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• Mafer Lopez

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I.

INTRODUCCIÓN

La energía solar térmica se basa en un principio muy simple: aprovechar el calor de los rayos del sol para calentar un líquido. La principal característica de la placa solar es aceptar su colección, en el sol durante el día. La placa de colector solar es un medio a través del cual recoge y almacena el mayor solar. Una instalación de energía solar térmica concentra el calor del Sol acumulado en unas placas especiales denominadas ​colectores ​y la transmite a un fluído que queremos calentar, que puede ser, bien el agua potable que sale de los grifos y duchas de la casa, bien el sistema hidráulico de calefacción, sin producir electricidad en ningún caso - al contrario que las placas fotovoltaicas, que sí generan corriente eléctrica. Los colectores solares son generalmente de dos tipos: tubos de vacío y plano del panel. Ambos tienen ventajas y desventajas, con los paneles solares de placa plana colector, se puede obtener el mayor solar. Pero con el movimiento del sol, la inclinación del sol y las placas de colector se vuelven menos eficaces​. II.

EJERCICIOS

PROBLEMA A) Calcule el coeficiente total de transferencia de calor, U L , para un colector solar plano con una sola cubierta de vidrio que mide 3 × 1 metros y que además tiene las siguientes características:

Emitancia de la placa absorción (pintura negra)

de

0.96

vidrio en el

0.88

Temperatura promedio de la placa de absorción

60 °C

Temperatura del aire ambiente y del firmamento

25 °C

Velocidad del viento

1 m/s

Emitancia infrarrojo

del

Espaciamiento entre la placa absorbedora y el vidrio

1.5 cm

Ángulo colector

25.7 °C

de

inclinación

del

Altura del colector

6 cm

Espesor del aislante por el fondo y por los lados Conductividad aislante

térmica

del

5.0 cm 0.04 W/mK

Para calcular el coeficiente total de transferencia de calor U L se debe calcular primero U t , U b y U e ∴ Ub = Q

Ka l

=

0.04 W /mK 0.05 m

= 0.8 W /m2 k

P = (3)(2)+(1)(2)= 8 m Ac = 3 m2 (0.04 W /mK)(0.06 m)(8 m) P U e = Kal M = = 0.128 W /m2 k Ac (0.05 m)(3 m2 )

INTEGRAL N=1 Ta = 25° C = 298° K Tp = 60° C = 333° K σ = 5.6697 x 10−8 W /m2 K 4 hw = 5.7 + 3.8(v) = 5.7 + 3.8(1 m/s) =9.5 f = (1 − 0.04hw + 0.0005 hw2 )(1 + 0.058 N ) f = (1 − 0.04(9.5) + 0.0005 (9.5)2 )(1 + 0.058 (1)) f = 0.7037

[

Ut =

N 0.31 (344/ T p)[(T p −T a) / (N + f ]

[ Ut =

[

[

+

1 hw

]+

]

+

1 9.5

(2N + f − 1) − ec

1 0.31 (344/ 333)[(333 − 298) / (1+ (0.7037) ]

(5.6697 x 10−8 ) (333 + 298)(333 2 + 298 2 ) −1 [0.88 + 0.0425 (1) (1−0.88)] +

2P

(2(1) + (0.7037) − 1) − 0.96

(1)

∫

l=

−2P

√

2

1 + ( 2Px ) dx

l = 4.59P Aplicamos integración por sustitución: →

N

σ (T p + T a)(T p2 + T a2 ) −1 [ep + 0.0425 N (1−ep)] +

Comprobar la siguiente integral:

1

1

−1

−1

u=

x 2P

∫ √u2 + 1 · 2P du = 2P ∫ √u2 + 1du

Usando la sustitución u = tan(v) , tenemos:

2P

]+

]

∴

π 4

∫

− π4

sec3 vdv π 4

2

→ 2P ([ sec v2senv ]− π + 4

U t ( 45°) = 0.4845 + 3.7512 = 4.2357 W /m2 k U t = [1 − (S − 45)(0.00259 − 0.00144 ep)] [U t ( 45°)] U t = [1 − (25.7 − 45)(0.00259 − 0.00144(0.88)] [4.2357] U t =​ 1.1081 W /m2 k

1 2

π 4

∫

− π4

sec vdv)

Entonces tenemos: 2

π

→ 2P [ sec v2 senv ]−4 π + 12 (ln(√2 + 1)P − ln(√2 − 1)P ) 4

Calculando los límites tenemos: 2P √2 + P (ln(√2 + 1) − P (ln(√2 − 1))

UL = Ub + Ue + Ut U L = (0.8) + (0.128) +(​1.1081 ​) U L = 2.0361 W /m2 k

Realizando las operaciones: P (2.8284) + P (0.88137) − P (− 88137) = P (4.5911)

B) Calcule la eficiencia del colector si la radiación solar incide sobre el plano del mismo en un instante dado es igual a 1000 W /m2 . Suponga que el cambio de energía interna es despreciable y que la transmitancia del vidrio es igual a su emitancia. τα =

(τ)(α) 1−(1−α) P d

=

(0.88)(0.96) 1−(1−0.96) 0.16

= 0.85

Qabs = (H T )(Ac)( τα ) = (1000)(3)(0.85)= 2550 S=

Qabs Ac

=

2550 3

= 850

Qu = Ac [(S − U L (T p − T a)] Qu = (3 m2 ) [(850 − 2.0361(333 − 298)] Qu = 2336.20 W n=

Qu H T Ac

=

2336.20 (100) (1000)(3)

= 77.87%

III. CONCLUSIÓN Existen otros tipos de colectores como los que no tienen cubierta cuyo uso se restringe a la climatización de piscinas (son conocidos como colectores de caucho o polipropileno)​. ​En el balance energético de un colector la energía incidente total será igual a la útil más la que se pierde por disipación al exterior por unidad de tiempo. Cuanto menores sean las pérdidas mejor será el colector y más energía útil se podrá extraer del mismo. La eficacia o rendimiento de un colector se define como la relación entre la energía captada y la recibida en un instante dado. Su eficacia es fundamental para obtener un buen rendimiento del colector, por eso debe tener unas características determinadas en cuanto a absorción y emisión, resistencia a la corrosión o inercia térmica, entre otras. Debemos comprobar diversos factores para su diseño: la conductividad térmica y el calor

específico, las propiedades térmicas del fluido caloportador, el espesor de la placa, la superficie de contacto absorbedor-fluido caloportador y el tipo de tuberías por donde circulará el fluido caloportador.