Energía solar térmica de baja temperatura

Práctica Nº 2
Energía solar térmica de baja temperatura
1. Conceptos implicados
Energía solar térmica de baja temperatura, calor de absorción, efecto invernadero, aislamiento
térmico, eficiencia energética.
2. Objetivos


Estudiar el rendimiento energético de un panel solar de energía térmica de baja temperatura
bajo diferentes condiciones de operación.
Estudiar el efecto invernadero natural en un panel térmico.
Figura 1. Montaje de la práctica.
Se dispone de un colector solar de demostración para instalaciones ACS. El elemento
absorbente es de acero pintado en negro y el agua asciende a través de varias pistas. La placa de
vidrio frontal se puede quitar y el bastidor se puede orientar. Una bomba de circulación impulsa el
agua a través del panel.
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Práctica Nº 2. Energía Solar-Térmica de baja temperatura
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3. Introducción
Los colectores de agua caliente sanitaria (ACS) son usados para calentar el agua mediante
la radiación solar. El objetivo es incrementar la temperatura del agua de la red hasta llegar a unos
40-45 ºC, temperatura a la que se utiliza habitualmente el agua para fines sanitarios. Los colectores
están diseñados para obtener una máxima eficiencia, y están compuestos por un serpentín por el que
circula el agua que, a su vez, se encuentra en el interior de estructura metálica. La radiación pasa a
través de un cristal que produce un efecto invernadero que aumenta la eficiencia del colector.
Si bien la eficiencia de estos dispositivos es muy elevada, no toda la energía radiante que
llega al panel se transforma en calor del fluido que circula por el mismo. Existen perdidas por
radiación al entorno, por conducción y por convección. En particular la eficiencia es muy
dependiente de la diferencia de temperatura que existe entre el fluido portante (el agua que circula
por el colector) y la temperatura ambiente del aire que rodea el colector. Así, cuando la temperatura
del fluido y la del ambiente se igualan, el colector no tiene perdidas de calor por radiación y alcanza
su máxima eficiencia. Por el contrario, cuando las diferencias térmicas entre la placa y sus
alrededores son muy elevadas, siendo la temperatura ambiente menor, entonces la eficiencia de la
placa es menor, pues gran parte de la energía absorbida por la placa se pierde por intercambio
radiativo con los alrededores. También esta condicionado por la presencia de viento y la forma de
construcción de panel, en especial, la presencia o no de un cristal protector transparente que
produzca un efecto invernadero natural en el interior.
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En esta práctica vamos a tratar de estudiar estos efectos, estudiando la eficiencia de
operación del colector en varias condiciones.
Como hemos comentado, la eficiencia de un colector depende de numerosos parámetros,
desde el aislamiento a la presencia de viento. De forma aproximada, la potencia térmica que es
capaz de generar el colector, cuando se alcanza un estado estacionario, se puede obtener mediante
la siguiente expresión:
Pt= c·m·(Tsal-Tent)
Donde:
 c = Calor específico del agua: 1 cal /g ºC = 4.186 J/ g ºC.
 m =volumen de fluido por unidad de tiempo que circula en el colector, en nuestro caso
100 g/min = 100 gr/60 seg.
 Tsal = temperatura del agua a la salida, después de pasar por el colector.
 Tent = temperatura del agua a la entrada del colector.
Partiendo de la expresión anterior, el rendimiento de un colector térmico se puede aproximar
mediante la siguiente expresión:
= Pt / I·A
Donde
 I = es la intensidad de radiación, en nuestro caso I =1000 W/m2
 A = área del colector, en nuestro caso 0.12 m2
Nota: ojo a las unidades en la formula, todo debe estar en el sistema internacional.
4. Procedimiento experimental
Como se observa en la figura 1, se dispone de una lámpara que, situada a 70 cm del panel,
equivale a una intensidad de radiación de 1000 W/m2. Este es el valor estándar al que se suelen
referir las características técnicas de un panel. Se dispone también de una bomba de circulación que
pone en movimiento el agua a través del panel. Debe regularse siempre a 100 cm3/min. El agua en
circulación se hace pasar a través de un serpentín donde cede su calor al agua del vaso. Nótese que
este dispositivo hace de sustituto de la entrada y salida del agua de la red. Esto es, el agua sale
caliente del panel y vuelve a entrar fría una vez pasa por el intercambiador, simulando que fuera una
agua nueva que entre desde la red.
Se estudiará el rendimiento del panel en las siguientes condiciones:
1) En primer lugar vamos a estudiar el efecto que tiene el cristal frontal colector, que provoca
un efecto invernadero natural y da lugar a un calentamiento adicional. Partiendo del agua a
temperatura ambiente, realizaremos dos medidas, una con el cristal protector y otra sin el
mismo y mediremos el rendimiento.
2) A continuación estudiaremos el efecto del ángulo de incidencia de la radiación. Para ello
inclinaremos la placa de forma que simule la situación que se tendría con un ángulo cenital
de 40 º. Mediremos el rendimiento que se obtiene en este caso sólo con la cubierta puesta.
3) Finalmente, vamos a estudiar el efecto que tiene la temperatura del agua. Mantenemos de
nuevo el colector perpendicular a la radiación. Enfriaremos el vaso intercambiador con
hielo hasta que el agua de dicho vaso alcance unos 5ºC. Finalmente, elevaremos la
temperatura hasta unos 60 ºC en el vaso intercambiador usando una resistencia eléctrica,
vigilando que la temperatura del agua de entrada al colector llegue a unos 50ºC. Mediremos
el rendimiento en ambos casos con el cristal protector.
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Para cada medida dejaremos un tiempo de estabilización de 12 a 15 minutos, hasta que se estabilice
la temperatura en los termómetros, comprobando que las temperaturas de entrada y salida son
estables ( +- 2º C). En todas las medidas anteriores anote la temperatura del laboratorio.
Con todo ello se podrá rellenar la siguiente tabla.
Placa
frontal
Si
No
Si
Si
Si
Angulo
cenital
0
0
40 º
0
0
Tent
Tsal
Tsal-Tent
Rendimiento 
~ 20 ºC
~ 20 ºC
~ 20 ºC
~ 5 ºC
~ 50 ºC
Temperatura del laboratorio:_________
5. Actividades complementarias.
1. Analice los resultados de la tabla anterior. En particular, explique los rendimientos
obtenidos en función de la configuración de los distintos experimentos y la temperatura
del laboratorio.
2. Usted pretende diseñar una instalación solar térmica para su casa, en la que viven 4
personas. Habitualmente, el agua sanitaria se consume a unos 60 ºC y se suelen emplear
unos 40 litros por persona y día (una ducha de 3 minutos gasta unos 30 litros). El diseño
de la instalación debe cubrir un 70% de sus necesidades anuales de energía, aunque
existan meses con menos cobertura y meses con más cobertura. Partiendo de un
rendimiento medio del 60% de su colector a lo largo de año, y a partir los datos de la
tabla de siguiente, en la que figura la temperatura del agua de la red y la radiación media
diaria para los doce meses del año, obtenga el número de metros cuadros de panel que
necesitaría.
T agua de la red ºC
Radiación media diaria
disponible kWh/m2día
Enero
11
1.8
Febrero
12.2
2.8
Marzo
13.4
4.
Abril
14.6
5
Nota: los paneles se venden
Mayo
15.8
5.6
en conjuntos de 2 m2.
Junio
17
6.7
Julio
18.2
7.5
Agosto
17
6.7
Septiembre
15.8
5.3
Octubre
14.6
3.3
Noviembre
13.4
2.5
Diciembre
12.2
1.8
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