Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado.

Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Autor: Juan Manuel Méndez Cote Tutor: José Julio Guerra Macho Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 2 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 3 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Autor: Juan Manuel Méndez Cote Tutor: José Julio Guerra Macho Catedrático de Universidad Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 4 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 5 Trabajo Fin de Grado: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Autor: Juan Manuel Méndez Cote Tutor: José Julio Guerra Macho El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 6 RESUMEN En este texto, en primer lugar, se muestra una breve introducción sobre 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 europea y nacional. Después se hace un pequeño estudio de la situación mercado español actual, y una breve explicación de las aplicaciones que tiene esta tecnología. 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 va a analizar 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 profundizará en el estudio en régimen permanente del captador solar plano, estudiando las ecuaciones que modelan su funcionamiento. También se hará un análisis de mercado de dichos captadores. Mediante relaciones estadísticas, podemos relacionar modelos entre sí, para poder ver cuáles se ajustan más a las necesidades de diferentes situaciones a la hora de decidir utilizar este tipo de energía, o para comprobar que tipología de captador es la más utilizada hoy día y por qué. Para este estudio se han analizado 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 332 modelos de captadores solares planos distintos y 52 modelos de captadores de tubos de vacío. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 7 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 8 ÍNDICE RESUMEN .................................................................................................................................................. 6 ÍNDICE ....................................................................................................................................................... 8 ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................................. 10 ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ 11 GLOSARIO .............................................................................................................................................. 13 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 17 OBJETIVO ............................................................................................................................... 17 RADIACION SOLAR .............................................................................................................. 17 1.2.1. RADIACIÓN SOLAR EN ANDALUCIA, ESPAÑA Y EUROPA ....................................... 18 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. SITUACIÓN DEL MERCADO ESPAÑOL ......................... 19 INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA. ELEMENTOS PRINCIPALES .................................... 22 APLICACIONES ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ................................................................... 25 1.5.1. PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) ............................................ 25 1.5.2. CLIMATIZACIÓN DE PISCINAS .................................................................................... 26 1.5.3. CALEFACCIÓN ............................................................................................................... 26 1.5.4. REFRIGERACIÓN ........................................................................................................... 27 1.5.5. USO INDUSTRIAL ........................................................................................................... 28 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL CAPTADOR SOLAR PLANO ......................... 30 2.1. EL CAPTADOR SOLAR PLANO ........................................................................................... 30 2.1.1. ELEMENTOS DEL CAPTADOR SOLAR PLANO ........................................................... 30 2.1.1.1. CUBIERTA ................................................................................................................................ 31 2.1.1.2. PLACA ABSORBEDORA ........................................................................................................ 31 2.1.1.3. AISLAMIENTO ........................................................................................................................ 33 2.1.1.4. CARCASA ................................................................................................................................. 34 2.1.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL CAPTADOR SOLAR PLANO .................... 34 2.1.3. CLASIFICACIÓN DEL CAPTADOR SOLAR PLANO .................................................... 34 2.2. MODELO EN RÉGIMEN PERMANENTE ............................................................................. 35 2.2.1. BALANCE GLOBAL ........................................................................................................ 35 2.2.2. RENDIMIENTO ............................................................................................................... 37 2.2.3. PRODUCTO TRANSMITANCIA-ABSORTANCIA (𝜏𝛼) .................................................. 38 2.2.3.1. REFLEXIÓN DE LA RADIACIÓN .......................................................................................... 39 2.2.3.2. TRANSMITANCIA DE LA CUBIERTA.................................................................................. 40 2.2.4. COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS (𝑈𝐿) .............................................................. 41 2.2.4.1. COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS SUPERIOR (𝑈𝑡) ................................................... 41 2.2.4.2. COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS INFERIOR (𝑈𝑏) ................................................... 43 2.2.4.3. COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS LATERAL (𝑈𝑒) .................................................... 44 2.2.5. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR ..................................................... 44 2.2.5.1. CONVECCIÓN ENTRE LA CUBIERTA Y EL AMBIENTE .................................................. 44 2.2.5.2. CONVECCIÓN ENTRE TUBO Y FLUIDO ............................................................................. 46 2.2.5.3. CONVECCIÓN ENTRE PLACA ABSORBENTE Y CUBIERTA DE VIDRIO ..................... 48 2.2.5.4. RADIACIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBENTE Y LA CUBIERTA DE VIDRIO ............. 49 2.2.5.5. RADIACIÓN ENTRE LA CUBIERTA DE VIDRIO Y EL AMBIENTE ................................ 49 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 9 2.2.6. IRRADIANCIA SOLAR GLOBAL (𝐼) ............................................................................... 49 2.2.7. MODELO DE ALETA UNIDIMENSIONAL .................................................................... 52 2.2.8. CAMPO DE TEMPERATURAS DEL FLUIDO ............................................................... 58 ESTUDIO DE MERCADO ............................................................................................................. 60 3.1. SUPERFICIE DEL CAPTADOR ............................................................................................. 61 3.2. CONFIGURACIÓN DE CAPTADORES SOLARES PLANOS .............................................. 63 3.3. PRESIÓN MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO ..................................................................... 63 3.4. TEMPERATURA MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO ........................................................ 64 3.5. MATERIAL DE LA PLACA ABSORBENTE ......................................................................... 67 3.6. TRATAMIENTO DE LA PLACA ABSORBENTE ................................................................. 68 3.7. MATERIAL DE LOS TUBOS .................................................................................................. 70 3.8. ESPESOR DE VIDRIO............................................................................................................. 71 3.9. TIPO DE AISLAMIENTO ....................................................................................................... 72 3.10. ESPESOR DE AISLAMIENTO ............................................................................................... 74 3.11. PESO EN VACÍO ..................................................................................................................... 75 3.12. CAPACIDAD ........................................................................................................................... 76 3.13. PESO VS. ÁREA ...................................................................................................................... 79 3.14. CAPACIDAD VS. ÁREA ......................................................................................................... 82 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 86 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................... 89 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 16 ∅ Latitud [º] 𝜔 Ángulo horario [º] Subíndices 𝑎 Ambiente 𝑎𝑖𝑠 Aislamiento 𝑓 Fluido 𝑓𝑒 Fluido a la entrada 𝑓𝑠 Fluido a la salida 𝑔 Cubierta de vidrio 𝑚𝑙 Marco lateral 𝑝 Placa absorbente 𝑝𝑚 Placa metálica trasera 𝑡𝑢𝑏 Tubos Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 17 INTRODUCCIÓN En el primer capítulo de este proyecto se ha querido fijar los objetivos del mismo, con el fin de ver la necesidad e importancia que hay en nuestra región de aprovechar la energía solar, puesto que es la mayor fuente de energía renovable que tenemos. OBJETIVO Hoy en día, debido a los problemas ambientales y los recursos limitados de combustibles fósiles, se está prestando cada vez más atención a las fuentes de energía renovables. Los sistemas térmicos solares son una forma de dicha fuente y han alcanzado en los últimos años una gran difusión como aparatos domésticos y comerciales. Un captador solar térmico estándar se puede utilizar para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) así como un apoyo a las fuentes de energía para instalaciones de calefacción central. Varias configuraciones de sistemas se han desarrollado en los últimos años para reducir el consumo de energía de los sistemas de calefacción y sus costos de operación. Actualmente los captadores solares utilizados con más frecuencia son los captadores solares planos y los captadores de tubos de vacío. Sin embargo, los captadores de tubos de vacío, a pesar de su mayor rendimiento, son raramente utilizados por los usuarios individuales debido al alto coste de la inversión. El objetivo de este proyecto es ofrecer un análisis del mercado actual de captadores solares en España, elemento fundamental en las instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura. Para ello se ha realizado una base de datos técnicos de los distintos fabricantes con los distintos modelos de captadores que existen en la actualidad, en la que hemos tenido en cuenta las diferentes características de cada uno de ellos, para posteriormente analizarlas y encontrar todas las relaciones posibles entre ellas. También se va a explicar en qué consiste un captador solar y cómo se comporta, su tipología, que componentes lo forman, y como se diseñan. RADIACION SOLAR La radiación solar se define como la energía procedente del Sol en forma de ondas electromagnéticas. El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de 6000 K (5727 °C) en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones de fisión nuclear que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar. El Sol se comporta prácticamente como Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 18 un cuerpo negro, el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a la temperatura ya citada. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases de la atmósfera. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la potencia que por unidad de superficie alcanza a la Tierra. Esta magnitud posee un valor medio de 1.367 W/m2 y se denomina constante solar, y equivaldría a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo (petróleo, carbón...). Este valor difiere del registrado en la corteza terrestre ya que no toda la radiación que llega hasta la Tierra sobrepasa las capas altas de la atmósfera. Debido a los procesos que sufren los rayos solares cuando entran en contacto con los diferentes gases que componen la atmósfera, una tercera parte de la energía solar interceptada por la Tierra vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantes penetran hasta la superficie terrestre. Este hecho se debe a que las proporciones de vapor de agua, metano, ozono y dióxido de carbono actúan como una barrera protectora. La radiación solar que llega a la superficie terrestre está formada principalmente por dos componentes: radiación directa y radiación difusa (Figura 1). La radiación directa es aquella que alcanza la superficie directamente desde el Sol sin experimentar cambios, mientras que la radiación difusa se considera como aquella que procede de toda la bóveda y que ha sufrido cambios debido a su interacción principalmente con los componentes atmosféricos. En un día claro, la mayor parte de la radiación que se recibe será directa, mientras que en un día con nubes la principal componente de la radiación que se recibe es la difusa. Figura 1. Componentes de la Radiación 1.2.1. RADIACIÓN SOLAR EN ANDALUCIA, ESPAÑA Y EUROPA La energía solar en España es una fuente de energía renovable que se encuentra en una fase avanzada de desarrollo, instalación y aprovechamiento. Se puede subdividir en dos tipos, principalmente: energía solar fotovoltaica y energía solar térmica. Estudiaremos sólo ésta última. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 19 España es uno de los países de Europa con mayor cantidad de horas de sol, a lo que unido a los compromisos europeos en instalación de energías renovables así como la conveniencia estratégica de disminuir la gran dependencia energética exterior y aumentar la autonomía energética, contribuyó a que España fuera inicialmente uno de los primeros países a nivel mundial en investigación, desarrollo y aprovechamiento de la energía solar. 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 el mapa de Irradiancia Global de España cabe destacar (Figura 3): - 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. Figura 2. Mapa de Irradiación Global en Europa ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. SITUACIÓN DEL MERCADO ESPAÑOL Ahora vamos a comentar en qué situación se encuentra el mercado español de energía solar térmica. Lo haremos con datos de los años 2015 y 2016, que son, hoy en día, los últimos datos que se disponen. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 20 Figura 3. Mapa de Irradiación Global en España La superficie de implantación del parque solar español hasta 2016 inclusive es de 3.905.445 m2 instalados y en operación, lo que es igual a 2.74 GWth. Dentro del año 2016 se implantaron 212.190 m2 lo que generó 149 MWth. La facturación del sector fue de 170 millones de € y se dieron unos 4250 empleos directos. Aunque a pesar de ello, supuso una disminución del 12% con respecto al año anterior, 2015, en el que se obtuvieron 165 MWth un total de 241.165 m2. La facturación del sector ese año fue de 193 millones de € y se dieron unos 4800 empleos directos. A su vez esto supuso también una disminución del 5.5% con respecto al año anterior, 2014. Para observar esta tendencia decreciente con más claridad, a continuación, se muestra una gráfica del desarrollo del mercado entre 2006 y 2016 (Figura 4). Como se puede observar, es un mercado al alza en la última década, aunque en los últimos años se aprecia una leve bajada de los metros cuadrados instalados al año. Esto fue debido a regulaciones legislativas que frenaron la implantación de esta tecnología, concretamente, el propio descenso de actividad registrada en los dos principales segmentos de nuestro mercado, como son el de la nueva vivienda construida y regulada a través del Código Técnico de la Edificación y el de los Programas de Apoyo de las Comunidades Autónomas. Por otro lado, se prevé un aumento del mercado para 2017, un cambio en la tendencia de viviendas finalizadas, y consecuentemente, de la potencia solar instalada. Junto con el incremento registrado en la actividad exportadora de las empresas fabricantes ubicadas en el estado español respecto del año anterior (+6%), hacen ver que el sector es importante, y tiene futuro. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 21 Figura 4. Desarrollo del mercado 2006-2016 Destacar también la labor de las empresas fabricantes de captadores con fábrica en España, de las que casi el 60% de su producción se exporta al extranjero. A continuación, con respecto a la distribución de superficie instalada por comunidades autónomas se expone una tabla en la que vemos los m2 acumulados en el año 2015. m2 acumulado, 2015 CCAA Superficie total (m2) Andalucía 1125682 Aragón 83670 Canarias 241709 Cantabria 13255 Castilla y León 176840 Castilla-La Mancha 214492 Cataluña 559938 Ciudad de Ceuta 2410 Ciudad de Melilla 3975 Comunidad de Madrid 358385 Comunidad Foral de Navarra 45913 Comunidad Valenciana 253518 Extremadura 29136 Galicia 138575 Islas Baleares 130952 La Rioja 10665 País Vasco 87742 Principado de Asturias 50403 Región de Murcia 56711 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 175000 275000 465000 402000 348000 275590 229000 232500 255000 241165 212190 970500 1245000 1710000 2112000 2460000 2735590 2964590 3197090 3452000 3693255 3905445 Desarrollo del Mercado 2006-2016 m2 instalados/año m2 acumulados Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 22 Total 3583971 Tabla 1. 𝑚2 acumulado por comunidades autónomas en el año 2015 Observamos que, Andalucía es la líder, seguido de lejos por, Cataluña, Comunidad de Madrid y Comunidad Valenciana. Andalucía posee casi un 40% del total de superficie instalada del parque español, y en el último año, más del 50% de los equipos instalados en España han sido en Andalucía. Este hecho queda reflejado en la siguiente tabla. m2 superficie nueva instalada, 2015 CCAA Superficie total (m2) Andalucía 129163 Aragón 5523 Canarias 11533 Cantabria 2060 Castilla y León 5690 Castilla-La Mancha 10253 Cataluña 15930 Ciudad de Ceuta 16 Ciudad de Melilla 243 Comunidad de Madrid 19325 Comunidad Foral de Navarra 681 Comunidad Valenciana 11855 Extremadura 4159 Galicia 5274 Islas Baleares 4596 La Rioja 319 País Vasco 4160 Principado de Asturias 921 Región de Murcia 2351 Total 234052 Tabla 2. 𝑚2 superficie nueva instalada por comunidades autónomas en el año 2015 Por último, las previsiones de futuro nos dicen que la proyección de los resultados globales alcanzados por el sector, acumulados a cierre 2016, nos llevarían a alcanzar una cifra máxima de 5 millones de m2 instalados y en operación a finales de 2020. Es decir, la mitad del objetivo de los 10 millones de m2 que se establece y compromete como país en el plan PER (Plan de Energías Renovables) 2011-2020. INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA. ELEMENTOS PRINCIPALES En las instalaciones solares térmicas se pueden reconocer los siguientes subsistemas (Figura 5): Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 23 Subsistema de captación: transforma la radiación solar recibida en energía térmica que va al fluido caloportador que circula por su interior. Subsistema de almacenamiento: almacena la energía térmica del fluido caloportador producida en la instalación. Subsistema de transporte o de circulación: tuberías y elementos de impulsión y aislamiento térmico adecuados, diseñados para transportar la energía térmica producida. Subsistema de auxiliar: elemento de apoyo a la instalación solar para complementar el aporte solar en periodos de escasa radiación solar o de demanda de energía superior a la prevista. Subsistema de control: garantiza el correcto funcionamiento de la instalación y la protege contra múltiples factores como sobrecalentamiento o congelación. Figura 5. Esquema de una instalación solar térmica Una instalación de energía solar térmica está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, bombas, vaso de expansión, tuberías y un panel de control principal. Captadores solares Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica que se transmite al fluido caloportador. Como captadores solares tenemos principalmente, los de placa plana y los de tubos de vacío. Los sistemas de captación planos (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 24 El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación, sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador. Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente, un marco de aluminio, un aislante térmico, y una cubierta de vidrio solar de alta transparencia Circuito primario El circuito primario es un circuito cerrado que transporta el calor desde el captador hasta el acumulador. Una vez enfriado, retorna al colector para volverse a calentar, y así sucesivamente. Intercambiador de calor El intercambiador de calor calienta el agua de consumo a través del calor obtenido del captador. Se sitúa en el circuito primario, en su extremo. El agua que entra en el acumulador, siempre que esté más fría que la que viene del captador, se calentará. Esta agua, calentada en horas de Sol, nos quedará disponible para el consumo posterior. Acumulador El acumulador es un depósito donde se acumula el agua calentada útil para el consumo. Tiene una entrada para el agua fría y una salida para la caliente. La fría entra por debajo del acumulador donde se encuentra con el intercambiador, a medida que se calienta se desplaza hacia arriba, que es desde donde saldrá el agua caliente para el consumo. Circuito secundario El circuito secundario o de consumo es un circuito abierto, en el que entra agua fría de suministro y por el otro extremo el agua calentada se consume. El agua fría pasa por el acumulador, primeramente, donde calienta el agua hasta llegar a una cierta temperatura, y de ahí, se lleva al punto de consumo. Bombas Las bombas, en caso de que la instalación sea de circulación forzada, son de tipo recirculación y suele haber dos por circuito. En total y tal como se define anteriormente, suele haber 4 bombas, dos en cada circuito. Dos en el circuito primario que bombean el agua de los colectores y las otras dos en el circuito secundario que bombean el agua de los acumuladores, en el caso de una instalación de tipo circulación forzada. Vaso de expansión El vaso de expansión absorbe variaciones de volumen del fluido caloportador, el cual circula por los conductos del captador, manteniendo la presión adecuada y evitando pérdidas de la Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 25 masa del fluido. Es un recipiente con una cámara de gas separada de la de líquidos y con una presión inicial la que va en función de la altura de la instalación. Tuberías Las tuberías de la instalación se encuentran recubiertas de un aislante térmico para evitar pérdidas de calor con el entorno. Panel de control Se dispone también de un panel principal de control en la instalación, donde se muestran las temperaturas en cada instante (un regulador térmico), de modo que pueda controlarse el funcionamiento del sistema en cualquier momento. APLICACIONES ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Como se ha comentado, las energías renovables hoy día están en auge, por diferentes motivos. Pero uno de los más importantes sería la concienciación de la sociedad sobre el cambio climático. La energía solar es una energía limpia, en la que nos beneficiamos de la luz solar para obtener energía. Pero no todo son ventajas. En concreto, los problemas que tiene este tipo de energía son varios: - El aporte de energía solar no es “controlable”. Depende fuertemente de las condiciones climatológicas. - La demanda y el aporte de energía solar están desfasados. - Aun así, hoy en día es una tecnología muy extendida, y tiene diversas aplicaciones. Centrándonos en España, como se comentó anteriormente, podemos observar que la zona de Andalucía es la mejor para este tipo de instalación. En gran parte de nuestra comunidad autónoma podemos observar que viviendas e industrias se benefician de este sistema para satisfacer necesidades básicas como, por ejemplo, producción de agua caliente sanitaria, calefacción, refrigeración, climatización de piscinas, producción de agua caliente o secado. Éstas últimas referidas sobre todo al ámbito de la industria. 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. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 32 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, el absorbedor puede tener configuraciones distintas: en placas, en parrilla o en serpentín (Figura 13). Configuración en placas: En este diseño, el flujo pasa por la totalidad del absorbedor. Los tubos o conductos poseen una pequeña distancia entre sí. Debido a su gran número, los tubos individuales pueden tener diámetros muy pequeños. Los absorbedores con circulación por toda el área, por lo general se fabrican con uniones extensas, por ejemplo, mediante dos placas de acero inoxidable, juntándolas por presión o soldadura láser (absorbedor de chapa embutida). Configuración en parrilla: En este diseño varios tubos finos en paralelo, unidos a tubos de distribución en cada extremo del captador, se combinan para formar una disposición en parrilla. Debido al uso extendido de las aletas absorbedoras, es el diseño que ha logrado una mayor cuota de mercado, a pesar de la mayor dificultad en su fabricación. Configuración en serpentín: En ellos, todo el fluido de trabajo pasa por un tubo en forma de serpentín. Tardó en imponerse debido a su mayor pérdida de carga y a las dificultades en su fabricación. Sin embargo, se han expandido recientemente gracias a sus ventajas en el conexionado. Actualmente, tanto los absorbedores tipo parrilla como los de tipo serpentín se fabrican predominantemente empleando láminas metálicas del tamaño del absorbedor completo, en vez de con aletas individuales. 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). Hoy día, se usa el cobre para los tubos en la mayoría de los captadores. Igualmente, el material de la placa absorbedora debe tener una buena conductividad térmica y no conviene que sea demasiado fino. Por ello, se suelen utilizar láminas de cobre o aluminio. En casos muy excepcionales, se suele usar acero Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 33 inoxidable o plástico en aplicaciones en las que un medio agresivo fluya directamente a través del absorbedor (piscinas). Figura 13. Configuración en placas, en parrilla y en serpentín respectivamente 2.1.1.3. AISLAMIENTO El aislamiento térmico es esencial para los captadores planos ya que por medio de él se logra una reducción de las pérdidas térmicas hacia el exterior. Para ello, 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. 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. Los materiales aislantes deben poseer, entre otras, las siguientes características: - Comportamiento con la temperatura: o Deben resistir sin deteriorarse las altas temperaturas de estancamiento de los captadores (120-200ºC). - Desprendimiento de vapores: o Incluso a temperaturas muy elevadas, el aislante no debería emitir gases, pues de lo contrario es previsible la aparición de deposiciones en el interior de la cubierta del captador. - Envejecimiento: o Se debe verificar que no se degrada a lo largo de su vida útil. - Humedad: o Deben protegerse contra la penetración accidental de agua o las condensaciones. Algunos aislantes pierden sus características cuando están húmedos, como, por ejemplo, la lana de vidrio. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 34 2.1.1.4. CARCASA Es el elemento que envuelve a los demás componentes que constituyen el captador, protegiéndolos de este modo de los agentes atmosféricos y los daños mecánicos. Tiene, por tanto, dos misiones, la de proteger y soportar todos los elementos del captador, y otra estructural para poder adaptarse al edificio (inclinación y orientación necesaria) o al soporte que sostenga la instalación. En la actualidad, las carcasas que se fabrican son principalmente de aluminio anonizado o de acero galvánico. 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. - 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 A pesar de la estandarización existente en el diseño del captador solar plano, existen numerosas variantes de éste que se diferencian en un elemento o un tratamiento determinado, y que pueden modificar considerablemente la curva de rendimiento del captador. Una forma de clasificar los captadores solares planos puede ser según los siguientes criterios: - Según el número de cubiertas: o Sin cubierta o Una cubierta o Varias cubiertas Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 35 - Según el material de la cubierta: o Vidrio o Plástico - Según el material de la superficie absorbente: o Cobre o Acero inoxidable o Aluminio o Caucho - Según el tipo de tratamiento de la superficial: o Superficie selectiva (capa de óxidos de cromo, níquel, hierro, cobre o titanio) o Superficie negra - Según el tipo de fluido caloportador: o Captadores de agua o Captadores de aire - Según el tipo de absorbedor: o De placa y tubo: Placa metálica sobre la que están soldados o embutidos tubos por los que circula fluido. ▪ Hay dos tipos principales: • Serpentín • Parrilla o De placas: Dos placas metálicas separadas algunos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador. 2.2. MODELO EN RÉGIMEN PERMANENTE Los modelos en régimen permanente tienen diferente complejidad en función de la dependencia funcional del campo de temperaturas en la placa absorbente y de los flujos de calor dominantes. El modelo que se desarrolla es el modelo de aleta unidimensional, valido en las condiciones de operación más usuales de los captadores solares. 2.2.1. BALANCE GLOBAL Realizando un balance de energía en el captador solar (Figura 14), la energía útil será la energía incidente sobre la placa absorbente, menos las pérdidas térmicas, tanto por convección, por radiación, como por conducción, referidas desde la superficie absorbente Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 36 hacia una misma temperatura exterior (𝑇𝑎). 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: Energía captada = 𝑄𝑢 = Energía Incidente – Pérdidas Térmicas Energía Incidente = 𝐼(𝜏𝛼)·𝐴𝑐 (En la superficie absorbente) Pérdidas Térmicas = 𝑈𝐿·𝐴𝑐·(𝑇𝑝    −𝑇𝑎) (Desde la superficie absorbente) 𝑄𝑢=𝐼(𝜏𝛼)·𝐴𝑐−𝑈𝐿·𝐴𝑐·(𝑇𝑝    −𝑇𝑎) (2 – 1) Figura 14. 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 ecuación anterior refiriéndola a la temperatura del fluido a la entrada (𝑇𝑓𝑒), que sí es conocida: 𝑄𝑢=𝐴𝑐·𝐼·𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐴𝑐·𝐹𝑅·𝑈𝐿·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) (2 – 2) Por tanto, se tiene que definir 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 del fluido a la entrada: 𝐹𝑅=Energía captada Energía captada si (𝑇𝑝    =𝑇𝑓𝑒)=𝑄𝑢 𝑄𝑢(𝑇𝑝    =𝑇𝑓𝑒)=𝑄𝑢 𝐼(𝜏𝛼)·𝐴𝑐−𝑈𝐿·𝐴𝑐·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) (2 – 3) Haciendo el balance en el fluido caloportador la ecuación de la energía útil quedaría: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 37 𝑄𝑢=𝑚󰇗·𝐶𝑝·(𝑇𝑓𝑠−𝑇𝑓𝑒)=𝐺·𝐴𝑐·𝐶𝑝·(𝑇𝑓𝑠−𝑇𝑓𝑒) (2 – 4) Donde 𝑚󰇗 [𝑘𝑔 𝑠] es el caudal del fluido caloportador y 𝐺 [𝑘𝑔 𝑚2𝑠] el caudal específico del fluido caloportador que circula por el circuito del captador: 𝑚󰇗=𝐺·𝐴𝑐 (2 – 5) 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 2.2.8. 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: ɳ= Energía captada Energía Incidente =𝑄𝑢 𝐼·𝐴𝑐=𝐴𝑐·𝐼·𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐴𝑐·𝐹𝑅·𝑈𝐿·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) 𝐼·𝐴𝑐 (2 – 6) ɳ=𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐹𝑅·𝑈𝐿·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) 𝐼 (2 – 7) Figura 15. Recta de rendimiento Al corte con el eje de ordenadas se le llama Factor Óptico o Factor de ganancias (𝐹𝑅(𝜏𝛼)), mientras que a la pendiente (𝐹𝑅·𝑈𝐿) se le denomina Factor de Pérdidas (Figura 15). 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: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 38 𝑈𝐿=𝑈0+𝑈1·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) (2 – 8) ɳ=𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐹𝑅·𝑈𝐿·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) 𝐼=ɳ=𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐹𝑅·[𝑈0+𝑈1·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎)]·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) 𝐼 (2 – 9) ɳ=𝐹𝑅(𝜏𝛼)−𝐹𝑅·𝑈0·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎) 𝐼−𝐹𝑅·𝑈1·(𝑇𝑓𝑒−𝑇𝑎)2 𝐼 (2 – 10) Para tener definido el rendimiento basta conocer el factor de evacuación del calor (𝐹𝑅), que ya se ha definido en apartados anteriores, y el producto transmitancia-absortancia y el coeficiente de pérdidas (𝑈𝐿) que se definirán a continuación. 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 cantidad de radiación solar que llega al captador que es absorbida por la placa absorbente. Usaremos el método de Ray Tracing para calcularlo (Figura 16). Figura 16. Método Ray Tracing La fracción de energía incidente que en principio se absorbe por la placa es 𝜏𝛼 y la reflejada hacia el sistema de cubiertas es (1−𝛼)·𝜏, donde 𝛼 es la absortancia de la placa y suele ser un dato conocido, mientras que 𝜏 es la transmitancia de la cubierta y tendremos que calcularla más adelante. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 39 La fracción que llega a la cubierta es radiación difusa, mientras que la que llega de nuevo a la placa después es (1−𝛼)·𝜏·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°: 𝜌𝑑=1−𝜏𝑟(60°) (2 – 11) Después de múltiples reflexiones de la radiación difusa en placa y cubiertas, la energía finalmente absorbida por la placa es: (𝜏𝛼)=𝜏𝛼∑[(1−𝛼)·𝜌𝑑]𝑛=𝜏𝛼 1−(1−𝛼)·𝜌𝑑 ∞ 𝑛=0 (2 – 12) A continuación, vamos a calcular la transmitancia y la reflexión de la radiación para poder tener definido el producto transmitancia-absortancia. 2.2.3.1. REFLEXIÓN DE LA RADIACIÓN Los ángulos de incidencia 𝜃1 y 𝜃2 se relacionan mediante la Ley de Snell (Figura 17): 𝑛1· 𝑠𝑒𝑛 𝜃1=𝑛2· 𝑠𝑒𝑛 𝜃2 (2 – 13) Figura 17. Ley de Snell 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 se va a calcular la reflexión para cada componente de polarización: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 40 - Perpendicular. La polarización apunta hacia afuera del plano de incidencia: 𝜌⊥= 𝑠𝑒𝑛(𝜃2−𝜃1)2 𝑠𝑒𝑛(𝜃2+𝜃1)2 (2 – 14) - Paralela. La polarización sigue paralelo al plano de incidencia: 𝜌||= 𝑡𝑎𝑛(𝜃2−𝜃1)2 𝑡𝑎𝑛(𝜃2+𝜃1)2 (2 – 15) La reflexión sin polarizar sería: 𝜌=1 2(𝜌⊥+𝜌||) (2 – 16) Para casos de incidencia normal, los ángulos de incidencia tienen valor cero, y la expresión de la reflexión quedaría más simplificada: 𝜌(0)=(𝑛1−𝑛2 𝑛1+𝑛2)2 (2 – 17) Si un medio es el aire, su índice de refracción vale 1, y la expresión quedaría aún más simplificada: 𝜌(0)=(𝑛−1 𝑛+1)2 (2 – 18) 2.2.3.2. 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: 𝜏=𝜏𝑎·𝜏𝑟 (2 – 19) - La transmitancia debida a las pérdidas por reflexión se expresa: 𝜏𝑟=1 2·( 1−𝜌|| 1+(2·𝑁𝑐−1)·𝜌||+1−𝜌⊥ 1+(2·𝑁𝑐−1)·𝜌⊥) (2 – 20) Donde 𝑁𝑐 representa el número de cubiertas del captador. Para casos de incidencia normal: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 41 𝜏𝑟𝑁=1−𝜌 1+(2·𝑁𝑐−1)·𝜌 (2 – 21) - La transmitancia debida a la absorción se obtiene a partir de la Ley de Bouger: 𝜏𝑎=𝑒−𝑘𝑒𝑥𝑡·𝛿𝑔 cos𝜃2 (2 – 22) Donde 𝛿𝑔 representa el espesor del vidrio, y 𝑘𝑒𝑥𝑡 el coeficiente de extinción del vidrio, que toma valores comprendidos entre 4 𝑚−1 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 𝑇𝑝    , y que todas las pérdidas ocurren hacia una misma temperatura común 𝑇𝑎. 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: 𝑈𝐿=𝑈𝑡+𝑈𝑒+𝑈𝑏 (2 – 23) 2.2.4.1. COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS SUPERIOR (𝑼𝒕) Las pérdidas principales del captador son las de la parte frontal del captador, ya que las únicas barreras a la pérdida de calor entre la placa y el ambiente son la cámara de aire existente entre la placa absorbedora y el ambiente, y la cubierta transparente. Mientras que, por la parte posterior y lateral, el captador dispone de aislamiento térmico. A continuación, se va a exponer dos maneras de calcular 𝑈𝑡, la primera desarrollada por Klein, y la segunda se consigue aplicando el método de la resistencia térmica equivalente de Duffie y Beckman visto en [7]. Klein [1] desarrolló una ecuación tanto para cálculo el manual como computacional. Utilizaremos dicha ecuación para el cálculo de 𝑈𝑡: 𝑈𝑡=[𝑁𝑐 𝐶 𝑇𝑝     ·[𝑇𝑝     −𝑇𝑎 𝑁𝑐+𝑓]𝑒+1 ℎ𝑣]−1+𝜎·(𝑇𝑝    +𝑇𝑎)·(𝑇𝑝    2+𝑇𝑎2) (𝜀𝑝+0,00591·𝑁𝑐·ℎ𝑣)−1+2·𝑁𝑐+𝑓−1+0,133·𝜀𝑝 𝜀𝑣−𝑁𝑐 (2 – 24) Donde: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 48 𝑁𝑢𝑓=(ξ8)·𝑅𝑒𝑓·𝑃𝑟𝑓 1+12,7·√(ξ8)·(𝑃𝑟𝑓2 3−1)·[1+(𝐷𝑖𝑛𝑡 𝐿𝑡𝑢𝑏)2 3] (2 – 58) Donde ξ es el factor de fricción, que se puede obtener del diagrama de Moody o de la siguiente expresión: ξ=(1,8·log10𝑅𝑒𝑓−1,5)−2 (2 – 59) - Para flujos en transición (2300<𝑅𝑒𝑓<104) se usa la expresión [3]: 𝑁𝑢𝑓=(1−𝛾)·𝑁𝑢𝑙,2300+𝛾·𝑁𝑢𝑡,104 (2 – 60) Donde 𝛾 viene dado por: 𝛾=𝑅𝑒𝑓−2300 104−2300 (2 – 61) El término 𝑁𝑢𝑙,2300 es el número de Nusselt para 𝑅𝑒𝑓=2300 calculado con la ecuación (2 – 54), y 𝑁𝑢𝑡,104 es el número de Nusselt para 𝑅𝑒𝑓=104 calculado con la ecuación (2 – 58). 2.2.5.3. CONVECCIÓN ENTRE PLACA ABSORBENTE Y CUBIERTA DE VIDRIO El coeficiente de transferencia de calor por convección desde la placa absorbente a la cubierta de vidrio viene dado por [3]: ℎ𝑐,𝑔−𝑝=𝑁𝑢𝑔−𝑝·𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒 𝛿𝑎𝑖𝑟𝑒 (2 – 62) Donde 𝛿𝑎𝑖𝑟𝑒 es la distancia entre la placa y el vidrio, es decir, el espesor de la cámara de aire. Todas las propiedades son calculadas a la temperatura media 𝑇=(𝑇𝑝+𝑇𝑔) 2. Para ángulos de inclinación del captador entre 0º y 75º se puede usar la siguiente fórmula que relaciona el número de Nusselt y el número de Rayleigh [2]: 𝑁𝑢𝑔−𝑝=1+1,446·[1− 1708 𝑅𝑎𝑔−𝑝·cos𝛽]+·[1−1708·[sin(1,8·𝛽)]1 6 𝑅𝑎𝑔−𝑝·cos𝛽 ]++ [(𝑅𝑎𝑔−𝑝·cos𝛽 5830 )1 3−1]+ (2 – 63) Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 49 Donde el exponente + significa que solo son posibles valores positivos de esos términos. El número de Rayleigh en este caso se calcula como: 𝑅𝑎𝑔−𝑝=𝑔·𝛽′·(𝑇𝑝−𝑇𝑔)·𝛿𝑎𝑖𝑟𝑒 3 𝑎𝑎𝑖𝑟𝑒·𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 (2 – 64) 2.2.5.4. RADIACIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBENTE Y LA CUBIERTA DE VIDRIO El coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la placa y la cubierta de vidrio se calcula como un problema de radiación entre dos placas paralelas, con factores de forma iguales a 1 debido a que el calor emitido por una de las superficies es completamente absorbido por la superficie opuesta. Por tanto, la expresión de dicho coeficiente es como sigue: ℎ𝑟,𝑔−𝑝=𝜎·(𝑇𝑝+𝑇𝑔)·(𝑇𝑝2+𝑇𝑔2) (1 𝜀𝑔)+(1 𝜀𝑝)−1 (2 – 65) Donde 𝜀𝑔 y 𝜀𝑝 son las emisividades de la cubierta de vidrio y la placa absorbente respectivamente. La temperatura en la ecuación debe estar en Kelvin ya que la radiación se refiere a la temperatura absoluta de la superficie del cuerpo. 2.2.5.5. RADIACIÓN ENTRE LA CUBIERTA DE VIDRIO Y EL AMBIENTE Por último, el coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la cubierta de vidrio y el ambiente se calcula del mismo modo que el caso de dos placas paralelas. Aunque realmente el intercambio de calor se produce entre la cubierta y el cielo o alrededores, se ha realizado la hipótesis de que todo ello se encuentra a la misma temperatura igual a la temperatura ambiente. En este caso el factor de forma entre la cubierta y los alrededores es 1, mientras que el factor de forma de los alrededores a la cubierta es casi cero, debido a que la proporción de superficie de cubierta vista desde el cielo es muy pequeña. Por lo tanto, la expresión del coeficiente será: ℎ𝑟,𝑔−𝑎=𝜀𝑔· 𝜎· (𝑇𝑔+𝑇𝑎)·(𝑇𝑔2+𝑇𝑎2) (2 – 66) La temperatura en la ecuación debe estar en Kelvin ya que la radiación se refiere a la temperatura absoluta de la superficie del cuerpo. 2.2.6. IRRADIANCIA SOLAR GLOBAL (𝑰) Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 50 Por lo general, los captadores solares no están instalados horizontalmente, sino inclinados para aumentar la cantidad de radiación interceptada y reducir las pérdidas de reflexión y coseno. Por lo tanto, se necesitan datos sobre la radiación solar sobre dichas superficies inclinadas; datos de radiación medidos o estimados, sin embargo, son en su mayoría disponibles ya sea para incidencia normal o para superficies horizontales. Por lo tanto, hay una necesidad de convertir estos datos en radiación para las superficies inclinadas. La cantidad de radiación solar en una superficie terrestre en un lugar dado durante un tiempo dado depende de la orientación y la pendiente de la superficie. Una superficie plana absorbe radiación directa (𝐼𝐷𝑡), difusa (𝐼𝑑𝑡) y radiación reflejada de los alrededores (𝐼𝐺𝑡), esto es 𝐼=𝐼𝐷𝑡+𝐼𝑑𝑡+𝐼𝐺𝑡 (2 – 67) Como se muestra en la Figura 19, la radiación directa en una superficie inclinada y en una superficie horizontal es: 𝐼𝐷𝑡=𝐼𝐷𝑛·cos𝜃 (2 – 68) 𝐼𝐷=𝐼𝐷𝑛·cos𝜃𝑍 (2 – 69) Donde 𝐼𝐷𝑡 es la radiación directa en una superficie inclinada [𝑊 𝑚2], 𝐼𝐷 es la radiación directa en una superficie horizontal [𝑊 𝑚2] y 𝐼𝐷𝑛 es la radiación directa normal a la dirección de propagación de la radiación [𝑊 𝑚2]. Los ángulos 𝜃 y 𝜃𝑍 son el ángulo de incidencia de la radiación directa (calculado con la ecuación (2 – 74)) y el ángulo solar cénit (dato conocido). Figura 19. Radiación directa en superficies horizontal e inclinada Ahora se define el factor de inclinación de la radiación directa (𝑅𝐷) como: 𝑅𝐷=cos𝜃 cos𝜃𝑧 (2 – 70) Por tanto, la componente de radiación directa para una superficie inclinada es: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 51 𝐼𝐷𝑡=𝐼𝐷·𝑅𝐷 (2 – 71) Existen varios modelos para calcular las diferentes componentes de la radiación. Las dos componentes restantes (difusa y reflejada) se han calculado utilizando un modelo de cielo isotrópico definido por Liu y Jordan [5], llegándose a la siguiente expresión de la irradiancia incidente: 𝐼=𝐼𝐷·cos𝜃 cos𝜃𝑧+𝐼𝑑·1+cos𝛽 2+(𝐼𝐷+𝐼𝑑)·𝜌𝑔·1−cos𝛽 2 (2 – 72) Donde 𝜌𝑔 es la reflectancia del suelo. En la ecuación (anterior, poner número) el término de la derecha representa la radiación reflejada de los alrededores, la cual se ha considerado despreciable, por lo tanto, la ecuación de la irradiancia incidente quedaría: 𝐼=𝐼𝐷·cos𝜃 cos𝜃𝑧+𝐼𝑑·1+cos𝛽 2 (2 – 73) El ángulo de incidencia 𝜃 se puede calcular como: cos𝜃=sin𝛿·sin∅·cos𝛽−sin𝛿·cos∅·sin𝛽·cos𝛾+cos𝛿·cos∅· cos𝛽· cos𝜔+ cos𝛿· sin∅ · sin𝛽· cos γ · cos𝜔+cos𝛿· sin𝛽·sin𝛾· sin𝜔 (2 – 74) Donde 𝛿 es el ángulo de declinación solar, ∅ es la latitud, 𝜔 es el ángulo solar horario y 𝛾 es el ángulo acimut (=0 para superficies orientadas al Sur en el Hemisferio Norte). La declinación, 𝛿, en grados para cualquier día del año (𝑁) que oscila entre 1 y 365 (o 366) puede ser calculada en primera aproximación con la fórmula de Cooper: 𝛿=23,45°·sin[360·(284+𝑁 365 )] (2 – 75) El ángulo horario 𝜔 se define como cero para el mediodía solar local (cuando el ángulo altura del sol está en su máximo). El ángulo horario decrece 15º por cada hora antes del mediodía solar local, y aumenta 15º por cada hora después del mediodía solar local. Una vez calculada la irradiancia incidente se puede obtener la radiación absorbida por la placa absorbente (𝑆) como: 𝑆=𝐼·(𝜏𝛼)=(𝜏𝛼)𝐷·cos𝜃 cos𝜃𝑧·𝐼𝐷+(𝜏𝛼)𝑑·1+cos𝛽 2·𝐼𝑑 (2 – 76) Donde (𝜏𝛼)𝐷 y (𝜏𝛼)𝑑 representan el producto transmitancia-absortancia de la radiación solar directa y difusa respectivamente, las cuales son calculadas mediante la ecuación (2 – 12). Cuando se considera radiación directa, el ángulo de incidencia es 𝜃. En el caso del producto Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 52 transmitancia-absortancia de la radiación difusa el ángulo de incidencia se ha calculado usando la siguiente ecuación [6]: 𝜃𝑑=59,7°−0,1388·𝛽+0,001497·𝛽2 (2 – 77) 2.2.7. MODELO DE ALETA UNIDIMENSIONAL Vamos a suponer la disposición de tubos que se indica en la Figura 20, 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 20. Sección transversal 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. - Captador solar de placa y tubos de parrilla. - Caudal uniforme por los tubos. - Temperatura uniforme en la base del tubo (𝑇𝑏). - Absorción nula en la cubierta. - Gradientes de temperatura nulos en la cubierta. - Conducción axial despreciable en superficie absorbente. - Efectos de sombra y polvo en la cubierta despreciables. Por tanto, la región entre la línea central que separa los tubos y la base de éstos, puede considerarse como un problema clásico de aletas, con aleta de longitud 𝑊−𝐷 2, Figura 21. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 53 Figura 21. Sistema tubo-aleta Figura 22. Balance energético en el elemento de aleta Haciendo un balance energético en el elemento diferencial de la aleta de anchura ∆𝑥 y longitud unidad en la dirección del flujo, Figura 22, se obtiene la siguiente ecuación diferencial: 𝑆·∆𝑥−𝑈𝐿·∆𝑥·(𝑇−𝑇𝑎)+(−𝑘𝑝·𝛿𝑝·𝑑𝑇 𝑑𝑥)|𝑥−(−𝑘𝑝·𝛿𝑝·𝑑𝑇 𝑑𝑥)|𝑥+∆𝑥=0 (2 – 78) Donde 𝑆=𝐼(𝜏𝛼) es la energía solar absorbida, y 𝑘𝑝 es la conductividad térmica de la placa absorbente [𝑊 𝑚𝐾]. Dividiendo entre ∆𝑥 y hallando el límite cuando ∆𝑥 tiende a cero, se obtiene: 𝑑2𝑇 𝑑𝑥2=𝑈𝐿 𝑘𝑝·𝛿𝑝·(𝑇−𝑇𝑎−𝑆 𝑈𝐿) (2 – 79) Las dos condiciones de contorno necesarias para resolver esta ecuación diferencial de segundo orden son la simetría en la línea central y la temperatura de base conocida: 𝑑𝑇 𝑑𝑥|𝑥=0=0 (2 – 80) Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 54 𝑇|𝑥=(𝑊−𝐷)/2=𝑇𝑏 (2 – 81) Por conveniencia se definen los dos parámetros siguientes: - Temperatura equivalente: 𝜃=𝑇−𝑇𝑎−𝑆 𝑈𝐿 (2 – 82) - Parámetro m: 𝑚=√𝑈𝐿 𝑘𝑝·𝛿𝑝 (2 – 83) Quedando la ecuación de la siguiente forma: 𝑑2𝜃𝑝 𝑑𝑥2−𝑚2·𝜃𝑝=0 (2 – 84) Cuyas condiciones de contorno son: 𝑑𝜃𝑝 𝑑𝑥|𝑥=0=0 (2 – 85) 𝜃𝑝|𝑥=(𝑊−𝐷)/2=𝑇𝑏−𝑇𝑎−𝑆 𝑈𝐿=𝜃𝑏 (2 – 86) Resolviendo se tiene: 𝜃𝑝(𝑥)=𝜃𝑏·cosh(𝑚𝑥) cosh(𝑚·(𝑊−𝐷) 2) (2 – 87) Habiendo tenido en cuenta que, 0≤𝑥≤𝑊−𝐷 2 Una vez conocida la expresión del campo de temperatura, se puede 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: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 55 𝑞𝑝𝑏=−2·𝑘𝑝·𝛿𝑝·𝑑𝑇𝑝 𝑑𝑥=−2·𝑘𝑝·𝛿𝑝·𝑑𝜃𝑝 𝑑𝑥 (2 – 88) En 𝑥=𝑊−𝐷 2: 𝑞𝑝𝑏=−(𝑊−𝐷)·𝐹·𝑈𝐿·𝜃𝑏 (2 – 89) Siendo 𝐹 el factor de eficiencia de la aleta: 𝐹=𝑡𝑎𝑛ℎ(𝑚·(𝑊−𝐷) 2) 𝑚·(𝑊−𝐷) 2 (2 – 90) El factor de eficiencia disminuye al crecer el producto 𝑚·(𝑊−𝐷) 2. Es decir, aumenta para espesores y conductividades térmicas de la placa absorbente mayores, y disminuye al aumentar la distancia entre los tubos y el coeficiente de pérdidas (𝑈𝐿) (Figura 23). Figura 23. 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 24. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 56 Figura 24. Energía útil transmitida al tubo Por un lado, se tiene la energía captada en la parte superior del tubo (𝑞𝑏): 𝑞𝑏=𝐷·(−𝑆−𝑈𝐿·(𝑇𝑏−𝑇𝑎))=−𝐷·𝑈𝐿·𝜃𝑏 (2 – 91) 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: 𝑞𝑢=𝑞𝑏+𝑞𝑝𝑏 (2 – 92) 𝑞𝑢=−𝑈𝐿·[(𝑊−𝐷)·𝐹+𝐷]·𝜃𝑏 (2 – 93) La ganancia útil del fluido se puede expresar también de la forma siguiente: 𝑞𝑢=𝑇𝑏−𝑇𝑓 𝑅=𝜃𝑏−𝜃𝑓 𝑅 (2 – 94) Siendo 𝑅: 𝑅=1 𝐶𝐵+1 𝜋·𝐷𝑖𝑛𝑡·ℎ𝑓 (2 – 95) 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, se puede expresar la temperatura la temperatura de la base del tubo de la siguiente forma: 𝜃𝑏=𝜃𝑓+𝑅·𝑞𝑢=(1−𝑅·𝑊·𝑈𝐿·𝐹′)·𝜃𝑓 (2 – 96) Eliminando la temperatura de la base del tubo en la expresión de la ganancia del fluido: Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 57 𝑞𝑢=−𝑊·𝑈𝐿·𝐹′·𝜃𝑓 (2 – 97) Siendo 𝐹′ el factor de eficiencia del captador, dependiente de la disposición de los tubos en la placa absorbente: - Disposición 1 (Figura 25): 𝐹′=1 𝑊·𝑈𝐿 𝜋·𝐷𝑖𝑛𝑡·ℎ𝑓+𝑊·𝑈𝐿 𝐶𝐵+𝑊 𝐷+(𝑊−𝐷)·𝐹 (2 – 98) Figura 25. Disposición 1 de los tubos en la placa absorbente - Disposición 2 (Figura 26): 𝐹′=1 𝑊·𝑈𝐿 𝜋·𝐷𝑖𝑛𝑡·ℎ𝑓+1 𝐷 𝑊+1 𝑊·𝑈𝐿 𝐶𝐵+𝑊 (𝑊−𝐷)·𝐹 (2 – 99) Figura 26. Disposición 2 de los tubos en la placa absorbente - Disposición 3 (Figura 27): 𝐹′=1 𝑊·𝑈𝐿 𝜋·𝐷𝑖𝑛𝑡·ℎ𝑓+𝑊 𝐷+(𝑊−𝐷)·𝐹 (2 – 100) Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 64 Figura 37. Configuración de captadores solares planos siendo este último valor el más común de nuevo, aunque en menor medida que en captadores solares planos (Figura 40 y Figura 41). Figura 38. Presión máxima de funcionamiento de captadores solares planos 3.4. TEMPERATURA MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO A continuación, vemos que ocurre con la temperatura máxima de funcionamiento de los captadores. Se ha analizado para ambas tipologías, aunque es el parámetro del que se ha obtenido menos información de todos los estudiados. En concreto, para captadores solares 7% 73% 20% placa parrilla serpentin 2 31 18 4 141 41 0 20 40 60 80 100 120 140 160 4 bar 6 bar 8 bar 9 bar 10 bar 12 bar 19,6 bar Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 65 Figura 39. Presión máxima de funcionamiento de captadores solares planos Figura 40. Presión máxima de funcionamiento de captadores de tubos de vacío Figura 41. Presión máxima de funcionamiento de captadores de tubos de vacío planos (Figura 42 y Figura 43), solo tenemos información de 35 modelos de 332 posibles y en el caso de captadores de tubos de vacío (Figura 44 y Figura 45), 14 encontrados de 52 posibles. Tras analizar los resultados, se ha obtenido un valor de 120º C y 95ºC, 1% 15% 9% 2% 70% 2% 1% 4 bar 6 bar 8 bar 9 bar 10 bar 12 bar 19,6 bar 15 10 22 0 5 10 15 20 25 6 bar 8 bar 10 bar 32% 21% 47% 6 bar 8 bar 10 bar Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 66 respectivamente, como valores que más destacan sobre el resto. Aun así, al tener tan poca información, los resultados no son representativos. Figura 42. Temperatura máxima de funcionamiento de captadores solares planos Figura 43. Temperatura máxima de funcionamiento de captadores solares planos 1 16 2 1 3 2 7 1 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 90ºC 120ºC 145ºC 147ºC 170ºC 196ºC 200ºC 201ºC 203ºC 3% 46% 5% 3% 8% 6% 20% 3% 6% 90ºC 120ºC 145ºC 147ºC 170ºC 196ºC 200ºC 201ºC 203ºC 1 7 2 3 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 ºC 95 ºC 99 ºC 120 ºC 135 ºC Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 67 Figura 44. Temperatura máxima de funcionamiento de captadores de tubos de vacío Figura 45. Temperatura máxima de funcionamiento de captadores de tubos de vacío 3.5. MATERIAL DE LA PLACA ABSORBENTE También se ha realizado un estudio porcentual del material de la placa absorbente, tanto para captadores solares planos, como para captadores de tubos de vacío. Para captadores solares planos, se ha obtenido información de 276 modelos de los 332 que componen nuestra base de datos. Podemos observar que los valores son parejos entre aluminio y cobre (Figura 46 y Figura 47). Figura 46. Material de la placa absorbente de captadores solares planos Para captadores de tubos de vacío, se ha obtenido información de 28 modelos de los 52 que componen nuestra base de datos. Podemos observar que los valores también son parejos entre aluminio y cobre, aunque en este caso, destacan un poco más los que son de aluminio (Figura 48 y Figura 49). 7% 50% 14% 22% 7% 90 ºC 95 ºC 99 ºC 120 ºC 135 ºC 148 128 0 50 100 150 200 aluminio cobre Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 68 Figura 47. Material de la placa absorbente de captadores solares planos Figura 48. Material de la placa absorbente de captadores de tubos de vacío Figura 49. Material de la placa absorbente de captadores de tubos de vacío 3.6. TRATAMIENTO DE LA PLACA ABSORBENTE Para completar los parámetros referentes a la placa absorbente, se ha realizado también un estudio porcentual del tratamiento de la placa absorbente, diferenciando entre tratamiento 54% 46% aluminio cobre 18 10 0 5 10 15 20 aluminio cobre 64% 36% aluminio cobre Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 69 selectivo, o pintura negra, tanto para captadores solares planos, como para captadores de tubos de vacío. A la hora de buscar información al respecto de este parámetro, se ha supuesto que, en aquellos modelos en donde no teníamos información sobre si se aplicaba al modelo el tratamiento selectivo, se ha supuesto que el tratamiento aplicado a dicho modelo es el de pintura negra. Para captadores solares planos tenemos que el 94 % de los modelos tienen tratamiento selectivo, por lo que podemos concluir, que hoy en día, el tratamiento selectivo es básico en la fabricación de captadores (Figura 50 y Figura 51). Para captadores de tubos de vacío tenemos más disparidad, aunque también es predominante el tratamiento selectivo, con un 58% (Figura 52 y Figura 53). Para terminar con este análisis de la placa absorbente, 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. Figura 50. Tratamiento de la placa absorbente de captadores solares planos Figura 51. Tratamiento de la placa absorbente de captadores solares planos 19 313 0 50 100 150 200 250 300 350 superficie negra selectiva 6% 94% superficie negra selectiva Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 70 Figura 52. Tratamiento de la placa absorbente de captadores de tubos de vacío Figura 53. Tratamiento de la placa absorbente de captadores de tubos de vacío 3.7. MATERIAL DE LOS TUBOS Con respecto al material de los tubos, para captadores solares planos se ha encontrado información al respecto de 294 modelos de los 332 que tenemos. Todos ellos son de cobre. Para captadores de tubos de vacío, tenemos información de 39 modelos de los 52 que componen nuestra base de datos (Figura 54 y Figura 55). Como vemos, también tenemos que el material predominante es el cobre. Figura 54. Material de los tubos de captadores de tubos de vacío 22 30 0 10 20 30 40 superficie negra selectiva 42% 58% superficie negra selectiva 3 36 0 10 20 30 40 acero inox cobre Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 71 Figura 55. Material de los tubos de captadores de tubos de vacío 3.8. ESPESOR DE VIDRIO Analizamos ahora un elemento importante del captador, la cubierta de vidrio. Este elemento es el encargado de retener el calor y de aislar el captador de las condiciones ambientales exteriores. Por ello es de vital importancia que tenga unas características adecuadas para cada situación, entre ellas, su espesor. Para captadores solares planos, se ha encontrado información al respecto de 175 modelos de los 332 que se encuentran en la base de datos. Tras revisar los resultados, vemos que los valores de espesor más comunes son 3,2 mm y 4 mm, sumando entre ambos, un 97% del total de captadores (Figura 56 y Figura 57). Por otro lado, para captadores de tubos de vacío, sólo se ha encontrado información de 4 de los 52 modelos que tenemos en la base de datos, con un valor de 3,3 mm. Por lo tanto, este resultado no es representativo, puesto que tenemos muy poca información como para tenerlo en cuenta. Figura 56. Espesor del vidrio de captadores solares planos 8% 92% acero inox cobre 1 104 21 67 0 20 40 60 80 100 120 3 mm 3,2 mm 3,7 mm 3,8 mm 4 mm Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 72 Figura 57. Espesor del vidrio de captadores solares planos 3.9. TIPO DE AISLAMIENTO Una parte fundamental del captador es el aislamiento térmico, por lo que es bastante interesante analizarlo. Se han realizado dos estudios, uno para captadores solares planos y otro para captadores de tubos de vacío. En el primer caso, de los 332 modelos posibles, se ha encontrado información de 272 de ellos, como se ve en la Figura 58, los materiales más utilizados son el polietileno y la lana mineral, tanto de roca como de vidrio. No todos los fabricantes especifican que tipo de lana utilizan como aislante, en un 14% de los captadores estudiados no disponemos de la información de si es lana de roca o de vidrio, sólo se dice que es lana mineral, pero, gracias al estudio realizado, se puede tener una idea previa de por donde está la tendencia del mercado. También se han observado casos aislados de captadores que utilizan otro tipo de materiales como material aislante. Haciendo una valoración en porcentaje tenemos que: Polietileno 24% Lana de Roca 19% Lana de Vidrio 15% Lana Mineral 14% Otros materiales 28% Tabla 3. Porcentajes de tipos de materiales en aislamiento de captadores solares planos Con lo que observamos que el polietileno y las lanas engloban un 72% del total, siendo las lanas los materiales aislantes más importantes con un 48% del total. Comentar también que dentro del 28% restante, lo que tenemos son combinaciones de lanas y polietilenos/poliuretanos, o éstos mismos materiales con algún elemento o algún tratamiento adicional. 1% 59% 1% 1% 38% 3 mm 3,2 mm 3,7 mm 3,8 mm 4 mm Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 73 Por otro lado, para captadores de tubos de vacío, para un total de 52 modelos, se ha obtenido información únicamente de 24 de ellos. Se puede destacar que el material que se encuentra en mayor número de modelos es la espuma de melamina, aunque con tan poca información, este estudio no es demasiado representativo. (Figura 59) Figura 58. Tipos de aislamiento de captadores solares planos Figura 59. Tipos de aislamiento de captadores de tubos de vacío 7 3 37 42 53 5 4 6 6 5 12 66 4 2 1 3 2 1 3 10 010 20 30 40 50 60 70 Lana mineral de alta densidad Lana mineral con velo negro Lana mineral Lana de vidrio Lana de Roca Lana de roca con velo negro Lana de roca de alta densidad Lana de roca semirígida Fibra de vidrio con velo negro Poliuretano rígido inyectado Poliuretano rígido inyectado +… Polietileno Al - Espuma rígida de… Fibra de vidrio con film de aluminio Poliuretano expandido (libre de… Poliuretano rígido Espuma Poliuretano sin CFC/Lana… Espuma PIC Lana de roca y Espuma de… Espuma poliuretano/Lana mineral 6 5 4 1 8 0123456789 Poliuretano expandido de alta densidad Lana de vidrio Lana de roca Lana mineral Espuma de Melamina Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 80 En esta figura, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados y en el de ordenadas, el peso en kilogramos, y se colocado la distribución de pesos de los captadores. Se ha realizado sobre la misma nube de puntos experimentales una recta de máximo ajuste lineal. 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 bastante bien, con un R=0.9455 y se puede aproximar por la ecuación que viene adjunta en la gráfica. Figura 71. Peso específico del captador solar plano frente a superficie En esta figura, como en la anterior, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados, pero, en el de ordenadas, lo que tenemos es el peso específico, medido en kilogramos/metro cuadrado, y, al igual que en la figura anterior, también se ha colocado la distribución con una nube de puntos. Pero para este caso, podemos observar que el R es bastante pequeño por lo que el ajuste no es para nada concluyente y no se puede sacar conclusiones aceptables. No obstante, hay que decir que la mayoría de captadores se encuentran entre 12 y 25 𝑘𝑔 𝑚2. Para el caso de captadores de tubos de vacío, tenemos un estudio para la totalidad de los captadores de la base de datos, 52. En la Figura 70, podemos observar que, al igual que en el caso de captadores solares planos, en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados y en el de ordenadas, el peso en kilogramos, y se colocado la distribución de pesos de los captadores. Se puede ver que, para el peso, la recta no se ajusta demasiado bien, sólo hemos obtenido un R=0.2325, con lo que no podemos ajustar de forma exacta con la recta. y = 0,3909x + 18,143 R² = 0,0361 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 0 2 4 6 8 10 12 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 81 Por otro lado, se ha analizado también el peso específico. En la Figura 71, como en la anterior, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados, pero, en el de ordenadas, lo que tenemos es el peso específico, medido en kilogramos/metro cuadrado, y, al igual que en la figura anterior, también se ha colocado la distribución con una nube de puntos. Pero para este caso, podemos observar también que el R es bastante pequeño, R=0.1358 por lo que el ajuste no es para nada concluyente y no se puede sacar conclusiones aceptables, y queda reflejado en que los captadores está repartidos por toda la gráfica. Podemos destacar únicamente que todos los captadores están por encima de 15 𝑘𝑔 𝑚2. Figura 72. Peso del captador de tubos de vacío frente a superficie Figura 73. Peso específico del captador de tubos de vacío frente a superficie y = 14,002x + 27,683 R² = 0,2325 0 20 40 60 80 100 120 140 160 012345 y = -4,4532x + 37,723 R² = 0,1358 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 012345 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 82 3.14. CAPACIDAD VS. ÁREA Por último, se va a analizar en profundidad la capacidad, que es otro parámetro importante dentro de la selección de un captador. Se ha realizado por separado el análisis del captador solar plano y del captador solar de tubos de vacío. Se ha intentado buscar una relación entre la capacidad del captador y la superficie del mismo. También parecía interesante comparar la capacidad por metro cuadrado frente a la superficie del captador. En el caso del captador solar plano, se ha realizado el estudio con información de 271 captadores, de los 332 posibles que tenemos en nuestra base de datos. Figura 74. Capacidad del captador solar plano frente a superficie En la Figura 74, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados y en el de ordenadas, la capacidad en litros, y se colocado la distribución de capacidades de los captadores. Se ha realizado sobre la misma nube de puntos experimentales una recta de máximo ajuste lineal. Se puede ver que, para la capacidad, la recta se ajusta bien, con un R=0.8123 y se puede aproximar por la ecuación que viene adjunta en la gráfica. En la Figura 75, como en la anterior, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados, pero, en el de ordenadas, lo que tenemos es la capacidad específica, medido en litros/metro cuadrado, y, al igual que en la figura anterior, también se ha colocado la distribución con una nube de puntos. y = 0,9378x - 0,4402 R² = 0,8123 0 2 4 6 8 10 12 0246810 12 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 83 Figura 75. Capacidad específica del captador solar plano frente a superficie Pero para este caso, podemos observar que el R es bastante pequeño por lo que el ajuste no es para nada concluyente y no se puede sacar conclusiones aceptables. No obstante, hay que decir que la mayoría de captadores se encuentran entre 0.5 y 1 𝑙 𝑚2. Para el caso de captadores de tubos de vacío, tenemos un estudio para un total de 34 captadores de la base de datos, de los 52 posibles. En la Figura 76, podemos observar que, al igual que en el caso de captadores solares planos, en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados y en el de ordenadas, la capacidad en litros, y se colocado la distribución de capacidades de los captadores. Se puede ver que, para la capacidad, la recta no se ajusta demasiado bien, sólo hemos obtenido un R=0.248, con lo que no podemos ajustar de forma exacta con la recta, tenemos una nube de puntos muy dispersa. Por otro lado, se ha analizado también la capacidad específica. En la Figura 77, como en el caso anterior, podemos observar que en el eje de abscisas tenemos la superficie, en metros cuadrados, pero, en el de ordenadas, lo que tenemos es la capacidad específica, medida en litros/metro cuadrado, y, al igual que en la figura anterior, también se ha colocado la distribución con una nube de puntos. Pero para este caso, podemos observar también que el R es bastante pequeño, R=0.0004 por lo que el ajuste no es válido y no se puede sacar conclusiones aceptables, y queda reflejado en que los captadores está repartidos por toda la gráfica. 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 78). Se observa que la mayoría de empresas se concentran en principalmente en la capital española, Madrid, en Cataluña, en la provincia de Barcelona, y destacar también Asturias, País Vasco y parte de Andalucía. y = 0,0168x + 0,7049 R² = 0,0124 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0246810 12 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 84 Figura 76. Capacidad del captador de tubos de vacío frente a superficie Figura 77. Capacidad específica del captador solar plano frente a superficie y = 0,982x + 0,1652 R² = 0,248 0 1 2 3 4 5 6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 y = 0,0155x + 1,0123 R² = 0,0004 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 012345 Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 85 Figura 78. Localización nacional de los fabricantes Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 86 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. 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, que son los que hemos estudiado en profundidad, ya que de los tubos de vacío no se recogió suficiente información en determinados parámetros y las conclusiones no serían las más adecuadas. En cuanto a la superficie del captador solar plano, vemos que donde se concentra mayor cantidad de captadores es cuando tienen menos de 2 𝑚2. Este rango de superficies parece ser óptimo en relación con la potencia generada y el espacio disponible donde se quiera instalar el captador. Dentro de los captadores solares planos la configuración más habitual es en parrilla, con más de un 70%, esta configuración favorece que se pueda estratificar la temperatura del captador con mayor volumen de circulación del agua por las ramificaciones del interior del captador y obtener un salto térmico de aproximadamente 10°𝐶 con un buen rendimiento. Con relación a la presión máxima de funcionamiento, tenemos que el valor más común es 10 bar, donde el 70 % de captadores tienen como presión máxima, ese valor. Por otro lado, también se estudió la temperatura máxima de funcionamiento, aunque al tener tan pocos datos, se ha decidido no tener en cuenta los resultados que se obtuvieron. Pudimos observar que, a la hora de estudiar el material de la placa, los valores eran parejos entre aluminio y cobre, aunque el 94 % de los modelos tienen tratamiento selectivo, ya que Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 87 proporciona a la superficie una mayor absortividad y menor emisividad. Por lo que podemos concluir, que hoy en día, aunque hay diferentes criterios para seleccionar el material, el tratamiento selectivo es básico en la fabricación de captadores. Tampoco 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. Con respecto al material de los tubos, para captadores solares planos tenemos que la totalidad de modelos, poseen tubos de cobre, probablemente, sea debido a que tienen buenas propiedades y son más baratos que los de acero inoxidable. Tras revisar los resultados a la hora de revisar el espesor del vidrio, vemos que los valores de espesor más comunes son 3,2 mm y 4 mm, sumando entre ambos, un 97% del total. En cuanto al aislamiento, el material aislante más utilizado debido a su relación conductividad térmica-precio es la lana mineral, tanto de roca como de vidrio. El espesor del aislamiento 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. Comentar también que el polietileno es bastante usado hoy en día con un 24% del total. Con respecto al peso en vacío del captador, se ha visto que el 78% de los captadores tienen un peso comprendido entre 30 y 50 kilogramos, destacando que tenemos la mayor cantidad de captadores en el intervalo de 35 y 40 kilogramos, con un 25% del total. Estudiando del mismo modo la capacidad del captador, se ha comprobado que, aunque mucha más disparidad en este estudio que el del peso, tenemos que el 79% de los captadores tienen una capacidad comprendida entre 1 y 2 litros, pero dentro de ese rango, todos los captadores están repartidos de manera uniforme. Una vez analizados los parámetros de manera individual, se estudiaron varias comparaciones de ellos. En el análisis del peso frente a la superficie, y del peso específico frente a la superficie, pudimos ver que, para el peso, la recta de máximo ajuste tenía un R=0.9455 y se pudo aproximar mediante una ecuación. Con respecto al peso específico pudimos observar que el R era bastante pequeño por lo que el ajuste no era para nada concluyente y no se podían sacar conclusiones aceptables. No obstante, hay que decir que la mayoría de captadores se encontraron entre 12 y 25 𝑘𝑔 𝑚2. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 88 En el análisis de la capacidad frente a la superficie, y de la capacidad específica frente a la superficie, pudimos ver que, para la capacidad, la recta de máximo ajuste tenía un R=0.8123 y se pudo aproximar mediante una ecuación, aunque de manera más inexacta que la del peso. Con respecto a la capacidad específica pudimos observar que el R era bastante pequeño por lo que el ajuste no era para nada concluyente y no se podían sacar conclusiones aceptables. No obstante, hay que decir que la mayoría de captadores se encontraron entre 0.5 y 1 𝑙 𝑚2. Por último, se realizó un mapa de localización de los fabricantes de captadores solares en el que se podía observar que la mayoría se concentran en zonas industriales como Madrid y Cataluña (Barcelona principalmente), también por la zona norte, Asturias, País Vasco, y en el sur, sobre todo Sevilla y Málaga, ciudades también industriales dentro de la región donde mayor demanda de captadores hay, Andalucía. Estudio del comportamiento de los captadores solares planos. Análisis de mercado. Juan Manuel Méndez Cote Página 89 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Klein S, Duffie J, Beckman W. “Transient considerations of flat-plate solar collectors”. Trans. of ASME: Journal Engineering for Power vol. 96A: 1974; p. 109–113. [2] Kalogirou S. “Solar energy engineering - processes and systems”. 1st edition: Elsevier: 2009. [3] VDI heat atlas. 2nd edition. Nueva York: Springer: 2010 [4] Fraisse G, Plantier C, Achard G. “Development and experimental validation of a detailed flat-plate solar collector model”. France 5th French and European TRNSYS User Meeting, 2003. [5] Liu B, Jordan R. “The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation”. Solar Energy 1960; 4 (3): p. 1–19. [6] Brandemuehl M, Beckman W. “Transmission of diffuse radiation through CPC and flat plate collector glazings”. Solar Energy 1980; 24(5): p. 511–513. [7] Duffie J, Beckman W. “Solar Engineering of Thermal Processes”. 4th ed. New York: Wiley Intercience; 2013. [8] Transparencias Energía Solar. Bloque II: Energía Solar Térmica Baja Temperatura. Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales. “Tema 1. Captador Solar Plano”. Grupo de Termotecnia. Departamento Ingeniería Energética. [9] ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica). “Informe ASIT: Mercado España 2015. Energía Solar Térmica.” 2015. [10] ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica). “Informe Mercado 2016. Energía Solar Térmica en España.” 2016. [11] ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica). “Guía ASIT de la Energía Solar Térmica” Mayo, 2010. [12] AEMET (Agencia Estatal de Meteorología). “Atlas de Radiación Solar en España utilizando datos del SAF de Clima de EUMETSAT”. 2012. [13] Agencia Andaluza de la Energía. “Energía Solar Térmica a Baja Temperatura: Generalidades”. 2011. [14] Rodríguez Caballero M., “Análisis de modelos de un captador solar plano en régimen transitorio”. Trabajo Fin de Master, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. 2016.