Rendimiento del colector solar térmico
Explicación sobre la curva de rendimiento de un captador o panel solar térmico. Aclaración sobre el concepto de eficiencia. Captadores en serie y paralelo.
Forma parte del Contenido de aula solar térmica
Nota #1: Si tu consulta es sobre ahorro energético mira en este enlace
Nota #2: Si es sobre aspectos económicos entra aquí
Nota #3: Si es sobre el rendimiento del colector térmico frente al panel fotovoltaico, lee esta introducción
Rendimiento
El rendimiento de un colector solar térmico se mide de la misma manera que el de cualquier otra máquina: energía empleada para realizar su trabajo y energía devuelta en forma útil para nuestro propósito, ya sea calor, fuerza motriz, luz o de cualquier otra cosa. Para aclarar ideas también podríamos definirlo como aprovechamiento o comportamiento energético. Esperamos que en esta lectura, este concepto quede lo bastante claro como para poder enfrentarnos a un catálogo o a una hoja de características de cualquier fabricante con el suficiente criterio.
En el caso de un captador térmico, el frío del ambiente en el que se encuentra instalado ( ta ); la temperatura del fluido que lo recorre interiormente ( tm ) y la Intensidad con la que es calentando por el sol en un momento determinado ( w/m2 ), son los tres factores externos que conforman este valor clave para determinar las cualidades térmicas de un colector solar. Además existe un conjunto de factores propios como son el diseño y los materiales que lo conforman, de los que hablamos más adelante, que juegan un papel decisivo en la entrega del calor recibido y que pueden aportar o restar valor a las capacidades del captador; en definitiva, a su rendimiento.
Es decir, si en un instante determinado podemos saber que estamos recibiendo, solo a modo de ejemplo, 100 watios por cada metro cuadrado de superficie colectora pero solo utilizamos 80 w/m2 para calentar el fluido circulante, perdiendo el resto de la potencia, el aprovechamiento obtenido del captador en ese instante es del 80%. Lo explicamos detenidamente en esta página.
Hemos de dedicar también una parte de esta lectura a las configuraciones serie y paralelo que aportan además un complemento a la explicación sobre la captación de la energía del sol.
Curva de rendimiento
-La forma constructiva de los colectores solares térmicos es determinante para la mayor o menor captación de calor y, junto con los factores externos citados, conforman la expresión conocida como curva de rendimiento de la placa solar que en lo sucesivo llamaremos “ R “.
-Llamamos “ b ” al factor que define la capacidad de ser calentado por el sol y “ m ” al factor que define la capacidad de perder ese calor. Estas dos variables son un dato imprescindible que debe ser proporcionado por el fabricante junto con el resto de características del colector.
-El “R” que proporciona un colector en un determinado momento es expresado matemáticamente de la siguiente forma:
R = b-m ( tm-ta)/ I
El gráfico compara el comportamiento de dos captadores térmicos. En un mismo punto de las condiciones de trabajo, el rendimiento de ambos es distinto
Esta comparativa puede servir para aclarar algo más el tema. ( tm-ta)/ I es el eje que define las condiciones de trabajo y a medida que nos alejamos del eje R, estas son más adversas. El colector #1 parte de un factor b más bajo que el #2, sin embargo, si nos desplazamos hasta la linea de puntos que parte del eje horizontal señalando unas mismas condiciones de trabajo para ambos, el punto correspondiente de cada uno de ellos en el eje vertical es diferente: el colector #1 ofrece un rendimiento mayor que el #2.
Esto significa que el #2 tiene un factor o coeficiente de pérdidas m mayor que el #1 y, por tanto, su respuesta energética será más pobre en condiciones adversas de trabajo, como sería, por ejemplo, una alta tm de la placa de absorción.
Hablando de valores reales y muy habituales en el mercado, podemos asignar al #1 factores b y m de 0,6 y 3 respectivamente y, al #2, de 0,8 y 5. Como vemos, aparentemente, el colector #2 puede resultar más potente porque es capaz de captar más calor con su elevado factor b, pero esto solo ocurrirá si las condiciones de trabajo son favorables, puesto que su indice de pérdidas m hará bajar su temperatura si el escenario es desfavorable, mientras que el #1 mantendrá el tipo y seguirá trabajando con gran rendimiento aún en condiciones de poca oferta de calor solar.
Estos valores asignados aleatoriamente son, como hemos dicho, bastante comunes, aunque se pueden encontrar captadores con indices de pérdidas aún menores y realmente buenos, pero la física es tozuda y en ella no hay lugar para los milagros, de tal forma que podríamos decir que ambos factores ( b y m ) están muy unidos entre sí, dándose la circunstancia de que cuando un fabricante ha conseguido un diseño con muy bajo factor de pérdidas, ha tenido que sacrificar en parte el factor de ganancia.
Toda este razonamiento es válido para todos los tipos de colectores; los existentes en el mercado y los que se inventen en el futuro, ya sean planos, tubos de vacío, con placa de cobre, de acero inoxidable, aluminio, con o sin pintura selectiva, etc. El comportamiento de todos ellos queda definido por la curva de rendimiento. Leer mas abajo la definición de la expresión cuadrática y la comparación con la ecuación lineal de la que hemos hablado.
Rendimiento y eficiencia
Debemos explicar en este momento que hemos elegido la palabra “ rendimiento ” y la emplearemos constantemente sin mezclarla con “eficacia” o “eficiencia” por que estos términos llevan incluida la variable “ tiempo ”. Es decir, el mismo trabajo realizado en menos tiempo sería un trabajo con mayor eficacia. Es cierto que se emplean de forma indiscriminada sin problemas de comprensión en cualquier conversación entre personas, pero hacemos esta aclaración por si esto puede ser un motivo más de confusión para el lector.
En la expresión matemática de arriba no contamos con este factor, solo potencia solar, temperaturas y características del panel, sin embargo cuando hablamos por ejemplo, del intercambiador de calor , “ eficacia “ es una de las primeras palabras que aparecen, debido a que lo que necesitamos es rapidez para enfriar el caloportador y extraer la mayor cantidad de calor en el tiempo que el fluido que llega desde el campo de colectores, emplea en atravesar este elemento. Por tanto entendemos que la expresión “ curva de eficiencia ” no es del todo acertada cuando nos referimos al captador térmico, aunque insistimos en que se emplea con mucha frecuencia. Esto es solo una pequeña puntualización según nuestro modesto entender.
Ecuación cuadrática
Hemos insistido hasta ahora en que la expresión matemática de arriba que define “ R “ ( aunque dé como resultado una linea recta, también se denomina “curva”) sirve para un instante determinado, es decir, define los efectos de la mezcla entre las condiciones de trabajo y las prestaciones del colector en un momento concreto sin expresar lo que ocurre en el siguiente instante en el que las condiciones en que trabaja no son las mismas ya que, por ejemplo, la temperatura de la placa habrá variado y por tanto, el resultado de “ R “ no sería el mismo.
Para esto existe una expresión matemática que define con más exactitud el comportamiento del captador. Es obligado comentarla debido a que es la que proporcionan las entidades acreditadas para homologar los captadores térmicos y además para que el lector sepa cómo relacionarla con la expresión que hemos comentado más arriba. Como acostumbramos aquí, no profundizaremos en la explicación matemática, tratando de ofrecer una visión comprensible para todos.
R0 = a0
R1 = a0 - a1x[(tm-ta) / I ]
R2 = a0 - a1x[(tm-ta) / I ] – a2x[( tm – ta)x(tm–ta)/ I]
R3 = a0 - …………………………………………………………………….. a3x[( tm – ta)x(tm–ta)/ I]
Esta expresión da como resultado la curva R que puede verse en la imagen de abajo y, por decirlo de forma más sencilla posible es una sucesión de infinitas y diminutas líneas rectas como R1, pero en la que cada una de ellas es un poco más inclinada que la anterior y menos que la siguiente puesto que según se alejan del eje vertical de la izquierda, las condiciones de trabajo [(tm - ta) / I ], tienen un efecto más y más negativo sobre el rendimiento del captador solar.
La gráfica curva es la sucesión de infinitas R1. Cada R1 sería un punto en peores condiciones de trabajo que el anterior y mejores que el siguiente.
Aún a riesgo de resultar reiterativos y esperando que toda la explicación anterior haya sido eficaz, tenemos que insistir en que la elección o la evaluación de un colector térmico no ha de hacerse en función de las excelencias que aparecen en el texto de los catálogos. En éstos puede verse frecuentemente la capacidad de absorción o absortancia como uno de los principales reclamos debido a que este factor suele ser muy alto ( del 90% aprox. ) en casi todos los captadores, pero es solo una característica de la pintura con la que se recubre la placa absorbedora y se refiere a la capacidad de absorber luz reflejando solo una pequeña cantidad. Esta cualidad es excelente, pero insistimos en que se refiere exclusivamente al recubrimiento selectivo de la placa.
Otra cualidad frencuentemente destacada suele ser una cifra concreta de kwh aportados anualmente. En relación a esto tenemos que decir que hay demasiadas variables como para ofrecer una cifra sin más consideraciones y remitimos al lector a otras páginas de esta web en la que hablamos de aplicaciones de la energía solar como ACS, calefacción por radiadores, suelo radiante o piscinas.
Por todo lo dicho anteriormente, la curva de rendimiento debe ser la única referencia para saber si un colector térmico se adapta a nuestras necesidades, con independencia de sus características hidráulicas o de robustez.
Razonando sobre rendimiento de colectores térmicos en serie o paralelo
-En este punto tenemos que abordar alguna de las diferencias existentes entre la conexión de colectores en paralelo ( el caudal total se divide en partes iguales entre todos) y en serie ( el caudal total circula por cada uno de ellos). Esto supone una complicación añadida a la comprensión del concepto de incremento de temperatura, pero ayudará a entender aún mejor la captación de energía solar térmica aunque ya hayamos hablado de ello en otra sección.
-Cada captador conectado en paralelo con otro, calienta una parte del caudal total; en caso de que la conexión fuera en serie, es decir, el caudal que ha aumentado su temperatura en el primero, pasa íntegramente a través del segundo y así hasta atravesar el interior de todos los colectores conectados en serie, ocurre lo siguiente:
El segundo colector trabaja con una “tm” (temperatura media de la placa) superior a la del primero y por tanto, las condiciones de trabajo empeoran aún manteniendo el mismo sol y la misma tmp ambiente; por tanto su rendimiento es menor.
El aumento de temperatura en el segundo colector es menor que en el primero, pero ambos se suman.
El tercer panel trabaja con una “tm” superior a la del segundo, por tanto disipa más calor y su rendimiento es menor que el del segundo y así sucesivamente.
-El aprovechamiento de energía total del conjunto se reduce enormemente, lo que significa que captaremos mucha menos de la que captaríamos con los colectores conectados en paralelo, pero a veces el aumento de temperatura final justifica este tipo de conexiones (en ocasiones se emplea en refrigeración industrial). Existe un límite más o menos aceptado convencionalmente de aproximadamente 4 colectores en serie a partir del cual, el descenso de las prestaciones del conjunto y los problemas hidráulicos que se producen dejan de justificar esta forma de conexión. Este límite, como podrá suponer el lector está en función de las propias características del captador. Según el caso, podrá ser inviable montar una serie de más de tres unidades y en otros las posibilidades pueden ser de hasta seis paneles, puesto que algunos fabricantes diseñan modelos específicamente para este fin.
-La conclusión más inmediata es que si se necesita realizar una conexión en serie deberemos elegir un colector con un factor de pérdidas “ m ” lo más bajo posible además de una baja resistencia hidráulica o pérdida de carga, cosa de la que hablaremos más adelante. Y esta conclusión nos lleva a otra aún más sencilla: los captadores elegidos para este tipo de montajes deben ser de gran calidad.
Resumiendo
La ecuación lineal del rendimiento de un colector solar térmico describe una linea recta.
La ecuación cuadrática describe una línea curva que lo define con más exactitud en función de las condiciones de trabajo del colector solar.
Está demás decir que para establecer una comparativa entre captadores de distinto tipo o marca, hay que utilizar la misma curva para todos ellos: lineal o cuadrática.
El incremento de temperatura conseguido con una disminución de caudal de fluido caloportador no incrementa la energía captada. Para los ya iniciados es una obviedad, pero hay que decirlo.
La conexión de colectores en serie conlleva una disminución progresiva de aprovechamiento de energía solar en cada nuevo colector añadido.
Creada