura del fluido a la entrada del colector.. 46.

(47) 3. INSTRUMENTACIÓN. 3.6. MEDIDAS DE LAS ÁREAS Se debe tomar las medidas del colector para determinar: ✓ Área. de. absorbedor.. Señalada. en. el. color. azul. de. la. Ilustración 27. Ilustración 27. Área de absorbedor del colector de aluminio.. ✓ Área de apertura. Señalada dentro del rectángulo azul de la Ilustración 28. 47.

(48) 3. INSTRUMENTACIÓN. Ilustración 28. Área de apertura del colector de aluminio.. ✓ Área total. Señalada con el color verde en la Ilustración 29. Ilustración 29. Área total del colector de aluminio.. 48.

(49) 4. ENSAYOS DE RENDIMIENTO EN ESTADO ESTACIONARIO DEL COLECTOR SOLAR Y RESULTADOS.. 4. ENSAYOS DE RENDIMIENTO EN ESTADO ESTACIONARIO DEL COLECTOR SOLAR Y RESULTADOS. En los apartados 2.5.2 SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Y COMPONENTES. CAPTADORES SOLARES. PARTE 2: MÉTODOS DE ENSAYO. 2.6 MONTAJE DEL COLECTOR SOLAR DE ACUERDO A LA NORMA EN12975-2, se especificaron las. pruebas y el montaje que se debe tener en cuenta para la realización de los ensayos al exterior y con irradiación simulada. Se procede a realizar dichos ensayos.. 4.1. ENSAYO DE EFICIENCIA EN ESTADO ESTACIONARIO AL EXTERIOR. Para realizar las pruebas del colector en el exterior se deberá seguir un análisis visual del mismo y registrar cualquier daño, y se limpiará la cubierta para que no se encuentre ninguna impureza al realizar la prueba, se debe purgar el circuito hidráulico para extraer aire. (AENOR, 2006) Al practicar las pruebas en el exterior se deben cumplir ciertas condiciones para tener resultados óptimos, como por ejemplo la radiación solar inicial debe ser en lo posible superior 700 W/m2, según el fabricante la inclinación de instalación es de 10° a 20° por lo cual las pruebas se realizan con una inclinación inicial de 10º, se adecua el caudalimetro en 20 g/s, para cada periodo de ensayo. Después de la inspección inicial del estado físico del colector, y esperar las condiciones de cielo despejado, se procede a dar apertura a la cubierta del colector y del circuito hidráulico, y se purga el sistema por medio de la válvula de ventosa ubicada en la parte superior izquierda (ver Ilustración 30), se calibra el caudalímetro a medida requerida, se verifica la parte de los sensores térmicos y su conexión eléctrica, y completado esto se da inicio a la prueba.. 49.

(50) 4. ENSAYOS DE RENDIMIENTO EN ESTADO ESTACIONARIO DEL COLECTOR SOLAR Y RESULTADOS.. Ilustración 30. Válvula de automática de purga de aire ubicada en el cuadro naranja.. Las medidas necesarias para poder determinar a la eficiencia del colector son las que se explican en el apartado 3.INSTRUMENTACIÓN. El tiempo en el cual se realizan las pruebas fue de 5 puntos cada 10 minutos los cuales fueron asumidos, por no conocer la constante de tiempo recomendada dada por la norma. Metodología Los resultados obtenidos son los que se remplazaron en las ecuaciones de la sección 2.8.ANÁLISIS TÉRMICO DEL COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA. A continuación se muestran: No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Especificaciones del Colector Caudal Calor especifico del Agua Área Absorbedor Área de apertura Área de los lados Área Total del captador Inclinación Conductividad térmica de la Fibra de vidrio Espesor de la fibra de vidrio Pérdida de la base. 50. Valores 0,02 (Kg/s) Cp.= 4188 (J/KgK) AA = 1,8 m2 Aa= 1,862 m2 Al =0,456 m2 Ag =2 m2 θ =10° K1 = 0,043 (W/mK) L= 0,0425 (m) Ub = 1,011(W/m2K).