1
Energía
solar y transmisión de calor
Los
contenidos del tema son
1.1 Conceptos
elementales de astronomía en cuanto a la
posición solar
1.2 Conversión
de la energía solar.
Energía
incidente sobre
una superficie plana inclinada
1.3 Orientación
e inclinación óptima anual, estacional y diaria
1.4 Radiación solar F-Chart y dinámico 1.5 Cálculo 1.6 Efecto
Se
y métodos de cálculo.
Método
de cálculo
sombreamientos externos y entre captadores
invernadero en un colector
incluyen ejemplos, casos prácticos, un cuestionario y
ejercicios propuestos
!
Definición
Energía: capacidad que tiene un sistema para realizar un trabajo.
El hecho de realizar un trabajo significa que hemos utilizado una energía, que puede ser: mecánica (movimiento), variación de temperatura, calentamiento de una materia, transmisión de ondas.
En nuestro caso la energía solar es aquella que emite el sol y que es recogida por un colector (captador o placa solar), para su aprovechamiento en calor, en forma de agua caliente sanitaria (ACS) climatización de viviendas o piscinas, calefacción o refrigeración, secado, etc. Las unidades empleadas en energía son: en el sistema internacional es el Joule1, que es la potencia realizada en un periodo de tiempo: Energía = potencia realizada para efectuar un trabajo $ periodo de tiempo 1J=W·s Donde: J; Joule o julio W; vatio s; segundo Existen otras unidades en energía, que aunque no están catalogadas en el sistema internacional, se siguen utilizando, como kcal, kW · h. 1 J = (0,239 cal) redondeando 0,24 cal 1 cal = 4,18 J 1 kcal = 4,18 kJ = 0,00418 MJ 1 termia = 1.000 kcal 1 kW · h = 3.600.000 J = 3.600 kJ = 3,6 MJ Otra magnitud empleada en los sistemas solares térmicos es la potencia, que es el trabajo realizado en unidad de tiempo, en el sistema internacional su unidad es el W: Potencia =
1 W=
trabajo realizado por una fuerza tiempo necesario para realizarlo
J s
Existen otras unidades en potencia, que aunque no están catalogadas en el sistema internacional, se siguen utilizando: CV = caballo de vapor = 736 W HP = horse power = 746 W (se utiliza en el Reino unido) kcal/h = kilocaloría/hora = 1,163 · 10-3 kW kJ/h = kilojulio/hora = 1.000 J / 3.600 s = 0,277 J/s = 0,277 W MJ/h = megajulio/hora = 1.000.000 J / 3.600 s = 277,77 J/s = 277,77 W 1 Como el julio es una unidad muy pequeña se suele utilizar el kJ y el MJ, o sea 1.000 J y 1.000.000 J, respectivamente, para la medición de la energía eléctrica consumida en una vivienda se utiliza el 1 kW · h. 10
El calor es una forma de energía, y se transmite de la siguiente forma: • Conducción. El calor entre dos cuerpos es transmitido por contacto directo. Un ejemplo representativo es una barra metálica calentada en una fuente de calor, se observa que el calor tiende a desplazarse por toda la barra. • Convección. En este caso, el calor se transmite a través de un fluido que puede ser líquido o gas. Un ejemplo característico es el radiador de calefacción, que calienta el aire y lo distribuye por la sala, este fenómeno también se llama convección natural. • Radiación. El calor se transmite sin contacto entre los cuerpos. Un ejemplo característico, y que vamos a estudiar, son las placas solares térmicas, que reciben la radiación solar y dentro del captador la transforman en calor.
1.1 Conceptos
elementales de astronomía en cuanto a la
posición solar Para poder efectuar una instalación solar térmica, debemos poder predecir, aunque sea de forma aproximada, la situación dónde vamos a instalar los captadores solares térmicos. Por otra parte no siempre vamos a disponer de aparatos adecuados, lo que significa que debemos tener un mínimo de conocimientos sobre las relaciones del sol-tierra y de cómo influyen en la radiación que recibimos a lo largo de todo un día, o de un año. Equinoccio de primavera 21 de marzo N
Solisticio de verano 21 de junio
S
N
N - 23,45º
S
Solisticio de invierno 21 de diciembre
S Equinoccio de otoño 21 de septiembre
Fig. 1.1 Movimiento de la tierra con respecto al sol
Tal como se representa en la Fig. 1.1 la tierra gira alrededor al sol describiendo un movimiento llamado traslación, éste dura un año, 365 días aproximadamente. También tiene un movimiento llamado rotación, en el cual la tierra gira sobre sí misma con una duración de un día, o sea aproximadamente 24 horas. El eje de rotación tiene un ángulo llamado ángulo de declinación, que es fundamental porque de él depende el clima de la tierra.
11
solar y transmisión de calor
N
1 Energía
+ 23,45º S
1.1.1 Definición
de parámetros
Para conocer mejor como influye la radiación solar sobre una superficie inclinada y su orientación, es necesario definir los siguientes parámetros: • Declinación solar, Fig. 1.2.
solar.
Ángulo que forma la tierra-sol y el plano del ecuador al mediodía
Polo norte Declinación solar δ = ± 23,45º
Plano del ecuador
Polo sur
Fig. 1.2 Declinación solar
Para un ángulo de declinación δ = -23,45º, estamos en el solsticio de invierno en el polo norte y en solsticio de verano en el polo sur. Para un ángulo de declinación δ = +23,45º, estamos en el solsticio de verano en el polo norte y en solsticio de invierno en el polo sur. En los equinoccios, que son las estaciones de primavera y otoño, el ángulo δ de declinación = 0. El ángulo de declinación puede obtenerse por la fórmula, muy aproximada, de Cooper: δ = - 23, 45 sen e360 $
284 + n 365
o siendo n el día del año, del 1 al 365
• Latitud. Ángulo que forman la vertical del punto geográfico que se considere y el plano del ecuador φ.
Polo norte
φ Ecuador Punto geográfico
Polo sur
Fig. 1.3 Latitud
12
• Ángulo horario, ω. Resultado de dividir los 360º de la circunferencia entre las 24 horas que tarda la tierra en girar sobre sí misma (rotación), esto nos da 15º cada hora. Por regla general, se toma como origen el mediodía solar, siendo las mañanas positivas y las tardes negativas. A parte del ángulo horario, conviene recordar el concepto de hora solar que no coincide con la hora local. Como ya sabemos, la hora solar siempre suele estar retrasada 1 ó 2 horas, dependiendo de si la estación donde nos encontramos es otoño-invierno o primavera-verano, respectivamente.
Ejemplo Hallar el valor del ángulo horario a las 11 horas de la mañana, hora solar, y a las 16 horas y 30 minutos de la tarde, hora solar. Considerando que: Por la mañana el ángulo horario ω es positivo. Al mediodía el ángulo horario ω es igual a 0. Por la tarde el ángulo horario ω es negativo. Si tomamos como origen el mediodía, según la definición se observa que de las 11 horas hasta las 12 horas va +1 hora del mediodía. ω = 1 · 15º = 15º Tomando como origen el mediodía observamos que de las 16:30 horas hasta las 12 horas van 4,5 horas. ω = 4,5 · (-15 º) = -67,5º
• Ecuación del tiempo. Factor que corrige la hora solar debido a las perturbaciones de la órbita terrestre. A modo de explicación comentaremos que el sol pasa antes, después o en el momento exacto, por el meridiano del lugar a la misma hora. 15 junio
14 mayo
16 abril
1 septiembre
11 f ebrero
solar y transmisión de calor
26 julio
3 noviembre
1 Energía
26 diciembre
Fig. 1.4 Gráfico de la ecuación del tiempo
13