Cálculo de Rendimiento y Fracción Solar en Instalaciones de Captación Térmica

Balance Energético y Fracción Solar

P_perdidas = P_incidente - P_útil

T_reducida = (T_f - T_amb) / IC

η_a - η_b = -U_L(T_reducidaA - T_reducidaB)

3 + 10 = 4 + 6 + 7 + 8 + 9     (Pérdidas del intercambiador)

La fracción solar anual es la relación entre la energía aportada anualmente por la instalación (Q_S) y la demanda térmica anual total de agua caliente sanitaria:

La energía aportada anualmente por la instalación (Q_S) puede obtenerse directamente del apartado (10), pues es la energía solar cedida a los usuarios: Q_S = (10) = xxx kWh.

Cálculo de Pérdidas por Sombras

El factor de llenado (fracción oculta respecto del total de la porción) de las porciones que resultan total o parcialmente ocultas por el perfil de obstáculos es:

• Porciones A1 y A2: 1
• Porción A3: 0,75
• Porciones B1, B2 y B3: 0,5

Para la tabla con β=35º y α=0º, las porciones valen A1=3,17; A2=3,17; A3=2,7; B1=2,12; B2=2,12 y B3=1,88.

Pérdidas por sombras (% de irradiación global incidente anual):

= 1*(A1+A2) + A3*0,75 + (B1+B2+B3)*0,5

= 1*(3,17+3,17) + 2,7*0,75 + (2,12 + 2,12 + 1,88)*0,5 = 11,425%

La irradiación anual que recibe dicha superficie captadora considerando las pérdidas por sombras será: 1721 kWh/m² * (1 - (11,425/100)) = 1524,82 kWh/m².

Determinación del Rendimiento mediante el Método Transitorio

Se utilizará el método transitorio, con lo cual la potencia neta NO será nula pues:

Por el contrario, se cortocircuitará la entrada y la salida, de tal forma que la temperatura de entrada y de salida serán iguales. De esa forma, será la potencia útil la que será nula:

De acuerdo con la ecuación de la potencia útil, esta es la que será nula y el rendimiento lo podemos obtener en función de la potencia neta como:

Por tanto, el problema se basa en determinar la potencia neta, para lo cual debemos calcular la derivada de la tensión de salida con respecto al tiempo. Para ello mediremos, una vez el equipo en marcha y con el agua circulando por el captador, la temperatura de salida en intervalos de tiempo exactos (2 min), con la finalidad de medir dicha derivada de forma discreta.

Realmente, para el cálculo de la potencia neta no utilizábamos la temperatura de salida, pues aunque la entrada y la salida estaban cortocircuitadas, no eran exactamente iguales. Por este motivo, trabajábamos con la temperatura media (T_m). El volumen de fluido V_c dentro del captador era conocido, con lo que sabiendo la densidad del agua (ρ_c), se determinaba la masa de fluido necesaria en la ecuación de P_neta como m = ρ_c * V_c. Además, el calor específico c_e era conocido, con lo cual la potencia neta se podía calcular fácilmente:

Donde ΔT_m es el incremento que experimenta la temperatura media en cada intervalo de tiempo exacto Δt = 120s.

Medición y Procesamiento de Datos

Las medidas las realizábamos con una irradiancia y un caudal fijos. El área era conocida, por lo que todos los datos de la ecuación de P_neta estaban disponibles. Las medidas de temperatura de entrada, salida y ambiente se realizaban con una Pt100 (sensor resistivo), midiendo la resistencia con un multímetro.

Finalmente, representábamos en Excel el rendimiento obtenido a partir de P_neta en función de la temperatura reducida calculada como:

Dado que:

El resultado era una tendencia lineal con pendiente negativa. Estos puntos los ajustábamos a una recta cuya pendiente negativa era el coeficiente global de pérdidas (U_L) y la ordenada en el origen era el rendimiento óptico (η₀).