Mecanismos de transmisión del calor

Conducción: transmisión de calor propia de los elementos sólidos, en su interior o entre sólidos en contacto. Se produce por el contacto directo entre las moléculas del material o por el movimiento de los electrones en los metales. El flujo calorífico se dirige desde las zonas de mayor temperatura a las de menor temperatura. La velocidad de transmisión de calor por conducción depende del diferencial de temperatura (∆T), de la superficie y grosor del sólido y de su material de composición (λ): Q = λ * (T2 – T1) / ∆x * S.

Convección: es la transmisión de calor que se produce por el movimiento de un fluido debido a las diferencias de densidad causadas por la temperatura. Es propia de los líquidos y gases. Su caracterización matemática es muy compleja: Q = h * (T2 – T1) / S, donde h es el coeficiente de transmisión de calor, que depende de la composición del fluido, de la geometría del sólido y del tipo de movimiento del fluido.

Radiación: es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, sin que se requiera un medio de transporte. Cualquier cuerpo emite radiación en todas direcciones, pudiendo ser de diferentes longitudes de onda. Cuando alcanza otro cuerpo, puede ser reflejada, absorbida o transmitida: Q = ε * σ * T^4 * S. Donde ε es la emisividad.

Tipología y clasificación de las instalaciones solares

• Principio de circulación:
  • Circulación natural o termosifón
  • Circulación forzada mediante bombeo
• Sistema de intercambio:
  • Sistemas directos
  • Sistemas indirectos en doble circuito
• Integración de los componentes:
  • Integrado, con captador y depósito en el mismo componente
  • Compacto con captador y depósito montados en una unidad
  • Partido, con captador y depósito separados
• Sistema de energía auxiliar:
  • Instantáneo o en línea
  • En depósito de acumulación secundario
  • En depósito de acumulación solar
• Grado de distribución en edificios multifamiliares (captación centralizada):
  • Acumulación centralizada, sistema auxiliar centralizado
  • Acumulación centralizada, sistema auxiliar distribuido
  • Acumulación distribuida, sistema auxiliar distribuido

Captador solar plano

La radiación emitida por el Sol alcanza el captador. En el absorbedor se convierte en calor y se transmite por conducción hasta los tubos por los que circula el fluido de trabajo. Desde la superficie interna de los tubos se transmite por convección al fluido, que finalmente extrae el calor por convección (natural o forzada). El absorbedor es de aluminio y cobre.

Captador tubos de vacío

Cuota de mercado inferior, reducción de las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio. Mayores costes de producción. Alcanza temperaturas mayores y mayor rendimiento. Carece de aislante. Se pueden distinguir tres tipos:

1. Flujo directo: el absorbedor es en forma de aletas, se puede girar un cierto ángulo y se pueden colocar en horizontal.
2. Heat Pipe: absorbedor unido a un tubo de calor que contiene un fluido, el cual se evapora en un vacío parcial al recibir el calor captado por el absorbedor. El vapor asciende hasta un conducto donde cede su calor al fluido del circuito primario. A continuación, el fluido del captador retorna al interior del tubo en forma de líquido.
3. Sidney: vidrio exterior e interior, absorbedor, fluido de mayor temperatura y de menor temperatura, y reflectores. Es un doble tubo de vidrio, entre los cuales se realiza el vacío. El absorbedor es cilíndrico, más al interior circula el fluido de trabajo en un doble circuito de ida y vuelta. Los reflectores son para que la superficie trasera reciba la radiación.

Estructura de un sistema solar termoeléctrico

Hay 4 tipos: CPP, torre, Disco Parabólico y chimenea. Los 3 primeros suelen constar de 3 subsistemas: sistema de captación, sistema de producción de calor y subsistema de producción eléctrica. Opcionalmente, pueden contar con un subsistema de almacenamiento térmico.
CPP: espejos dispuestos en hileras lineales en forma de parábola, en cuyo foco se encuentra el colector por el que circula el fluido térmico. Tiene un dispositivo de seguimiento de eje, orientación en dirección norte-sur y el seguimiento del sol se hace de este a oeste. Para ello, el concentrador rota alrededor de su eje de simetría, paralelo al tubo colector. El tubo absorbedor está formado por 2 tubos concéntricos, uno metálico que contiene el fluido y uno externo de vidrio que lo protege y aísla. DSG: el fluido es agua, menos contaminante, mayor presión.
Torre central: ubicación del receptor en lo alto de una torre. El sistema de captación está constituido por un conjunto de grandes espejos «helióstatos» de dos ejes que pueden orientarse hacia la posición del sol. Todos ellos dirigen la luz hacia el receptor donde se produce el calentamiento del fluido (gas).
Disco parabólico: el receptor óptico es un gran disco que concentra la luz en un punto donde se sitúa el fluido absorbedor. Tiene 2 ejes.
Chimeneas solares: constituidas por un gran campo de invernaderos situados alrededor de una enorme chimenea que puede llegar a medir centenares de metros de altura. En su interior hay una turbina que gira al paso de las corrientes de aire. Cuando el aire del interior del invernadero se calienta, sube a gran velocidad por la chimenea, mueve la turbina y acciona un generador eléctrico. No utiliza vapor.

Otras aplicaciones

A) Calor para aplicaciones industriales: obtención de diferentes productos que requieren temperaturas entre unos 100-2000 grados Celsius, se hace posible utilizando energía solar concentrada, como el secado de grano o cereales o calentar un fluido.
B) Destoxificación de aguas: las necesidades de agua potable crecen día a día, pero los recursos hídricos son limitados. Tanto el tratamiento de gases contaminados como el de suelos degradados y la descontaminación de agua requieren mucha energía que hay que producir y que también es limitada. Por eso, utilizamos energía térmica que es renovable. La oxidación química con luz produce agentes oxidantes muy potentes que convierten contaminantes no biodegradables en inócuos. En Norteamérica eran CPP por donde el agua circulaba por el tubo receptor de la luz concentrada.
C) Obtención de agua potable mediante desalación: requiere un gran aporte de energía y ha de ser de origen renovable. Los sistemas de desalinización pasivos utilizan la energía solar para separar el agua de la salmuera mediante evaporación.
A) Solar Stills: piscina de almacenamiento para el agua de mar rodeada por una cubierta transparente. Por el efecto invernadero en el interior del recinto se alcanza una temperatura que hace que el agua se evapore y dicho vapor condense con la cubierta, se desliza y se almacena. Gran simplicidad, grandes superficies.
B) MED: aprovecha el calor latente que el agua evaporada cede en la cubierta al condensarse, utilizándose para evaporar más líquido situando otro recipiente de agua salada sobre la cubierta del primero. Están compuestos por un campo de colectores (CPP), un sistema de almacenamiento térmico y un bloque de desalación.
C) MSF: «Evaporación Flash», tiene lugar cuando un líquido a una temperatura similar a la temperatura de ebullición experimenta una reducción de presión, el líquido se evapora y se extrae del sistema por evaporación. Se repite sucesivamente disminuyendo la temperatura y la presión.
D) Osmosis inversa alimentada por energía solar o energía eólica. El agua salada se bombea a presión a través de una membrana semipermeable que retiene el líquido con mayor concentración salina, dejando pasar el agua destilada. La electricidad que mueve la bomba se obtiene con energía solar o eólica.