Caracterización de captadores solares planos

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Caracterización de captadores solares planos:
Implementación de un modelo analítico y evaluación
de parámetros representativos
Autor: Juan Luis Ortega Alfaya
Tutor: José Guerra Macho
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Equation Chapter 1 Section 1
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Caracterización de captadores solares planos:
Implementación de un modelo analítico y
evaluación de parámetros representativos
Autor:
Juan Luis Ortega Alfaya
Tutor:
José Guerra Macho
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
ÍNDICE
1. Objetivo e introducción………………………………………………………………......8
1.1. Objetivo…………………………………………………………………………......8
1.2. La radiación solar………………………………………………………………...….8
1.2.1. La radiación solar en España…………………………………………..............9
1.3. La energía solar térmica……………………………………………………………11
1.3.1. La energía solar térmica en el mundo………………………………………...12
1.3.2. La energía solar térmica en España…………………………………...............13
1.4. Elementos característicos de una instalación solar térmica………………………..13
1.4.1. Sistema de captación………………………………………………….............14
1.4.2. Sistema de intercambio y acumulación……………………………….............15
1.4.3. Sistema de apoyo……………………………………………………………..18
1.4.4. Circuito hidráulico……………………………………………………............19
1.4.5. Sistema de regulación y control………………………………………….…...25
1.5. Aplicaciones de la energía solar térmica………………………………….……….26
1.5.1. Producción de ACS…………………………………………………………...26
1.5.2. Climatización de piscinas…………………………………………………….27
1.5.3. Calefacción…………………………………………………………………...27
1.5.4. Refrigeración……………………………………………………………........28
1.5.5. Uso industrial…………………………………………………………………29
2. Captador solar plano…………………………………………………………………….32
2.1. Descripción del captador solar plano………………………………………………32
5
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2.1.1. Elementos del captador solar plano…………………………………………..32
2.1.2. Principio de funcionamiento del Captador Solar Plano………………………34
2.1.3. Clasificación de los Captadores Solares Planos………………………………35
2.2. Modelo en régimen permanente…………………………………………………...35
2.2.1. Balance global. Ganancia del captador……………………………………….35
2.2.2. Rendimiento…………………………………………………………………..37
2.2.3. Producto transmitancia-absortancia (ηα)……………..……………………….38
2.2.4. Coeficiente global de pérdidas (UL)…………………………………………..41
2.2.5. Coeficientes de transferencia de calor por convección……………………....43
2.2.6. Modelo de aleta unidimensional……...............................................................45
2.2.7. Campo de temperaturas del fluido……………………………………………51
2.3. Software……………………………………………………………………………52
2.3.1. Introducción…………………………………………………………………..52
2.3.2. Descripción del software……………………………………………………...54
2.3.3. Propiedades físicas del fluido caloportador…………………………………..57
2.3.4. Control de errores…………………………………………………………….58
2.3.5. Simulaciones y recta de rendimiento del captador………………………..…58
3. Estudio de mercado……………………………………………………………………...63
3.1. Superficie del captador…………………………………………………………….64
3.2. Material y tratamiento de la placa absorbedora…………………………………....66
3.3. Configuración y tipología del captador……………………………………………66
3.4. Recta de rendimiento………………………………………………………………67
3.5. Aislamiento térmico………………………………………………………………..69
3.6. Caudal específico recomendado…………………………………………………...71
3.7. Peso, capacidad y presión máxima admisible……………………………………...71
3.8. Localización de los fabricantes…………………………………………………....76
4. Resumen y conclusiones………………………………………………………………...77
6
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modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
4.1. Resumen…………………………………………………………..……………….77
4.2. Conclusiones…………………………………………………………….………....77
5. Referencias Bibliográficas………………………………………………………………79
7
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
En el primer capítulo de este proyecto se ha querido fijar los objetivos y motivaciones del
mismo, con el fin de ver la necesidad e importancia que hay en nuestra región de aprovechar
la mayor fuente de energía renovable que tenemos: el SOL. También se ha querido analizar
los componentes de una instalación solar térmica de baja temperatura, y las aplicaciones a
las que puede destinarse el aprovechamiento de esta energía.
1.1 OBJETIVO
El protagonista principal de este proyecto es el Captador Solar Plano (CSP), elemento
fundamental en las instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura. Es de vital
importancia empezar definiendo su funcionamiento y detallando, tantos las partes de las que
consta, como los tipos existentes en el mercado.
Los objetivos principales de este proyecto han sido dos: En primer lugar, crear un programa
amigable para el usuario, que permita simular el comportamiento del captador, y obtener
datos sustanciales del mismo, como el rendimiento o el calor útil que puede aportar, a partir
de los datos ya conocidos tanto del captador, del fluido o climatológicos. En segundo lugar
hemos querido agrupar los captadores solares que hay en el mercado español, creando una
base de datos con sus datos técnicos, para posteriormente analizarlos y encontrar todas las
relaciones posibles entre sus características.
1.2 LA RADIACIÓN SOLAR
La energía solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol a
consecuencia de una serie de reacciones de fusión nuclear que tiene lugar en su interior, las
cuales producen una pérdida de masa que se transforma en energía. La radiación es
transferida por ondas electromagnéticas y se produce directamente desde la fuente hacia
fuera en todas las direcciones. Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse,
pueden atravesar el espacio interplanetario y llegar a la Tierra desde el Sol.
A efectos prácticos el Sol puede ser considerado como un foco térmico a 5777 K y que nos
hace llegar 1367 W/m2 de irradiancia. Ésta intensidad de la radiación, llamada constante
solar, está referida en el borde exterior de la atmósfera, siendo mayor que la intensidad de
energía disponible en la superficie terrestre, debido a la absorción y a la dispersión de la
radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.
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La magnitud que mide la energía por unidad de tiempo y área que llega a la superficie
terrestre es la Irradiancia (W/m2). Esta irradiancia global es la suma de la irradiancia directa,
la que llega directamente del disco solar (también llamada Irradiancia directa normal), y la
irradiancia difusa, aquella reflejada por la bóveda celesta, especialmente por las nubes
(Figura1).
Figura 1. Componentes de la radiación.
1.2.1
La Radiación Solar en España
El mapa europeo de Radiación Solar manifiesta claramente que España es el país europeo
que recibe la mayor cantidad de radiación solar, por lo que el potencial de aprovechamiento
de la energía solar en nuestro país es muy elevado (Figura 2). En cuanto a los valores medios
de irradiancia para las distintas capitales europeas, Madrid es la ciudad que recibe mayor
radiación directa (3,39 kWh/m2dia), y la segunda en radiación global (4,88 kWh/m2dia), sólo
superada ligeramente por Atenas (4,92 kWh/m2dia) (Figura 3).
En el mapa de Irradiancia Global y Directa de España cabe destacar (Figura 4,5):
-
La Meseta Norte recibe menor cantidad de radiación que la meseta Sur con un
importante gradiente en el Sistema Central.
Valores elevados de Irradiancia en el valle del Ebro.
Alto valor de la Irradiancia en el sur de Sierra Morena y el Sistema Bético.
Los valores mínimos de radiación se registran en la zona de Cantabria, Asturias, País
Vasco y norte de Galicia.
Los valores máximos de radiación se alcanzan en Andalucía y Murcia.
La cantidad de radiación está modulada por los sistemas montañosos debido a la
existencia de nubes orográficas.
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Figura 2. Irradiancia Global Media diaria en Europa [kWh/m2dia].
Figura 3. Irradiancia Global Media diaria en las principales capitales europeas
[kWh/m2dia].
Figura 4. Irradiancia Global Media diaria en España [kWh/m2dia].
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Figura 5. Irradiancia Directa Media diaria en España [kWh/m2dia].
1.3 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía solar para producir
calor mediante el uso de captadores solares. Este calor es utilizado para calentar agua u otro
fluido que es posteriormente usado en aplicaciones diversas como la producción de ACS,
calefacción, refrigeración o producción de energía eléctrica entre otras.
1.3.1
La Energía Solar Térmica en el mundo
Según datos del Solar Heat Worldwide 2012, el cual incluye hasta 58 países, representando
el 63% de la población y aproximadamente el 95% del mercado mundial de la energía solar
térmica, la potencia instalada en el mundo para finales del 2012 fue de 269,3 GW,
correspondientes a un total de 384,7 millones de metros cuadrados. Solo en el año 2012 fue
instalada una capacidad de 52,7 GW correspondientes a 75,3 millones de metros cuadrados
de captadores solares lo que supone un crecimiento del 9,4%.
El 83% de esta energía fue instalada en China (180,4 GW) y Europa (42,8 GW) (Figura 6).
Los países líderes en potencia instalada por cada 1000 habitantes son: Chipre (548 kW/1000
hab), Austria (420 kW/1000 hab), Israel (385 kW/1000 hab), Barbados (320 kW/1000 hab)
y Grecia (268 kW/1000 hab) (Figura 7).
Desglosando la capacidad térmica mundial acumulada por tipo de captador se observa que el
64,6% corresponde a captadores de tubos de vacío, el 26,4% a captadores solares planos con
cubierta, el 8,4% a captadores solares planos sin cubierta, y solo un 0,6% a captadores de
aire. Sin embargo el desglose de los captadores europeos es bastante diferente: la mayoría de
captadores instalados son captadores solares planos con cubierta (84,9%), seguidos por
captadores de tubos de vacío (9%), captadores sin cubierta (4,5%) y captadores de aire
(1,6%) (Figura 8).
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Figura 6. Desglose de la potencia térmica instalada y en operación por regiones.
Figura 7. Países líderes en potencia térmica instalada por cada 1000 habitantes.
Figura 8. Desglose de la Potencia Térmica instalada por tipo de captador en el Mundo y
en Europa respectivamente.
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Figura 9. Desglose de la Potencia Térmica instalada por tipo de captador en España
1.3.2
La Energía Solar Térmica en España
En cuanto a nuestro país los datos del Solar Heat Worldwide 2012 nos muestran que somos
uno de los países europeos con mayor potencia instalada (2,07 GW - 2,96 millones de metros
cuadrados), sólo por detrás de Alemania, Austria, Grecia e Italia. Si contamos la potencia
instalada por cada 1000 habitantes, España se sitúa en el puesto número 19, dentro del
ranking mundial, con 42 kW por cada 1000 habitantes.
En cuanto al tipo de captadores instalados, siguiendo la línea europea, la mayoría son
captadores solares planos con cubierta (89,8%), seguidos por un 5,7% de captadores de tubos
de vacío y un 4,5% de captadores planos sin cubierta. No hay registros de captadores de aire
instalados. (Figura 9).
1.4 ELEMENTOS CARACTERÍSTICOS DE UNA INSTALACIÓN SOLAR
TÉRMICA
En las instalaciones solares térmicas se pueden reconocer los siguientes subsistemas (Figura
10):
-
Subsistema de captación. Es el encargado de transformar la energía solar recibida
en energía térmica para calentar el fluido caloportador.
Subsistema de intercambio y acumulación. Desempeña la función de transferir la
energía térmica captada al agua que se consume y su posterior almacenamiento hasta
que se necesite en la aplicación necesaria.
Subsistema de apoyo o auxiliar. Sistema de energía convencional para cubrir la
demanda prevista cuando fuera necesario.
Circuito hidráulico. Es el encargado de garantizar el funcionamiento del fluido por
toda la instalación.
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-
1.4.1
Sistema de regulación y control. Garantiza el correcto funcionamiento de la
instalación y la protege contra múltiples factores como sobrecalentamiento o
congelación.
Subsistema de captación
El sistema de captación está formado por los captadores solares encargados de recibir la
energía solar y transferirla al fluido caloportador. Es el componente más importante de la
instalación y el elemento diferenciador con respecto a una instalación convencional de
producción de calor.
Los captadores de energía solar térmica se pueden clasificar en:
-
-
Captadores de alta temperatura, generalmente espejos, llamados heliostatos, y
utilizados en las centrales termosolares para la producción de energía eléctrica,
pudiendo alcanzar el fluido temperaturas cercanas a los 2000 ºC.
Los captadores de media temperatura suelen ser captadores de concentración con
forma parabólica, en cuyo foco está situado el receptor que contiene al fluido. Los
más conocidos son los captadores cilíndrico-parabólicos y los tipo Fresnel. El fluido
puede alcanzar temperaturas cercanas a los 400 ºC.
Captadores para aplicaciones de baja temperatura, que proporcionan temperaturas
inferiores a los 100 ºC. Suelen ser captadores planos, con o sin cubierta, y de tubos
de vacío, usados generalmente para calentar agua.
El captador solar plano es el elemento clave en este proyecto, por lo que se profundizará más
sobre él en el capítulo 2.
Figura 10. Esquema básico de una instalación solar.
14
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1.4.2
Subsistema de intercambio y acumulación
La utilización de intercambiadores de calor tiene el objetivo de transferir la energía del
circuito primario al secundario, y ventajas como la posibilidad de utilizar como fluido de
trabajo un fluido con anticongelante, la reducción de cal en las tuberías del circuito primario
y la reducción del riesgo de corrosión de las tuberías ya que no hay renovación constante de
agua en el circuito primario. Los intercambiadores de calor pueden ser de dos tipos:
-
Interacumulador (Intercambiador incorporado al acumulador). Pueden ser de dos
tipos: de doble envolvente o de serpentín (Figuras 11, 12). En los interacumuladores
de doble pared o doble envolvente el fluido caloportador circula alrededor del
depósito acumulador por una capa concéntrica a éste. Debido a su poca pérdida de
carga estos interacumuladores son recomendables en instalaciones por termosifón.
Los interacumuladores de serpentín tiene mayor rendimiento, pero presentan mayor
pérdida de carga y un coste más elevado. Es recomendable que el serpentín se
coloque en la parte inferior del depósito y con aletas para favorecer el intercambio
de calor.
Figura 11. Interacumulador de doble
envolvente
-
Figura 12. Interacumulador de serpentín.
Intercambiador externo o independiente. Se sitúan en el exterior y pueden ser de
dos tipos: de haz de tubos o de placas (Figuras 13, 14), siendo estos últimos los más
utilizados. Tienen un mayor rendimiento que los interacumuladores, pero presentan
una mayor pérdida de carga en el circuito y un coste más elevado.
El apartado 3.4.3 del HE4 del CTE establece lo siguiente en referencia al uso de
intercambiadores de calor:
-
Cualquier intercambiador de calor existente entre el circuito de captadores y el
sistema de suministro al consumo no debería reducir la eficiencia del captador
debido a un incremento en la temperatura de funcionamiento de captadores.
15
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-
Si en una instalación a medida sólo se usa un intercambiador entre el circuito de
captadores y el acumulador, la transferencia de calor del intercambiador de calor
por unidad de área de captador no debería ser menor que 40 W/m2K.
Figura 13. Intercambiador de haz de tubos
Figura 14. Intercambiador de placas
En cuanto al uso de acumuladores, son imprescindibles en una instalación solar térmica
debido al desacoplamiento entre demanda de agua caliente y producción. En instalaciones de
tamaño pequeño o medio, el depósito contiene el agua de consumo, pero en las grandes
instalaciones se sitúan depósitos intermedios de inercia con el objetivo de almacenar la
energía térmica que se transferirá posteriormente al agua.
Se recomienda el uso de acumuladores verticales para favorecer la estratificación de la
temperatura, permitiendo así un suministro instantáneo de agua sin necesidad de que todo el
depósito esté a la temperatura de servicio, lo que contribuye también a una mejora del
rendimiento del sistema de captación, ya que la diferencia de temperaturas de intercambio
son mayores. Por problema de espacio en muchas ocasiones hay que recurrir a los
acumuladores horizontales.
En el apartado 3.3.3.2 de la sección HE4 se especifica que las conexiones de entrada y
salida se situarán de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del fluido y
además (Figura 15):
a) la conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador o de los
captadores al interacumulador se realizará, preferentemente a una altura
comprendida entre el 50% y el 75% de la altura total del mismo.
b) la conexión de salida del agua fría del acumulador hacia el intercambiador o
los captadores se realizará por la parte inferior del depósito.
c) la conexión de retorno de consumo al acumulador y agua fría de red se
realizarán por la parte inferior.
d) la extracción de agua caliente del acumulador se realizará por la parte
superior.
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
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Figura 15. Conexiones de entrada y salida de un depósito.
En el caso de depósitos horizontales la toma de agua caliente y la de agua fría estarán
situadas en extremos diagonalmente opuestos.
El CTE también recomienda que el sistema de acumulación esté constituido por un solo
depósito y que esté ubicado en zonas interiores. En caso de que el sistema de acumulación
tenga que ser dividido en dos o más depósitos, éstos se conectarán en serie invertida en el
circuito de consumo o en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. El
apartado 3.3.3 de la sección HE4 establece que el volumen del depósito de acumulación
solar (en litros) ha de cumplir la siguiente relación, donde A es el área total del conjunto de
captadores (en m2):
El apartado 3.4.2 de la sección HE4 establece que el acumulador habrá de estar enteramente
recubierto con material aislante y es recomendable disponer de una protección mecánica o de
revestimiento exterior, como chapa pintada al horno, PRFV, o lámina de material plástico.
Los materiales aislantes más utilizados son la espuma de poliuretano, la lana de roca o la
fibra de vidrio. Cuando la potencia térmica a instalar es inferior a 70 kW se recomiendan los
espesores mínimos de aislamiento (mm) de la Tabla 1, para un material con conductividad
térmica de referencia a 10 ᵒC de 0,040 W/mK.
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40 ᵒC <Tmax<60 ᵒC
60 ᵒC <Tmax<100 ᵒC
Acumulador interior
35 mm
40 mm
Acumulador exterior
45 mm
50 mm
Tabla 1. Espesores mínimos de aislamiento para kais=0,040 W/mK.
Para instalaciones con potencia térmica superior a 70 kW, se realizará el cálculo del
aislamiento de forma que las pérdidas térmicas globales del conjunto de conducciones no
superen el 4% de la potencia térmica transportada.
1.4.3
Subsistema de apoyo
Cuando la energía solar no es suficiente para cubrir toda la demanda, bien porque ésta se
produzca en horas en las que no haya sol, o porque sea superior a la aportación solar, es
necesaria la existencia y uso de un equipo de energía convencional auxiliar.
Para el caso de producción de ACS el apartado 3.3.6 de la sección HE4, del DB HE del CTE
establece que „se debe disponer de un equipo de apoyo de energía convencional que
suministre la energía necesaria para cubrir toda la demanda prevista, garantizando la
continuidad del suministro de agua caliente en casos de escasa radiación o demanda
superior a la prevista:
-
-
-
-
Para asegurar la continuidad en el abastecimiento de la demanda térmica, las
instalaciones de energía solar deben disponer de un sistema de energía
convencional auxiliar.
Queda prohibido el uso de sistemas de energía convencional auxiliar en el circuito
primario de captadores.
El sistema convencional auxiliar se diseñara para cubrir el servicio como si no se
dispusiera del sistema solar. Solo entrara en funcionamiento cuando sea
estrictamente necesario y de forma que se aproveche lo máximo posible la energía
extraída del campo de captación.
El sistema de aporte de energía convencional auxiliar con acumulación o en línea,
dispondrá siempre de un termostato de control sobre la temperatura de preparación
que en condiciones normales de funcionamiento permitirá cumplir con la legislación
vigente en cada momento referente a la prevención y control de la legionelosis.
En el caso de que el sistema de energía convencional auxiliar no disponga de
acumulación, es decir sea una fuente instantánea, el equipo será modulante, es
decir, capaz de regular su potencia de forma que se obtenga la temperatura de
manera permanente con independencia de cuál sea la temperatura del agua de
entrada al citado equipo.
En el caso de climatización de piscinas, para el control de la temperatura del agua
se dispondrá una sonda de temperatura en el retorno de agua al intercambiador de
calor y un termostato de seguridad dotado de rearme manual en la impulsión que
enclave el sistema de generación de calor. La temperatura de tarado del termostato
de seguridad será, como máximo, 10 ᵒC mayor que la temperatura máxima de
impulsión.
18
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Los sistemas de apoyo se pueden clasificar en función de:
-
1.4.4
El aporte de calor al total de la instalación. Apoyo colectivo cuando se abastece
desde un único punto, o apoyo individual, cuando cada consumo dispone de su
propio sistema de apoyo.
Existencia de acumulación de la energía de apoyo. Apoyo en línea (instantáneo),
frente a apoyo con acumulación.
Localización en el conjunto de la instalación. Distinguimos entre sistemas de apoyo
en serie o en paralelo con el acumulador solar.
Tipo de energía utilizada en la producción de calor. Se distinguen fundamentalmente
dos grupos: las eléctricas que consiguen el salto de temperaturas necesario por efecto
Joule, y las que lo consiguen por combustión (gas natural, gasóleo…). En los
sistemas solares de baja temperatura, los sistemas de apoyo con gas natural son los
más ventajosos, tanto por su repercusión ambiental como por su economía.
Circuito hidráulico
En las instalaciones solares térmicas siempre existe un circuito primario encargado de
establecer el movimiento del fluido caliente hasta el sistema de acumulación y un circuito
secundario que conduce el fluido desde la acumulación hasta la aplicación que se desarrolle.
Los principales componente que forman parte del circuito hidráulico son: bombas de
circulación, vasos de expansión, válvulas de corte, de seguridad, de retención, de regulación
y termostáticas), aparatos de medida, filtros, purgadores y una red de tuberías por la que
circula el fluido. A continuación se hará una breve descripción de cada uno de ellos.
Tuberías
Según se trate de los circuitos primarios o secundarios las tuberías pueden tener
requerimientos muy distintos, especialmente térmicos, por lo que puede ser necesario utilizar
distintos materiales. Según marca el documento HE del CTE en la sección HE4: „en las
tuberías del circuito primario podrán utilizarse como materiales el cobre y el acero
inoxidable, con uniones roscadas, soldadas o embridadas y protección exterior con pintura
anticorrosiva. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente sanitaria, podrá
utilizarse cobre y acero inoxidable. Podrán utilizarse materiales plásticos que soporten la
temperatura máxima del circuito y que le sean de aplicación y esté autorizada su utilización
por las compañías de suministro de agua potable.’
También hay que tener en cuenta que el A.C.S. se considera agua para consumo humano y
debe cumplir por tanto ciertas premisas, quedando prohibidos expresamente los tubos de
aluminio y aquellos cuya composición contenga plomo, dada la alteración que producen en
las condiciones de potabilidad del agua.
En cuanto al aislamiento de las tuberías, la norma está regida por el Reglamento de
Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE. En las tablas 2 y 3 están recogidos los
espesores mínimos de aislamiento de tuberías y accesorios que discurren por el interior o por
el exterior de edificios.
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Diámetro exterior (mm)
Temperatura máxima del fluido (ºC)
40-60
60-100
100-180
D≤35
25
25
30
35≤D≤60
30
30
40
60≤D≤90
30
30
40
90≤D≤140
30
40
50
140≤D
35
40
50
Tabla 2. Espesores mínimos de aislamiento para tuberías y accesorios que discurren
por el interior de edificios
Diámetro exterior (mm)
Temperatura máxima del fluido (ºC)
40-60
60-100
100-180
D≤35
35
35
40
35≤D≤60
40
40
50
60≤D≤90
40
40
50
90≤D≤140
40
50
50
140≤D
45
50
60
Tabla 3. Espesores mínimos de aislamiento para tuberías y accesorios que discurren
por el exterior de edificios.
El RITE establece que cuando se usen materiales aislantes de distinta conductividad térmica
a la de referencia (kais,ref=0.04 W/mK a 10ºC), habrá que realizar los siguientes cálculos para
calcular el espesor de aislamiento:
Para superficies planas:
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Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Para superficies de sección circular:
(
)
Siendo:
-
d, el espesor mínimo del material empleado [mm].
dref, el espesor mínimo de referencia [mm].
kais, la conductividad térmica del material empleado [W/mK].
kais,ref, la conductividad térmica de referencia [W/mK].
D, diámetro interior del material aislante, igual al diámetro exterior de la tubería
[mm].
Bomba de circulación
Es el dispositivo fundamental de las instalaciones solares térmicas de circulación forzada. El
objetivo de la bomba es crear el impulso necesario para vencer la pérdida de presión
hidróstatica y producir la circulación del fluido.
La normativa sobre las bombas viene recogida en el apartado 3.4.4 de la sección HE4, del
DB HE del CTE:
-
Los materiales de la bomba del circuito primario serán compatibles con las mezclas
anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado.
Cuando las conexiones de los captadores son en paralelo, el caudal nominal será el
igual caudal unitario de diseño multiplicado por la superficie total de captadores en
paralelo.
La potencia eléctrica parásita para la bomba no debería exceder los valores dados
en tabla 4.
La potencia máxima de la bomba especificada anteriormente excluye la potencia de
las bombas de los sistemas de drenaje con recuperación, que sólo es necesaria para
rellenar el sistema después de un drenaje.
La bomba permitirá efectuar de forma simple la operación de desaireación o purga.
Sistema
Sistema pequeño
Sistema grande
Potencia eléctrica de la bomba
50 W o 2% de la mayor potencia calorífica
que pueda suministrar el grupo de captadores
1 % de la mayor potencia calorífica que
puede suministrar el grupo de captadores
Tabla 4. Valores límite de la potencia eléctrica de la bomba.
21
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
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Válvulas
Las válvulas (Figura 16) son mecanismos utilizados para impedir o regular el paso del fluido
por una tubería.
El apartado apartado 3.4.6 de la sección HE4, del DB HE del CTE establece que:
-
-
La elección de las válvulas se realizará, de acuerdo con la función que desempeñen
y las condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperatura) siguiendo
preferentemente los criterios que a continuación se citan:
a) para aislamiento: válvulas de esfera;
b) para equilibrado de circuitos: válvulas de asiento;
c) para vaciado: válvulas de esfera o de macho;
d) para llenado: válvulas de esfera;
e) para purga de aire: válvulas de esfera o de macho;
f) para seguridad: válvula de resorte;
g) para retención: válvulas de disco de doble compuerta, o de clapeta.
Las válvulas de seguridad, por su importante función, deben ser capaces de derivar
la potencia máxima del captador o grupo de captadores, incluso en forma de vapor,
de manera que en ningún caso sobrepase la máxima presión de trabajo del captador
o del sistema.
Vaso de expansión
El vaso de expansión (Figura 17) es el elemento encargado de absorber las variaciones de
volumen y presión que experimenta el fluido en un circuito cerrado debido a los cambios de
temperatura. Pueden ser abiertos o cerrados en función de que el fluido este en contacto
directo con la atmósfera o no.
Al calentarse el circuito primario, una parte del fluido entra en el vaso de expansión,
regresando al circuito cuando se enfría, manteniendo de esta manera la presión en el circuito
dentro del rango de presiones admisibles y siempre por encima de la atmosférica, impidiendo
así la introducción de aire en el circuito.
La normativa acerca de los vasos de expansión viene recogida en el apartado 3.4.7 de la
sección HE4, del DB HE del CTE:
-
-
Los vasos de expansión abiertos, cuando se utilicen como sistemas de llenado o de
rellenado, dispondrán de una línea de alimentación, mediante sistemas tipo flotador
o similar.
El dispositivo de expansión cerrada del circuito de captadores deberá estar
dimensionado de tal forma que, incluso después de una interrupción del suministro
de potencia a la bomba de circulación del circuito de captadores, justo cuando la
radiación solar sea máxima, se pueda restablecer la operación automáticamente
cuando la potencia esté disponible de nuevo.
Cuando el medio de transferencia de calor pueda evaporarse bajo condiciones de
estancamiento, hay que realizar un dimensionado especial del volumen de
expansión: Además de dimensionarlo como es usual en sistemas de calefacción
cerrados (la expansión del medio de transferencia de calor completo), el depósito de
expansión deberá ser capaz de compensar el volumen del medio de transferencia de
22
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
calor en todo el grupo de captadores completo incluyendo todas las tuberías de
conexión entre captadores más un 10 %.
El aislamiento no dejará zonas visibles de tuberías o accesorios, quedando
únicamente al exterior los elementos que sean necesarios para el buen
funcionamiento y operación de los componentes. Los aislamientos empleados serán
resistentes a los efectos de la intemperie, pájaros y roedores.
Figura 16. Distintos tipos de válvulas.
Figura 17. Vaso de expansión.
23
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Purgadores
Los purgadores (Figura 18) son dispositivos que se instalan en los circuitos hidráulicos con
el objetivo de dejar salir el aire que pudiera haber quedado en el interior de las tuberías. La
presencia de aire perjudica el buen funcionamiento de los circuitos, pues una alta cantidad de
aire puede llegar a impedir la circulación del fluido.
Figura 18. Purgadores
El apartado 3.3.5.5 de la sección HE4, del DB HE del CTE, establece que „en los puntos
altos de la salida de baterías de captadores y en todos aquellos puntos de la instalación
donde pueda quedar aire acumulado, se deben colocar sistemas de purga constituidos por
botellines de desaireación y purgador manual o automático. El volumen útil del botellín será
superior a 100 cm3. Este volumen podrá disminuirse si se instala a la salida del circuito
solar y antes del intercambiador un desaireador con purgador automático’.
Además, debido a que los purgadores automáticos no diferencian entre el aire y el vapor de
agua, se evitará el uso de estos purgadores en aquellos puntos del circuito donde se pueda
generar vapor, como a la salida de los captadores solares. En estos lugares se instalarán
sistemas de purga de aire manual, para así evitar el problema de extracción de vapor de agua.
Sistemas de llenado y vaciado
Cualquier circuito cerrado de la instalación ha de incorporar un sistema de llenado manual o
automático que permita llenar el circuito y mantenerlo presurizado.
El apartado 3.4.9 de la sección HE4, del DB HE del CTE, establece lo siguiente:
-
Los circuitos con vaso de expansión cerrado deben incorporar un sistema de
llenado manual o automático que permita llenar el circuito y mantenerlo
presurizado. En general, es muy recomendable la adopción de un sistema de llenado
automático con la inclusión de un depósito de recarga u otro dispositivo, de forma
que nunca se utilice directamente un fluido para el circuito primario cuyas
características incumplan esta Sección del Código Técnico o con una concentración
24
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
-
de anticongelante más baja. Será obligatorio cuando, por el emplazamiento de la
instalación, en alguna época del año pueda existir riesgo de heladas o cuando la
fuente habitual de suministro de agua incumpla las condiciones de pH y pureza
requeridas en esta Sección del Código Técnico.
En cualquier caso, nunca podrá rellenarse el circuito primario con agua de red si
sus características pueden dar lugar a incrustaciones, deposiciones o ataques en el
circuito, o si este circuito necesita anticongelante por riesgo de heladas o cualquier
otro aditivo para su correcto funcionamiento.
Las instalaciones que requieran anticongelante deben incluir un sistema que
permita el relleno manual del mismo.
Para disminuir los riesgos de fallos se evitarán los aportes incontrolados de agua
de reposición a los circuitos cerrados y la entrada de aire que pueda aumentar los
riesgos de corrosión originados por el oxígeno del aire. Es aconsejable no usar
válvulas de llenado automáticas.
Se permite utilizar como sistema de llenado los vasos de expansión abiertos, cuando su
colocación esté permitida para el tipo de instalación.
Sistema de medida
El Código Técnico de la Edificación exige que, „además de los aparatos de medida de
presión y temperatura que permitan la correcta operación, las instalaciones mayores de 20
m2 deberán disponer al menos de un sistema analógico de medida y registro de datos que
indique como mínimo las siguientes variables:
-
Temperatura de entrada del agua fría de la red.
Temperatura de salida acumulador solar.
Caudal de agua fría de la red.
El tratamiento de los datos proporcionará al menos la energía solar térmica acumulada a lo
largo del tiempo.
1.4.5
Sistema de regulación y control
El sistema de regulación y control se define como uno de los que conforman la instalación
solar térmica para agua caliente en el apartado 3.2.1, de la Sección HE 4, del DB HE del
CTE, con la misión, por un lado de asegurar el correcto funcionamiento del equipo para
proporcionar la máxima energía solar térmica posible y, por otro, de actuar como protección
frente a la acción de múltiples factores como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de
congelaciones, etc…
Las funciones se detallan en el apartado 3.3.7 de la Sección HE 4, del DB HE del CTE que
dice:
-
El sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de las instalaciones,
procurando obtener un buen aprovechamiento de la energía solar captada y
asegurando un uso adecuado de la energía auxiliar. El sistema de regulación y
control comprenderá el control de funcionamiento de los circuitos y los sistemas de
protección y seguridad contra sobrecalentamientos, heladas etc.
25
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
-
-
En circulación forzada, el control de funcionamiento normal de las bombas del
circuito de captadores, deberá ser siempre de tipo diferencial y, en caso de que
exista depósito de acumulación solar, deberá actuar en función de la diferencia
entre la temperatura del fluido portador en la salida de la batería de los captadores
y la del depósito de acumulación. El sistema de control actuará y estará ajustado de
manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperaturas
sea menor de 2 ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor de 7 ºC. La
diferencia de temperaturas entre los puntos de arranque y de parada de termostato
diferencial no será menor que 2 ºC.
Las sondas de temperatura para el control diferencial se colocarán en la parte
superior de los captadores de forma que representen la máxima temperatura del
circuito de captación. El sensor de temperatura de la acumulación se colocará
preferentemente en la parte inferior en una zona no influenciada por la circulación
del circuito secundario o por el calentamiento del intercambiador si éste fuera
incorporado.
El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas
superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y
tratamientos de los circuitos.
El sistema de control asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido de
trabajo descienda por debajo de una temperatura tres grados superior a la de
congelación del fluido.
Alternativamente al control diferencial, se podrán usar sistemas de control
accionados en función de la radiación solar.
Las instalaciones con varias aplicaciones deberán ir dotadas con un sistema
individual para seleccionar la puesta en marcha de cada una de ellas,
complementado con otro que regule la aportación de energía a la misma. Esto se
puede realizar por control de temperatura o caudal actuando sobre una válvula de
reparto, de tres vías todo o nada, bombas de circulación, o por combinación de
varios mecanismos.
1.5 APLICACIONES ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1.5.1
Producción de agua caliente sanitaria (ACS)
La aplicación de la energía solar térmica para la producción de agua caliente sanitaria es con
diferencia la más habitual actualmente, debido a las bajas temperaturas de preparación y a la
homogeneidad de su consumo a lo largo del año lo que hace que las instalaciones de energía
solar térmica presenten buenos rendimientos para la producción de agua caliente sanitaria y
que también resulte interesante a nivel económico a la hora de disminuir los costes
energéticos de una instalación.
Por otra parte es de obligado cumplimiento según el CTE, salvo que se sustituya por otra
energía renovable.
El esquema básico de una instalación solar térmica para producción de ACS (Figura 19) se
compone del sistema de captación, el sistema de intercambio y acumulación, y sistema
convencional de apoyo que proporciona la energía cuando fuera necesario, además de los
elementos de control y regulación que los coordinan.
26
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
1.5.2
Climatización de piscinas
Debido a las bajas temperaturas con las que se trabaja, esta aplicación es bastante interesante
ya que los captadores trabajan con un alto rendimiento.
De acuerdo con el CTE, el uso de energía solar térmica es obligatorio para la climatización
del agua de las piscinas. En el caso de piscinas cubiertas pueden contar con una fuente
energética de apoyo, pero las piscinas descubiertas solo pueden calentar su agua con energías
renovables, como la energía solar, o residuales.
En piscinas cubiertas el esquema básico de una instalación solar térmica para la
climatización del agua de las piscinas cubiertas (Figura 20) se compone del sistema de
captación, el sistema de intercambio y el que proporciona la energía complementaria cuando
es necesario, unido a los elementos de regulación y control que los coordinan. En este caso el
sistema acumulador es la propia piscina. Es muy habitual la combinación de varias
aplicaciones mediante un sistema formado por un doble circuito e intercambiadores
combinables con la producción de agua caliente sanitaria y la calefacción.
En piscinas descubiertas se consiguen los máximos rendimientos ya que el periodo de uso y
el de máxima radiación coinciden. Además no es necesario el uso de acumulador ya que la
propia piscina hace la función de acumulador, y tampoco es necesario el intercambiador ya
que se aconseja la instalación de captadores de caucho tipo propileno y este material resiste
bien las corrosiones del cloro y la sal. La temperatura de trabajo suele ser tan baja (por
debajo de los 30 ᵒC) que permite prescindir del uso de cubiertas, carcasas o aislante, lo que
hace disminuir considerablemente el precio del captador.
El esquema básico de una instalación solar para la climatización del agua de las piscinas
descubiertas (Figura 21) es igual que para piscinas cubiertas con la salvedad de que no está
permitido el uso de energías convencionales.
1.5.3
Calefacción
Esta aplicación no es obligatoria ni está regulada en el CTE, aunque no está de más
contribuir a la demanda de calefacción mediante el uso de la energía solar térmica.
El inconveniente del uso de la energía solar para calefacción radica en primer lugar en que
sólo existe demanda de calefacción durante unos meses del año y esta coincide con los
meses de menor radiación solar, lo cual limita el rendimiento de estas instalaciones.
En estas instalaciones es muy habitual el uso compartido con la producción de ACS, con los
adecuados sistemas de control que priorice el uso más conveniente en cada caso. El principal
problema que puede presentarse son los excedentes en verano, que habría que evacuar o
derivar a otras aplicaciones, como podría ser la refrigeración por absorción. Si no se pudiera
de derivar los excedentes solo sería rentable esta aplicación en puntos extremadamente fríos,
donde es necesario calefactar durante todo el año.
Las instalaciones de calefacción que predominan en España tienen como elemento emisor de
calor los radiadores convencionales. Este tipo de instalación es en principio inadecuada para
su utilización con energía solar pues trabaja con elevados niveles de temperatura, a 70-90 ºC,
donde los captadores planos presentan rendimientos muy bajos.
27
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Es por ello que se debe recurrir a sistemas que funcionen a temperaturas más bajas,
preferentemente por debajo de los 60ºC. Los sistemas más utilizados son el suelo radiante y
los fan-coils.
La calefacción mediante suelo radiante consiste en hacer circular agua a baja temperatura
bajo el suelo del local que se quiera calefactar. El rango de temperaturas del agua para el
suelo radiante está entre 30-40ᵒC, valores muy apropiados para instalaciones de energía
solar.
El sistema de fan-coils se basa en una serie de tubos con aletas por donde circula agua
caliente. Una corriente de aire pasa entre los tubos, que calientan esta corriente de aire antes
de ser introducida en la habitación. La temperatura del agua para un sistema de fan-coils esta
entorno a los 45ᵒC, valor también apropiado para instalaciones de energía solar.
Otra opción sería el uso de captadores con buen rendimiento a altas temperaturas, como los
captadores de vacío, pero el uso de dichos captadores encarecería considerablemente el coste
de la instalación.
El esquema básica de una instalación solar térmica para calefacción (Figura 22) consta del
sistema de captación, el sistema de intercambio y acumulación y el equipo convencional de
apoyo que proporciona la energía complementaria cuando fuera necesaria, además de los
elementos de regulación y control que los coordinan.
1.5.4
Refrigeración
La climatización de edificios mediante energía solar ofrece una buena posibilidad de
aplicación de la energía solar ya que los periodos de demanda coinciden con los meses de
mayor radiación. La energía solar puede utilizarse también en estas instalaciones para los
sistemas de ACS y como apoyo a la calefacción durante los meses en que no existe demanda
de refrigeración.
Las tecnologías de refrigeración que se pueden acoplar a un sistema solar son las maquinas
enfriadoras térmicas, tanto las de absorción como las de adsorción, y los procesos de
desecación y enfriamiento evaporativo.
En las máquinas de absorción, contrariamente a lo que sucede con los captadores solares, el
rendimiento aumenta al incrementarse la temperatura de trabajo, necesitando temperaturas
(80-90ᵒC para las máquinas de absorción de simple efecto) que son difíciles de alcanzar
mediante captadores solares planos. Por tanto se precisa de captadores de alta eficiencia o de
tubos de vacío.
El esquema básico de una instalación solar térmica para refrigeración (Figura 23) se
compone del sistema de captación, el sistema de intercambio y acumulación, y el equipo de
refrigeración por absorción, que puede contar con un sistema complementario convencional
de apoyo, además de los elementos de control y regulación que los coordinan.
28
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
1.5.5
Uso industrial
La aplicación de la energía solar térmica de baja temperatura en procesos industriales es de
gran importancia interesante en aquellos sectores que necesitan un gran volumen de ACS.
Además de las ya referidas anteriormente como aplicaciones domésticas, las cuales podrían
implantar en cualquier industria, hay numerosas aplicaciones interesantes en las que la
industria utiliza agua caliente. Algunas de ellas son:
-
-
Lavanderías de ropa. Se precisan temperaturas entre 40-60ᵒC.
Lavado de coches. Se precisan temperaturas entorno a los 60ᵒC
Precalentamiento de salmuera, utilizada en procesos de destilación de agua.
Acuicultura. Algunas de las especies criadas en piscifactoría precisan de
temperaturas de agua entre 20-30 ᵒC.
Procesado de alimentos. Se puede emplear para elaborar conservas o cocer
alimentos. Una aplicación interesante es el calentamiento de la leche para la
elaboración de quesos y otros productos lácteos. La temperatura de cuajado está en
torno a los 35 ᵒC.
Precalentamiento del agua para procesos industriales.
El esquema básico (Figura 24) es prácticamente igual al esquema de producción de ACS,
con los sistemas de captación, intercambio y acumulación, y el equipo convencional de
apoyo, todo ello coordinado por los elementos de regulación y control.
Figura 19. Esquema básico de la instalación solar térmica para producción de ACS.
29
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 20. Esquema básico de la instalación solar térmica para climatización de
piscinas cubiertas.
Figura 21. Esquema básico de la instalación solar térmica para climatización de
piscinas descubiertas.
Figura 22. Esquema básico de la instalación solar térmica para calefacción.
30
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 23. Esquema básico de la instalación solar térmica para refrigeración.
Figura 24. Esquema básico de una instalación solar térmica para ACS industrial.
31
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
2 EL CAPTADOR SOLAR PLANO
Este es el principal capítulo del proyecto y en el cual se va a profundizar sobre el elemento
clave del mismo: El Captador Solar Plano. Por un lado se va a definir el captador solar
plano: funcionamiento, componentes, tipo, etc…, para posteriormente analizar su
comportamiento en régimen permanente. Por último se explicará el software desarrollado
para modelar el comportamiento del captador, y se simularán y analizarán algunos casos
específicos.
2.1 EL CAPTADOR SOLAR PLANO
El captador solar térmico es el componente de la instalación encargado de recibir la
radiación solar y transferirla a un fluido térmico que circula por su interior.
Dentro de los captadores solares de baja temperatura se pueden distinguir los captadores
solares planos, con o sin cubierta, y los captadores de tubos de vacío. Los primeros son los
más empleados en el ámbito doméstico en nuestro país por su relación precio-rendimiento,
mientras que los captadores de tubo de vacío son más utilizados en lugares fríos, donde la
diferencia entre la temperatura del panel y la temperatura ambiente es mayor e interesa
minimizar las pérdidas térmicas.
2.1.1
Elementos del captador solar plano
Los principales componentes del captador solar plano son los siguientes (Figura 25):
-
Cubierta.
Placa absorbedora.
Aislamiento.
Carcasa.
Cubierta
La cubierta es la encargada de retener el calor y de aislar el captador de las condiciones
ambientales exteriores. El material que conforma la cubierta ha de cumplir las siguientes
características:
32
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
-
Buena transmisión solar en la banda de radiación de onda corta, para dejar pasar
toda la radiación posible, y alta opacidad para no dejar salir la radiación de onda
larga y evitar así las pérdidas térmicas. El objetivo de estas premisas es que se
favorezca la generación del efecto invernadero.
Estabilidad en el tiempo.
Coeficiente de conductividad bajo para disminuir las pérdidas por conducción.
Baja adherencia a la suciedad, así como gran resistencia a los efectos ambientales
tales como lluvia, granizo, viento….
Se suele utilizar vidrio templado con bajo contenido en hierro por su elevada resistencia y
transmisividad. También hay materiales plásticos con coeficientes de transmisividad
similares a los del vidrio, pero presentan problemas deterioro frente a los agentes externos,
por lo que son menos utilizados.
Figura 25. Componentes del captador solar plano
Placa absorbedora
Es el elemento encargado de absorber la radiación solar para transmitirla en forma de energía
térmica al fluido que circula por su interior. En la mayoría de los captadores solares el
absorbedor es una placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los
que circula el fluido caloportador, en un recorrido más o menos sinuoso a fin de lograr la
máxima transmisión de calor entre la placa y el líquido. Por este motivo tanto la soldadura
como los materiales que forman el circuito de agua y del absorbedor, han de tener un
coeficiente de conductividad alto. Según la forma en que estén dispuestos los tubos, la placa
puede tener configuraciones distintas: en placas, en parrilla o en serpentín (Figura 26).
A la hora de evaluar una placa absorbente existen dos parámetros fundamentales que definen
la capacidad de la misma: la absortividad y la emisividad. A fin de mejorar su capacidad de
absorción de radiaciones en longitud de onda corta y disminuir la capacidad de emisión en
longitudes de onda larga, se suele someter a la lámina metálica a algún tipo de tratamiento
superficial, selectivo o no selectivo (pintura negra).
33
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 26. Configuración en placas, en parrilla y en serpentín respectivamente
Aislamiento
Para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior, se coloca material aislante en la parte
posterior y en los laterales del captador, ya que son las únicas partes opacas del captador y
por las que no es necesario que entre la radiación solar.
El material aislante ha de tener baja conductividad térmica como es lógico, y también debe
mantener inalterables sus propiedades y no degradarse con el calor. El aislamiento posterior
del captador puede llegar a alcanzar temperaturas similares a las de la placa absorbente
(cercanas a los 150ºC), por lo que debe resistir sin descomponerse ni emitir gases que
puedan ensuciar la parte interior de la cubierta del captador.
Los materiales aislantes más utilizados son las lanas minerales, tanto lana de vidrio como
lana de roca, aunque también se pueden ver en algunos captadores espumas de poliuretano o
poliestireno.
Carcasa
Es el elemento que contiene a los demás componentes que constituyen el captador. Suele ser
de aluminio anonizado, más ligero y resistente a los agentes atmosféricos, o de acero
galvánico. Normalmente incluyen un marco que le da una mayor rigidez y posibilita su
anclaje a la estructura portante para darle la inclinación y orientación necesaria al captador.
2.1.2
Principio de funcionamiento del captador solar plano
Una vez definidos todos los elementos del captador solar, podemos pasar a explicar su
funcionamiento de forma más clara y concisa. Su principio de funcionamiento se basa en el
efecto invernadero y se puede resumir de la forma siguiente:
-
-
La radiación solar incide sobre la cubierta, que como se ha expuesto anteriormente
es transparente a la radiación de longitud de onda corta, y atraviesa la superficie de
captación para incidir sobre la superficie de placa absorbente.
Entre la cubierta transparente y la superficie de absorción, existe una cámara de aire,
cuya finalidad es disminuir las perdidas por convección de la superficie absorbente.
34
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
Debido a la incidencia de la radiación solar, la superficie absorbente se calienta, y la
energía se transfiere por conducción al fluido caloportador que circula por su
interior.
Las perdidas radiantes emitidas por el absorbedor, se ven reducidas por la baja
transmisividad de las cubiertas para radiaciones de longitudes de onda larga, ya que
proceden de la radiación incidente que ha aumentado su longitud de onda tras el
choque.
Para disminuir las perdidas por conducción por la parte de atrás y por los laterales,
se coloca un aislamiento térmico.
-
-
2.1.3
Clasificación del captador solar plano
Existen muchas maneras de clasificar los captadores solares planos. Una de ellas podría ser
aplicando el siguiente criterio:
-
2.2
Según el número de cubiertas: Una o varias cubiertas, o sin cubierta.
Según el material de la cubierta: Vidrio o plástico.
Según el material de la superficie absorbente: Cobre, acero, aluminio o caucho.
Según el tipo de tratamiento de la superficial: Superficie selectiva o negra.
Según el tipo de fluido caloportador: Captadores de agua o de aire.
Según la configuración de la superficie absorbente: Placas, parrilla o serperntín.
MODELO EN RÉGIMEN PERMANENTE
2.2.1 Balance global. Ganancia del captador
Si hacemos balance de energía en el captador solar (Figura 27), la energía útil no es más que
la energía incidente sobra la placa absorbente, menos las pérdidas térmicas, tanto por
convección, por radiación, como por conducción, referidas desde la superficie absorbente
hacia una misma temperatura exterior (Tamb). Estas se expresan como el producto de un
coeficiente de pérdidas (UL) y la diferencia de temperaturas entre la temperatura media de la
placa y la temperatura ambiente:
̅̅̅
Siendo:
-
A [m2], el área del captador.
I [W/m2], la irradiancia incidente en el captador.
(ηα), el producto transmitancia-absortancia.
UL [W/m2K], el coeficiente de pérdidas del captador.
̅̅̅ [ºC], la temperatura media de la placa absorbedora.
35
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
-
Tamb [ºC], la temperatura ambiental.
Figura 27. Balance de energía en el captador.
El problema de esta ecuación es que la temperatura media de la placa es difícil de calcular,
por lo que es interesante reformular la anterior ecuación refiriéndola a la temperatura de
entrada (Tfe), que sí es conocida:
Tenemos que definir por tanto el concepto de factor de evacuación del calor del captador
solar (FR). Se define como la relación entre el calor transferido, y el que se transmitiría si la
placa se encontrara a la temperatura de entrada:
Si hacemos balance en el fluido caloportador la ecuación de la ganancia quedaría:
36
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Donde G [kg/m2s] es el caudal específico del fluido caloportador que circula por el circuito
del captador:
̇
Siendo ̇ [kg/s] el caudal del fluido caloportador.
Suponiendo conocidos los datos de caudal, área y condiciones del fluido a la entrada, para
conocer la ganancia del captador sólo nos haría falta conocer la temperatura de salida del
fluido, cuya expresión se formulará más adelante en la sección 2.2.7.
2.2.2 Rendimiento
Una vez establecido el factor de evacuación del calor, podemos definir el rendimiento del
captador como la relación entre la energía captada por la placa absorbente y la energía
incidente sobre el captador:
(
)
Figura 28. Recta de rendimiento
Al corte con el eje de ordenadas se le llama Factor Óptico o Factor de ganancias F R(ηα),
mientras que a la pendiente FRUL se le denomina Factor de Pérdidas (Figura 28).
37
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Sin embargo, aunque se llame recta de rendimiento no es una recta como tal, ya que el
coeficiente de pérdidas UL suele depender de la temperatura:
(
(
)
)
Para tener definido el rendimiento haría falta conocer el factor de evacuación FR, el producto
transmitancia-absortancia y el coeficiente de pérdidas UL, que se calcularán en los siguientes
apartados.
2.2.3 Producto transmitancia-absortancia (τα)
De toda la radiación que atraviesa el sistema de cubiertas y que llega a la placa absorbente,
una fracción es reflejada por la placa hacia el sistema de cubiertas, que a su vez es reflejada
por las cubiertas otra vez hacia la placa y así sucesivamente, por lo que tan sólo una cantidad
muy pequeña de la energía que inicialmente incide sobre la placa se devuelve al medio
exterior.
El producto transmitancia-absortancia nos proporciona la proporción de la radiación solar
que llega al captador que es absorbida por la placa absorbente. Usaremos el método de Ray
Tracing para calcularlo (Figura 29).
Figura 29. Método Ray Tracing.
La fracción de energía incidente que en principio se absorbe por la placa es ηα y la reflejada
hacia el sistema de cubiertas es (1-α)·η, donde α es la absortancia de la placa y suele ser un
38
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
dato conocido, mientras que η es la transmitancia de la cubierta y tendremos que calcularla
más adelante.
La fracción que llega a la cubierta es radiación difusa, mientras que la que llega de nuevo a
la placa después es (1-α)·η·ρd, donde ρd es la reflectancia de la cubierta para la radiación
incidente-difusa, y se puede determinar utilizando la reflexión especular para un sistema de
varias cubiertas con ángulo de incidencia de 60°:
Después de múltiples reflexiones de la radiación difusa en placa y cubiertas, la energía
finalmente absorbida por la placa es:
∑
A continuación vamos a calcular la transmitancia y la reflexión de la radiación para poder
tener definido el producto transmitancia-absortancia.
Reflexión de la radiación
Los ángulos de incidencia θ1 y θ2 se relaciones mediante la conocida Ley de Snell (Figura
30):
n1·sen θ1=n2·sen θ2
Figura 30. Ley de Snell
39
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Donde n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios, que en este caso son el aire y
el vidrio y suelen tomar valores de 1 y 1.526 respectivamente.
Mediante la Ley de Fresnel vamos a calcular la reflexión para cada componente de
polarización:
-
Perpendicular. La polarización apunta hacia afuera del plano de incidencia:
-
Paralela. La polarización sigue paralelo al plano de incidencia:
La reflexión sin polarizar sería:
Para casos de incidencia normal, los ángulos de incidencia tienen valor cero, y la expresión
de la reflexión quedaría más simplificada:
(
)
Si un medio es el aire, su índice de refracción vale 1, y la expresión quedaría aún más
simplificada:
(
)
40
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Transmitancia de la cubierta
La transmitancia de la cubierta se puede expresar como el producto de la transmitancia
debida a la reflexión y la debida a la absorción:
-
La transmitancia debida a las pérdidas por reflexión se expresa:
Donde N representa el número de cubiertas del captador.
Para casos de incidencia normal:
-
La transmitacia debida a la absorción se obtiene a partir de la Ley de Bouger:
(
)
Donde representa el espesor del vidrio, y
el coeficiente de extinción del vidrio, que
-1
toma valores comprendidos entre 4 m para vidrios tipo Walter White con bajo contenido en
Fe2O3, y 32 m-1 para vidrios pobres con alto contenido en Fe2O3.
2.2.4 Coeficiente global de pérdidas (UL)
Para simplificar los cálculos del coeficiente de pérdidas, vamos a suponer que toda la placa
se encuentra a la misma temperatura ̅̅̅, y que todas las pérdidas ocurren hacia una misma
temperatura común Tamb. Así pues, se puede descomponer en los coeficientes de pérdidas
superior (Ut), lateral (Ue), e inferior (Ub), resultando el coeficiente global de pérdidas la suma
de estos tres:
41
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Coeficiente global de pérdidas superior (Ut)
Las pérdidas principales del captador vienen por la parte frontal del captador, ya que ésta no
puede disponer de aislamiento térmico, mientras que la parte lateral y posterior sí.
Klein desarrolló una ecuación manejable tanto para cálculo el manual como computacional.
Utilizaremos su ecuación para el cálculo de Ut:
(̅̅̅
̅̅̅ *
̅̅̅
)
̅̅̅
+
Donde:
-
-
N, es el número de cubiertas.
εp y εv, representan las emitancias de la placa absorbente y del vidrio
respectivamente.
ζ, es la constante de Stefan-Boltzman y tiene un valor de 5,67·10-8 W/m2K4.
hv [W/m2K], es el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el vidrio
y el ambiente, y viene.
(
)
Siendo s la inclinación del captador. Esta expresión es válida para valores
comprendidos entre 0 y 70º. Si 70º<s<90º, calcular C con s=70º.
-
(
̅̅̅̅
)
Coeficiente global de pérdidas inferior (Ub)
El coeficiente de pérdidas inferior viene dado por la expresión:
42
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Donde kaisb y δaisb, son la conductividad térmica del aislamiento posterior [W/mK] y el
espesor del aislamiento posterior [m] respectivamente.
Se ha supuesto que la resistencia dominante es la de conducción por el aislamiento,
despreciando la resistencia por convección y radiación al ambiente.
Coeficiente global de pérdidas lateral (Ue)
De forma similar se calcula el coeficiente de pérdidas lateral, referiéndolo a la superficie
activa del captador:
Alat, representa el área lateral del captador, es decir:
Donde LEN, WEI y THI son el alto, ancho y espesor del captador.
2.2.5 Coeficientes de transferencia de calor por convección
Empezamos con la estimación del coeficiente de película exterior. Vamos a basarnos en una
expresión que relacione el coeficiente de transferencia con la velocidad del viento. Se
utilizará la ecuación desarrollada por Watmuff:
Donde v[m/s] es la velocidad del viento.
Para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección entre tubo y fluido,
habrá en primer lugar que diferenciar el régimen laminar y el turbulento. Se tendrá que
calcular el número de Reynolds para ver en qué tipo de situación se encuentra el fluido:
43
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
̇
Donde es la viscosidad del fluido [N·s/m2] y
̇
es el caudal másico que circula por
cada tubo [kg/s], que se puede calcular a partir del caudal específico y el número de tubos:
̇
La expresión del coeficiente de película es la siguiente:
Donde kf es la conductividad del fluido caloportador [W/mK], y NuD, el número de Nusselt
que se calculará de forma distinta dependiendo de si el fluido se encuentra en régimen
laminar o turbulento:
-
Para régimen laminar, se puede considerar una de las siguientes situaciones:
Flujo de calor superficial uniforme (q”s=cte) 
NuD=4,36

NuD=3,36
Temperatura superficial constante (Ts=cte)
El valor exacto del número de Nusselt estaría comprendido entre estos dos valores, ya que
realmente no hay temperatura superficial constante, ni flujo de calor constante, pero para
tener un modelo más conservador se adoptará la condición de temperatura superficial
constante.
-
Para régimen turbulento se ha escogido la correlación de Gnielinski, la cual es válida
para valores de Reynolds comprendidos entre 3000 y 5·106, y valores de Prandtl
entre 0,5 y 2000:
( )
( )
44
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Donde Pr es el número de Prandtl del fluido y f es el factor de fricción, que se puede obtener
del diagrama de Moody o de la siguiente ecuación:
2.2.6 Modelo de aleta unidimensional.
Vamos a suponer la disposición de tubos que se indica en la figura 31, con una distancia
entre cada tubo de W, el espesor de la placa δp y diámetro exterior de los tubos D. Al
introducir el sistema de tubos separados una distancia W se produce en la placa un flujo de
calor desde la mitad de esa distancia hacia cada tubo que será captado por éstos, lo que hace
que a lo largo de la placa en tramos correspondientes a dos tubos consecutivos, la
temperatura de la placa sea variable.
Figura 31. Sección de la placa absorbente.
El modelo de aleta unidimensional puede realizarse únicamente considerando las siguientes
hipótesis:
-
Régimen permanente.
Propiedades físicas constantes.
Transferencia de calor unidimensional. El gradiente de temperaturas en dirección del
flujo se puede despreciar.
Captador solar de placa y tubos de parrilla.
Temperatura uniforme en la base del tubo.
Absorción nula en la cubierta.
El flujo térmico se dirige de la placa hacia los tubos, como sucede en el estudio general de
aletas, pudiéndose hacer el siguiente balance térmico de la figura 32 en un elemento
diferencial de la aleta comprendida entre la línea central que separa los tubos y la base de
estos.
45
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 32. Balance térmico en la placa absorbente.
(
)
Donde S= I·(ηα), kp es la conductividad térmica de la placa absorbente [W/mK], y Tb es la
temperatura de la placa a la altura de la base del tubo.
Introducimos dos parámetros para cambiar la ecuación diferencial anterior:
-
Temperatura equivalente:
-
Parámetro m:
√
Quedando por tanto la ecuación de la siguiente forma:
46
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Resolviendo:
(
)
Una vez conocida la expresión del campo de temperatura, podemos expresar el flujo de calor
desde la placa absorbente a la base del tubo, teniendo en cuenta que la energía se transmite
desde los dos lados del tubo:
Siendo F el factor de eficiencia de aleta:
El factor de eficiencia disminuye al crecer el producto m(W-D)/2. Es decir, aumenta para
espesores y conductividades térmicas de la placa absorbedora mayores, y disminuye al
aumentar la distancia entre los tubos y el coeficiente de pérdidas (UL) (Figura 33).
47
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 33. Factor de eficiencia de la aleta.
Una vez expresada la energía dirigida a los tubos (qpb) se puede calcular el calor útil
transferido al fluido mediante el balance de la Figura 34.
Figura 34. Energía útil transmitida al tubo.
Por un lado se tiene la energía captada en la parte superior del tubo (qb):
(
)
La ganancia útil del fluido será por tanto la suma de la energía captada en la base del tubo,
más el flujo de calor proveniente de la placa absorbente:
48
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
La ganancia útil del fluido se puede expresar también de la forma siguiente:
Siendo CB la conductancia de la unión placa-tubo [W/mK], Tf la temperatura del fluido [K],
y hf el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el tubo y el fluido [W/mK].
Por tanto podemos expresar la temperatura la temperatura de la base del tubo de la siguiente
forma:
Eliminando la temperatura de la base del tubo en la expresión de la ganancia del fluido:
Siendo F‟ el factor de eficiencia del captador, dependiente de la disposición de los tubos en
la placa absorbedora:
-
Disposición 1 (Figura 35):
49
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 35. Disposición 1.
-
Disposición 2 (Figura 36):
Figura 36. Disposición 2.
-
Disposición 3 (Figura 37):
Figura 37. Disposición 3.
50
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Se puede definir el factor de eficiencia del captador F‟ como el cociente entre la resistencia a
la transferencia de calor entre la placa y el ambiente (1/UL), y la resistencia a la transferencia
de calor entre el fluido y el ambiente (1/U0).:
Por tanto F‟ siempre será menor de uno y se acercará a la unidad cuanto menor sea la
resistencia entre la placa y el fluido, y U0 tenga valor similar a UL.
2.2.7 Campo de temperaturas del fluido
Haciendo balance de energía en uno de los tubos (Figura 38):
̇
Para y=0 Tf=Tfe
Figura 38. Balance de energía en un tubo.
Transformamos la expresión introduciendo las temperaturas equivalentes:
̇
Para y=0 θf=θfe
Resolviendo la ecuación, obtenemos el campo de temperaturas del fluido en la dirección
axial del tubo:
51
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
(
)
̇
Para 0<y<Ltub
Por tanto a la salida del tubo (y=Ltub) el fluido tendrá una temperatura de:
*(
)
(
)+
̇
Ahora es posible calcular el Factor de evacuación del calor (FR):
(
[
(
)
(
)]
(
2.3
SOFTWARE
2.3.1
Introducción
)
)
Gran parte del tiempo y esfuerzo de este proyecto se ha dedicado a implantar las ecuaciones
del modelo en régimen permanente en una herramienta de software matemático para llevar a
cabo simulaciones que modelen el comportamiento del captador solar plano. Primero se
decidió implantar las ecuaciones en el programa EES (“Engineering Equation Solver”), ya
que es un programa muy eficaz para la resolución de sistemas de ecuaciones, y además tiene
funciones incorporadas de las propiedades físicas de diversos fluidos. El problema de este
programa es su interfaz poco accesible al usuario, ya que todos los datos de entrada hay que
introducirlos directamente en el código. Por esta razón y en busca de una interfaz más
“amigable” al usuario se decidió realizar el código en MATLAB. Tras varias modificaciones
de la interfaz, en busca de la más afable al usuario posible, se decidió decantarse por la
interfaz con pestañas, la cual será descrita en el apartado 2.3.2. Previamente se probó con
varias interfaces como una con una única ventana (Figura 39), con el inconveniente de que
esta era demasiado grande y bastante engorrosa para el usuario, u otra con varias ventanas
conectadas a través de botones (Figuras 40 y 41), resultando ésta una buena opción, pero
ligeramente más engorrosa a la hora de introducir los datos de entrada que la opción de la
interfaz con pestañas finalmente escogida.
52
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 39. Interfaz con una sola ventana.
Figura 40. Interfaz con botones. Ventanas “Inicio” y “Captador”.
53
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 41. Interfaz con botones. Ventanas “Fluido”, “Datos climatológicos” y
“Resultados”.
2.3.2
Descripción del software
La interfaz del programa creado, consta de tres pestañas: una dedicada a la entrada de datos
relativos al captador solar, otra para las condiciones operacionales, y otra para los datos de
salida (Figuras 42,43 y 44). El usuario podrá pasar de una a otra sin más que pinchar en
cada una de las pestañas, sin perder la información introducida previamente. En la pestaña
“Resultados” se ha incluido el botón “Calcular”, que deberá ser pulsado una vez hayan sido
introducidas todas las variables de entrada. Si el usuario quisiera modificar un valor de
entrada, solo tendría que cambiarlo en el GAP correspondiente y pulsar nuevamente el botón
“Calcular” para obtener las nuevas variables de salida.
Pestaña “Captador Solar”
Esta pestaña está dedicada a la introducción de los datos de entrada relativos al captador
solar. Se han clasificado en diversos grupos para facilitar la localización de los datos del
captador al usuario. En el apartado de “Dimensiones” están los datos relativos a las
dimensiones del captador: Área, alto, ancho y espesor, así como la inclinación de este. En el
apartado “Vidrio” se encuentran los datos relacionados con la cubierta: Número de cubiertas,
índice de refracción, coeficiente de extinción del vidrio, espesor y emisividad. En el apartado
“Placa absorbente” se recogen los datos relacionados con la placa absorbedora: Espesor,
emisividad, absortividad, conductividad, conducción de la unión placa-tubo, diámetro
interior de los tubos de la placa, número de tubos, longitud de los tubos y temperatura media
de la placa. En el apartado “Aislante” se recogen los espesores del aislamiento posterior y
lateral, así como la conductividad del aislante. También se ha creado la opción para marcar
el tipo de disposición de los tubos en la placa absorbente, aunque dicha disposición no
influye mucho en los resultados de la simulación
54
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Pestaña “Condiciones operacionales”
Se ha creado esta pestaña para separar los parámetros técnicos del captador de las variables
operacionales, y modificar estas más rápidamente en caso de querer hacer un análisis
paramétrico con alguna de las condiciones de operación. Aquí se recogen la irradiancia, el
ángulo de incidencia, la temperatura ambiente, la temperatura del fluido a la entrada del
captador, la velocidad del viento y el caudal específico del fluido caloportador.
Pestaña “Resultados”
Hay muchas variables de salida posibles de ser analizadas. En esta pestaña se han recogido y
agrupado de la forma más accesible las que se han considerado más importantes de ser
analizadas después de la simulación. Estas son: Calor útil, rendimiento, temperatura de
entrada, temperatura de salida, FR(ηα), FRUL, ángulo de incidencia, caudal específico, (ηα) y
UL. Nótese que algunas de estas se han introducido como datos de entrada previamente, pero
se ha considerado necesario mostrarlas en la pestaña de datos de salida por comodidad para
el usuario.
Figura 42. Pestaña “Captador Solar”.
55
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Figura 43. Pestaña “Condiciones operacionales”.
Figura 44. Pestaña “Resultados”.
56
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
2.3.3
Propiedades físicas del fluido caloportador
Por simplicidad se ha considerado que el fluido caloportador que circula por el interior del
circuito será el agua. Las propiedades del agua se encuentran tabuladas, por lo que se ha
considerado necesario buscar ecuaciones que aproximen dichas tablas. Mediante Excel se
han realizado rectas de ajuste para rangos de temperaturas entre 0ºC y 100 ºC (Figuras 45, 46
y 47).
Viscosidad (N·s/m2)
Viscosidad
0,002
y = 3E-11x4 - 8E-09x3 + 9E-07x2 - 5E-05x + 0,0018
R² = 0,9998
0,0015
0,001
0,0005
0
0
20
40
60
80
100
120
Figura 45. Viscosidad del agua
Conductividad (W/m·K)
0,69
Conductividad
0,64
y = -8E-06x2 + 0,002x + 0,5648
R² = 0,9995
0,59
0,54
0
20
40
60
80
100
120
Figura 46. Conductividad del agua.
57
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Prandtl
Prandtl
14
12
y = 3E-07x4 - 7E-05x3 + 0,0078x2 - 0,4319x + 13,033
R² = 0,9998
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Figura 47. Prandtl del agua
El calor específico lo tomaremos como una constante de valor 4180 J/kg·K, ya que su valor
no varía mucho con la temperatura.
2.3.4
Control de errores
Se han creado cuadros de error para notificar al usuario que está cometiendo algún error a la
hora de introducir algún dato en el programa. En la Figura 48 se muestra un ejemplo de un
cuadro de error creado para advertir que la absortividad de la placa está fuera del rango [01]. Todos los datos de salida serán nulos.
También se ha creado un cuadro de aviso para advertir que la temperatura introducida para el
cálculo de las propiedades físicas del agua, que será tomada como la temperatura media de la
placa, está fuera del límite previamente especificado (0ºC-100ºC) (Figura 49). El programa
muestra los datos de salida, pero se ha de avisar al usuario que los resultados tienen un
pequeño error.
2.3.5
Simulaciones y recta de rendimiento del captador
Ya se vio en el apartado 2.2.2 la forma que tenía la recta de rendimiento, así como la
definición del Factor Óptico o Factor de ganancias FR(ηα), que representa al corte con el eje
de ordenadas, y el Factor de Pérdidas FRUL, que representa la pendiente de la recta de
rendimiento. En este apartado se va a obtener la recta de rendimiento de un captador
específico tomando como variables paramétricas la irradiancia, la temperatura ambiente, y la
temperatura de entrada del fluido al captador. Se definen los datos del captador y las
58
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
condiciones de operación en la Tabla 5. En la Tabla 6 se muestran los datos de salida para
cada una de las simulaciones.
Figura 48. Cuadro de error para advertir de que un dato de entrada esta fuera de
rango.
Figura 49. Cuadro de aviso para advertir de una ligera desviación en los datos de
salida.
59
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Características del captador
Dimensiones
A
Área del captador
m2
2
LEN
Alto del captador
m
2
WEI
Ancho del captador
m
1
THI
Espesor del captador
m
0.08
s
Inclinación del captador
ᴼ
45
Vidrio
N
Número de cubiertas
-
1
n1
Índice de refracción del vidrio
-
1.526
Kext
Coeficiente de extinción del vidrio
m-1
10
δc
Espesor del vidrio
mm
3
εv
Emisividad del vidrio
-
0.88
mm
0.5
Placa absorbente
δp
Espesor
εp
Emisividad
-
0.95
α
Absortividad
-
0.9
kp
Conductividad de la placa
W/mK
300
CB
Conductividad unión tubo-placa
W/mK
40
Dint
Diámetro interior de los tubos
mm
10.22
Ntub
Número de tubos
-
10
Ltub
Longitud de los tubos
m
2
̅̅̅
Temperatura media de la placa
ᴼC
50
Aislante
δaisb
Espesor posterior
mm
50
δaise
Espesor lateral
mm
20
kais
Conductividad
W/mK
0.045
60
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Condiciones operacionales
Kg/m2s
0.015
Velocidad del viento
m/s
5
θ
Ángulo de incidencia
ᴼ
0
Tfe
Temperatura de entrada del fluido al captador
ᴼC
-
Tamb
Temperatura ambiente
ᴼC
-
I
Irrandiancia
W/m2
-
G
Caudal específico
v
Tabla 5. Datos del captador simulado.
30
30
30
40
40
40
50
50
50
30
20
10
30
20
10
30
20
10
400
700
1000
400
700
1000
400
700
1000
34,2
36,4
38,6
43,2
45,4
47,8
52,2
54,4
56,6
0,53
0,81
1,08
0,41
0,68
0,95
0,28
0,55
0,83
FRUL
(W/m2K)
6,22
6,3
6,34
6,22
6,3
6,34
0,671
6,3
6,34
FR(ηα)
0,671
0,669
0,668
0,671
0,669
0,668
0,671
0,669
0,668
η
67,1
57,9
54,1
51,5
48,9
47,8
36
39,9
41,5
Tfe
Tamb
I
Tfs (ᴼC)
Qu (kW)
Tabla 6. Resultados simulaciones.
En la Figura 50 se representa la nube de puntos con su recta de máximo ajuste, cuyos
parámetros representan el Factor de ganancias FR(ηα), y el Factor de Pérdidas FRUL. De ella
obtenemos:
FR(ηα)=0.6688
FRUL=6.2714 W/m2K
61
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
η
0,8
y = -6,2714x + 0,6688
R² = 0,9992
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
(Tfe-Tamb)/I
Figura 50.Recta de rendimiento del captador simulado.
62
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
3 ESTUDIO DE MERCADO
Para realizar el estudio de mercado se ha creado una base de datos en la que vienen
recogidos algunos de los parámetros de los captadores que se encuentran en el mercado y de
los que se ha podido obtener información, ya que algunos fabricantes no facilitan mucha
información técnica de sus modelos. La base de datos (Figura 51) consta de 192 modelos
diferentes, y también vienen recogidos los captadores de tubo de vacío, aunque se han
separado éstos de los CSP en muchos de los análisis realizados. Sólo hay registrados 20
modelos de captadores de tubos de vacío por lo que los resultados de los estudios referidos a
éstos pueden no ser concluyentes.
Todos los rangos que se han establecido en los distintos análisis se han considerado cerrados
en el extremo inferior y abiertos en el superior. Por ejemplo, en la gráfica de barras de
superficies del captador, el intervalo [2-2,2 m2) incluye los captadores de 2m2, pero no los de
2,2 m2.
Figura 51. Algunos de los captadores recogidos en la base de datos.
63
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
3.1 Superficie del captador.
En primer lugar se ha elaborado una distribución porcentual de la superficie total del
captador, para ver los rangos más típicos que hay en el mercado. Se han analizado por
separado los CSP (Figuras 52 y 53) y los captadores de tubos de vacío (Figura 54 y 55).
60
50
40
30
20
10
0
<2 m2
2-2,2 m2 2,2-2,4 m2 2,4-2,6 m2 2,6-2,8m2
2,8-3 m2
> 3 m2
Figura 52. Gráfico de barras de superficies de CSP.
1%
6%
4% 7%
<2 m2
2-2,19 m2
26%
2,2-2,39 m2
2,4-2,59 m2
33%
2,6-2,79 m2
2,8-2 m2
23%
> 3 m2
Figura 53. Gráfica porcentual de superficies del CSP.
64
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
6
5
4
3
2
1
0
<2
2-2,5 m2 2,5-3 m2 3-3,5 m2 3,5-4 m2 4-4,5 m2 4,5-5 m2 >5 m2
Figura 54. Gráfico de barras de superficies de captadores de tubo de vacío.
10%
9%
<2
2-2,5 m2
10%
14%
2,5-3 m2
3-3,5 m2
14%
3,5-4 m2
4-4,5 m2
24%
10%
4,5-5 m2
>5 m2
9%
Figura 55. Gráfica porcentual de superficies de captadores de tubos de vacío.
Más del 80% de los CSP tienen un área comprendida entre 2 y 2,6 m, mientras que en
captadores de tubo de vacío no hay un rango de valores típicos, habiendo mucha diversidad
de tamaño.
Comparando el área bruta del captador con el área de apertura, se observa que ésta suele
situarse entre el 85-95 % de la superficie total. En los captadores de tubos de vacío el área
de apertura suele ser bastante menor, llegando a veces a ser inferior al 60% de la superficie
bruta.
65
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
3.2 Material y tratamiento de la placa absorbente.
Se ha realizado un estudio porcentual del material y tratamiento de la placa absorbente,
cuyos resultados pueden verse en las Figuras 56 y 57.
Aluminio
Cobre
21%
79%
Figura 56. Material de la placa
Selectivo
Pintura negra
14%
86%
Figura 57. Tratamiento de la placa
La mayoría de placas absorbente están fabricadas de Aluminio (79%) frente a una minoría de
cobre (21%). En cuanto al tratamiento superficial, el más común es el tratamiento selectivo
(86%) frente a la pintura negra (14%).
No se ha observado ninguna relación entre el material de la placa y el tratamiento recibido,
por lo que no se pueden sacar conclusiones acerca de que tratamiento es más frecuente para
cada material.
3.3 Configuración y tipología del captador
También se ha realizado el correspondiente estudio porcentual de la configuración de la
placa absorbente (Figura 58) para los captadores solares planos, y el referente a la tipología
del captador (Figura 59).
Se puede observar como la mayoría de captadores que se fabrican en España son captadores
solares planos. Como ya se indicó previamente los captadores de tubo de vacío son más
apropiados para zonas de baja radiación solar. Dentro de los CSP la configuración más
habitual es en parrilla (60%) frente a la configuración en serpentín (40%).
66
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
11%
40%
Tubos de
vacio
Parrilla
60%
Serpentin
Captador
Solar Plano
89%
Figura 58. Configuración CSP
Figura 59. Tipología captadores
3.4 Recta de rendimiento
En la Figura 60 se puede ver simultáneamente la recta de rendimiento referente al captador
solar plano, con superficie selectiva y con superficie negra, y al captador de tubo de vacío,
tomando como parámetros de la recta de rendimiento la media de todos los captadores
existentes en nuestra base de datos.
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
(Tfe-Tamb)/I
Tubos de vacío
CSP Superficie selectiva
CSP Superficie negra
Figura 60. Recta de rendimiento del CSP y del captador de tubo de vacío.
Se puede observar que el rendimiento en los captadores de tubo de vacío no sufre grandes
variaciones para distintas condiciones de operación y permanece ligeramente constante.
También se ha realizado la correspondiente distribución porcentual de los parámetros de la
recta de rendimiento, es decir del Factor óptico, FR(ηα), y del Factor de pérdidas,
FRUL(Figuras 61, 62 y 63).
67
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
FR(τα)
3% 4%
FRUL
4%
2%
<0,7
1%
0,72-0,74
23%
21%
3,4-3,8 W/m2K
0,74-0-76
0,76-0,78
3,8-4,2 W/m2K
35%
0,78-0,8
25%
24%
3-3,4 W/m2K
6%
52%
>0,8
4,2-4,6 W/m2K
4,6-5 W/m2K
>5 W/m2K
Figura 61. Distribución porcentual del Factor Óptico y del Factor de Pérdidas para
CSP con superficie selectiva.
FR(τα)
FRUL
0% 4%
17%
12%
3-3,4 W/m2K
0%
<0,7
3,4-3,8 W/m2K
0,72-0,74
21%
3,8-4,2 W/m2K
0,74-0-76
17%
0,76-0,78
50%
0,78-0,8
>0,8
0%
0%
8%
17%
54%
4,2-4,6 W/m2K
4,6-5 W/m2K
5-6 W/m2K
6-7 W/m2K
Figura 62. Distribución porcentual del Factor Óptico y del Factor de Pérdidas para
CSP con superficie negra.
68
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
FR(τα)
FRUL
0,6-0,8
W/m2K
0,6-0,65
19%
0,8-1 W/m2K
0,65-0,7
43%
10%
29%
38%
0,7-0,75
1-1,2 W/m2K
0,75-0,8
19%
9%
>0,8
5%
14%
14%
1,2-1,4
W/m2K
>1,4 W/m2K
Figura 63. Distribución porcentual del Factor Óptico y del Factor de Pérdidas para
captadores de tubos de vacío.
Para los CSP con tratamiento superficial selectivo se observa que casi la mitad tiene un
Factor óptico superior a 0,78 y más del 90% de los captadores lo tienen superior a 0,74. En
cuanto al FRUL, aproximadamente para la mitad de los CSP de superficie selectiva éste toma
un valor comprendido entre 3,4 y 3,8 W/m2K.
Para los CSP con tratamiento superficial negro, el Factor Óptico toma un valor comprendido
entre 0,76 y 0,78 en el 50% de los modelos, mientras que el Factor de Pérdidas toma un
valor de comprendido entre 3,4 y 4,2 W/m2K en el 71% de los modelos.
Hablando de los captadores de tubo de vacío se puede ver que la mitad tienen un Factor
óptico comprendido entre 0,6 y 0,7 y la otra mitad entre 0,7 y 0,8, por lo que no se puede
sacar mucho en claro. El Factor de pérdidas como se vio en la Figura # es muy inferior al de
los CSP. Tan solo un 28% de los captadores sobrepasan los 1,4 W/m2K y sólo uno de los
modelos llega a los 2 W/m2K.
3.5 Aislamiento térmico
Una parte fundamental del captador es el aislamiento térmico, por lo que es bastante
interesante analizarlo. El material más utilizado es la lana mineral, tanto de roca como de
vidrio. No todos los fabricantes especifican que tipo de lana utilizan como aislante, por lo
que no se ha considerado conveniente realizar un estudio tan poco fiable. También se han
observado casos aislados de captadores que utilizan poliuretano como material aislante.
Datos de conductividad térmica tampoco se han encontrado con facilidad, pero la mayoría se
encontraban en torno a 0,035 W/mK.
Sí ha resultado conveniente realizar un estudio del espesor del aislamiento posterior (Figura
64).
69
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
60
50
11%
40
30
11%
20-30 (mm)
30-40 (mm)
17%
21%
20
10
40-50 (mm)
50-60 (mm)
0
20-30 30-40 40-50 50-60
(mm) (mm) (mm) (mm)
60
(mm)
60 (mm)
40%
Figura 64. Espesor del aislamiento posterior
Se puede observar que el rango de valores más común se centra en torno a los 40-50 mm.
También parece interesante ver qué porcentaje del fondo del captador corresponde a
aislamiento térmico (Figura 65).
60
50
15%
6%
20-30 %
40
22%
30
30-40 %
40-50 %
21%
20
50-60%
10
36%
>60 %
0
20-30 % 30-40 % 40-50 % 50-60% >60 %
Figura 65. Espesor aislamiento frente al fondo del captador.
Se puede ver que el porcentaje de aislamiento se centra en torno a la mitad del fondo del
captador (40-50 %).
En cuanto al espesor del aislamiento lateral, los fabricantes no suelen facilitarlo, por lo que
tampoco se ha podido analizar detalladamente.
70
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
3.6 Caudal específico recomendado
Para el caudal específico recomendado no se han conseguido encontrar muchos datos y todos
ellos estaban referidos a los captadores solares planos, pero aun así se ha querido representar
la distribución porcentual de éste (Figura 66):
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,004-0,005
kg/m2s
21%
28%
0,006-0,007
kg/m2s
25%
6%
14%
0,005-0,006
kg/m2s
6%
0,011-0,015
kg/m2s
0,015-0,02
kg/m2s
0,02 kg/m2s
Figura 66. Distribución porcentual del caudal específico.
Casi la mitad de los captadores recomiendan un caudal específico no mayor de los 0,006
kg/m2s, pero también hay que destacar un alto porcentaje (28%) con un alto caudal de 0,02
kg/m2s.
No se ha encontrado ninguna relación entre el caudal específico y el área y la configuración
del panel.
3.7 Peso, capacidad y presión máxima admisible
A continuación se han querido analizar dos parámetros importantes como son el peso y la
capacidad del captador. Se ha realizado por separado el análisis del CSP y del captador solar
de tubos de vacío.
Se ha intentado buscar una relación entre el peso del captador y la superficie del mismo.
También parecía interesante comparar el peso por metro cuadrado frente a la superficie del
captador.
En las figuras 67 y 68 y se puede ver la distribución del peso de los CSP y de los captadores
de tubos de vacío respectivamente.
71
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
90
y = 15,879x + 2,4164
R² = 0,7219
80
70
Peso (kg)
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
Área
4
5
6
(m2)
25
Peso (kg/m2)
20
15
y = -0,2815x + 17,588
R² = 0,0053
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
Área (m2)
Figura 67. Peso del CSP frente a superficie.
Se ha realizado sobre la misma nube de puntos experimentales una recta de máximo ajuste
polinómica de primer grado. El coeficiente de correlación (R), determina la calidad del
ajuste. Si R es cercano a 1 el ajuste es bueno, mientras que si se acerca a 0 es malo y poco
fiable.
Se puede ver que para el peso la recta se ajusta medianamente bien, y se puede aproximar
por la ecuación que viene adjunta en la gráfica. Para el peso específico, el R es bastante
pequeño por lo que el ajuste no es para nada concluyente y no se puede sacar mucho en
claro. No obstante hay que decir que siempre se encuentra entre los 10 y 22 kg/m2.
72
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
120
y = 22,618x - 12,009
R² = 0,9009
100
Peso (kg)
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
Área (m2)
25
y = 0,9335x + 15,265
R² = 0,0932
Peso (kg/m2)
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
Área (m2)
Figura 68. Peso del captador solar de tubos de vacío frente a superficie.
Para captadores de tubos de vacío, el peso se ajusta mejor que en el caso de los CSP, aunque
la distribución del peso específico sigue sin estar bien ajustada.
Se ha procedido de manera análoga a estudiar la relación entre la capacidad del captador y el
área de éste en las figuras y, para CSP y captadores de tubos de vacío respectivamente
(Figuras 69 y 70).
73
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
6
5
y = 0,8712x - 0,3403
R² = 0,4504
Capacidad (l)
4
3
2
1
0
0
1
2
3
Área
4
5
6
(m2)
1,6
Capacidad (l/m2)
1,4
1,2
y = 0,028x + 0,6606
R² = 0,0065
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1
2
3
Área
4
5
6
(m2)
Figura 69. Capacidad del CSP frente a la Superficie.
3
Capacidad (l)
2,5
y = -0,1282x + 1,8664
R² = 0,0382
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
Área
4
5
6
(m2)
74
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
1,4
Capacidad (l/m2)
1,2
1
0,8
0,6
0,4
y = -0,1727x + 1,0938
R² = 0,2604
0,2
0
0
1
2
3
4
5
6
Área (m2)
Figura 70. Capacidad del captador solar de tubos de vacío frente a la Superficie.
La capacidad en litros del captador está ajustada por la ecuación que viene adjunta en la
gráfica obtenida. En este caso el coeficiente de correlación es inferior que en el caso del peso
y la nube de puntos parece más dispersa, por lo que la ecuación que relaciona la capacidad
del CSP y el área no es del todo fiable. En el caso del peso específico, la recta de máximo
ajuste vuelve a estar muy mal ajustada.
Para tubos de vacío no se han encontrado relaciones concluyentes entre la capacidad del
captador y su superficie.
También se ha analizado la presión máxima admisible de los captadores. Ésta oscila entre los
valores de 6, 8 y 10 bares, siendo este último valor el más común en la mayoría de los
captadores (Figura 71). No se han encontrado relaciones destacables entre la presión máxima
y la tipología y configuración del captador. Esta distribución se ha hecho conjunta para
ambas tipologías.
Presión máxima admisible
16%
6%
6 bar
8 bar
10 bar
78%
Figura 71. Distribución porcentual de la presión máxima admisible.
75
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
3.8 Localización de los fabricantes
Por último se ha elaborado un mapa donde se puede ver el emplazamiento de cada uno de los
fabricantes de nuestra base de datos (Figura 72).
Se observa que la mayoría de empresas se concentran en Andalucía, sobre todo en Sevilla y
Málaga, en Cataluña, principalmente en la provincia de Barcelona, y cómo no, en la capital
española, Madrid.
Figura 72. Localización nacional de los fabricantes
76
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
4 RESUMEN Y CONCLUSIONES
4.1 Resumen
Como se anticipó al principio del proyecto, el protagonista principal ha sido el captador solar
plano. En el primer capítulo se ha comenzado haciendo una breve introducción de la
radiación solar, recalcando el posible aprovechamiento de esta en nuestra región, así como
de la energía solar térmica, valorando el panorama de la energía térmica mundial, europea y
nacional. La potencia instalada mundial para finales del 2012 fue de 269,3 GW,
pertenecientes a un total de 384,7 millones de metros cuadrados. La potencia instalada
europea fue de 42,8 GW de los cuales 2,07 GW (2,9 millones de metros cuadrados)
pertenecen a la potencia instalada en España, siendo este uno de los países con mayor
potencia térmica instalada dentro de europa. Posteriormente se han detallado los elementos
principales de una instalación solar térmica y las posibles aplicaciones a las que pueden ser
destinadas dichas instalaciones, siendo la producción de ACS la más habitual actualmente.
En el segundo capítulo se ha analizado en profundidad el captador solar plano. Se ha
explicado su principio de funcionamiento, detallando los elementos que lo integran y
clasificándolo según determinados criterios. Posteriormente se profundizó en el estudio en
régimen permanente del captador solar plano, estudiando las ecuaciones que modelan su
funcionamiento. En el último apartado del capítulo segundo, se ha descrito el software
empleado para simular el comportamiento del captador solar en régimen permanente. Se han
analizado todas las alternativas que se plantearon y se ha descrito la interfaz finalmente
escogida. También se hizo hincapié en los posibles errores que podía tener el usuario a la
hora de la introducción de los datos de entrada, creando mensajes de error y aviso en caso de
que alguna variable estuviera fuera de rango.
En el tercer capítulo viene recogido el estudio de mercado realizado a través de todos los
captadores que hay en el mercado nacional, de los que se pudo recoger información
suficiente para estudiar sus parámetros técnicos. Se analizaron tanto captadores solares
planos como de tubos de vacío, aunque de estos últimos no se pudo recopilar suficiente
información como para sacar algún resultado fiable. Se ha conseguido construir una base de
datos con los parámetros de 192 modelos de captadores distintos. En el apartado 4.2 se
entrará en detalle de los resultados obtenidos.
4.2 Conclusiones
En este apartado se expondrán las conclusiones sacadas del proyecto. Se hará hincapié en el
Estudio de mercado, analizando brevemente los parámetros en los que se hayan encontrado
resultados interesantes de ser estudiados.
77
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Tras analizar el Mapa Europeo de Radiación Solar, se observa lo que es evidente para todo el
mundo: el potencial de aprovechamiento de esta fuente de energía en nuestra región es más
que considerable. Habría que pararse a pensar detenidamente si España, aun siendo uno de
los países europeos con mayor potencia térmica instalada, no podría aumentar el número de
metros cuadrados instalados.
Entrando ya de lleno en el Estudio de mercado, se expondrán a continuación las
conclusiones más considerables que se han podido extraer de los captadores solares planos,
ya que de los tubos de vacío no se recogió suficiente información y las conclusiones no
serían concluyentes nunca mejor dicho.
-
-
-
-
-
En cuanto a la superficie del captador solar plano, se observa que la superficie de los
captadores se centra en torno a los 2-2,5 m2. Este rango de superficies parece ser
óptimo en relación a potencia generada y el espacio disponible donde se quiera
instalar el captador.
Analizando ahora el material y tratamiento de la placa, se observa que la gran
mayoría de las placas son de aluminio y tienen un tratamiento superficial selectivo.
El cobre (372,1-385,2 W/mK) tiene una conductividad térmica mayor que el
aluminio (209,3 W/mK). El motivo podría ser económico, ya que el precio por
tonelada de aluminio es bastante menor que el del cobre. El tratamiento selectivo
parece el más idóneo, ya que proporciona a la superficie una mayor absortividad y
menor emisividad.
En la recta de rendimiento, que se ha construido tomando como valores de los
parámetros de rendimiento la media de todos los captadores pertenecientes a nuestra
base de datos, se observa que el Factor de pérdidas FRUL para los captadores solares
planos es mucho mayor que para los tubos de vacío. Los captadores con placa
absorbente con tratamiento superficial selectivo tienen un Factor de pérdidas menor
que los captadores con superficie negra.
En cuanto al aislamiento, el material aislante más utilizado debido a su relación
conductividad térmica-precio es la lana mineral. El espesor del aislamiento posterior
suele situarse en torno al 50% del espesor del captador (40-50 mm). Este valor
parece ser el óptimo, ya que un aumento del espesor, aunque disminuiría las
pérdidas del captador, podría encarecer el captador y aumentar considerablemente su
tamaño.
En el mapa de localización de los fabricantes de captadores solares se observa que la
mayoría se concentran en zonas industriales como Cataluña y Madrid, y también por
la zona sur, sobre todo en Sevilla y Málaga, ciudades también industriales dentro de
la región donde mayor demanda de captadores hay, Andalucía.
78
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
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Referencias bibliográficas
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Versión 3.5. Septiembre, 2014
79
Caracterización de captadores solares planos: Implementación de un
modelo analítico y evaluación de parámetros representativos
Normativa de aplicación
-
CTE (Código técnico en la edificación), Documento Básico Ahorro de Energía,
Sección HE 4.
RITE (Reglamento de la Edificaciones Técnicas en Edificios). 2013.
80