ETAPAS_DISEÑO_SISTEMAS_TERMICOS

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ETAPAS EN EL DISEÑO DE SISTEMAS

DE APROVECHAMIENTO TÉRMICO DE LA ENERGÍA SOLAR

1. Estimación de requerimientos energéticos

El diseño de cualquier sistema de aprovechamiento térmico de

la energía solar empieza con la estimación de los requerimientos energéticos

del proceso de interés, el cual puede ser calentamiento de cierta cantidad de

agua, secado de cierta cantidad de producto, potabilización de agua de mar

(destilación solar), calefacción de edificios, etc.

Suponga que desea calentar 200 litros de agua desde una

temperatura de 15 hasta una temperatura de 50. ¿Qué cantidad de energía (Q )se

requiere para este proceso?

Q = 29,302 kJ ó bien Q = 29.3 MJ, o lo que es los mismo Q = 8.14

kWh

Es decir, esta es la energía total que el captador debe

transferir al agua para calentarla desde 15 oC hasta 50 oC.

= CALOR ÚTIL TOTAL =

2. Dimensionamiento

del equipo

Para dimensionar el equipo que va a satisfacer esta demanda

energética; es decir, para estimar el área

efectiva de captación (Ac)

del colector solar es necesario conocer la eficiencia

de conversión (h ), la irradiancia total que en promedio llega al plano del captador ( [=] J/m2)(depende

de la ubicación geográfica) y el tiempo de proceso.

La eficiencia promedio de un captador () se define como la razón del calor útil total () a la energía radiante total que incide sobre el captador () en un periodo de tiempo determinado:

La eficiencia típica de

colectores solares para calentamiento de agua oscila entre 30 % y 60% dependiendo de la

calidad de los materiales de construcción. La Irradiancia total incidente () sobre el captador depende de la época del año y de la

ubicación geográfica, pero podemos calcularla con los Scripts que desarrollamos

en Matlab, ¿Cómo?

2.1.Cálculo de la irradiancia total () incidente sobre el captador

Consideremos

un día típico de diciembre (14 dic, n=344) en La Paz, B.C.S (f=24.13º) y calculemos la radiación

total incidente (IT) sobre el plano de un captador cuya

inclinación es de b= 35o ,

orientado en la dirección N-S.

Para el mes

de diciembre tenemos:

Radiación

promedio máxima directa, gbm = 550 W/m2 sobre el plano horizontal

Radiación

promedio máxima Global, gb = 680 W/m2 sobre el plano horizontal

En la

Ventana de comandos de Matlab calculemos la radiación instantánea incidente

(Gpi) sobre el plano del captador, cada 5/60 hrs:

>>

Gpi=gpi(344,24.13,35,550,680);

Esto genera

un vector con 277 datos de radiación instantánea, donde el primer dato es NaN

(Not a Number). Como Simulink no admite este tipo de datos, debemos asignar un

0 a esta entrada:

>>

Gpi(1)=0;

Calculemos

ahora un vector “tiempo” para la simulación con Simulink:

>>t=0:5/60:23;

Para usar el

bloque “From WorkSpace”, debemos generar la siguiente matriz:

>>Gpi=[t’ Gpi’];

Construya el

siguiente Modelo Simulink:

Corra su

modelo simulink para un tiempo de simulación de 23 horas, con un Max Step Size

de 5/60 de hora. El resultado nos indica que la energía radiante total que

llega al plano del captador durante todo el día es de = 6.125 kWh / m2

2.2.Cálculo del Área

Efectiva de Captación

Debido a las

pérdidas térmicas del colector, no toda la energía radiante (IT) que llega al plano del

captador es transferida al agua circulante. Supongamos que solo se aprovecha el

45% de esta energía; es decir, h = 0.45. Entonces, podemos usar la ecuación de

Eficiencia Térmica para despejar Ac, y así calcular el Área Efectiva de

captación:

, por lo tanto: = 2.95 m2 » 3 m2

3.

Modelado del comportamiento dinámico

del sistema de calentamiento

Con las estimaciones previas y con otros datos de diseño

como: propiedades ópticas de la cubierta semitransparente, propiedades ópticas de

la superficie absorbedora, Flujos

másicos, propiedades termofísicas del agua y de los materiales del

colector, etc se procede a simular el comportamiento térmico del sistema

Colector-Termotanque, a fin de verificar que se alcancen las temperaturas de diseño

y determinar el tiempo en que se alcanzan las temperaturas máximas del agua en

el termotanque. Este modelo permitirá afinar

(precisar) las características de diseño

del sistema.