S. L. Innovación y Cualificación - Replanteo de instalaciones solares térmicas. ENAE0208

Para aprovechar al máximo esa radiación solar, la orientación de los captadores se hace hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur, es decir, siempre se instalarán mirando al Ecuador.

Nota

Conocer la posición que ocupa el Sol en cualquier momento del día es importante porque así se puede conocer cuál es el ángulo de incidencia de la radiación y, por tanto, el comportamiento de las sombras proyectadas por los objetos, lo que, junto con las medidas de la radiación realizadas, son la base de los cálculos solares.

Los principales parámetros que definen la posición del Sol son:

1 Azimut (A): es el ángulo que forman la proyección de los rayos solares sobre un plano tangente a la superficie terrestre y el sur geográfico. Cuando el Sol se encuentra exactamente sobre el sur geográfico (mediodía solar), el azimut tiene valor 0.

2 Altura solar (h): es el ángulo que forman los rayos solares con la horizontal cuando llegan a la superficie de la Tierra.

Sabía que...

Cuando para averiguar dónde está el sur se emplea una brújula, lo que se obtiene con ella es el sur magnético, no el sur verdadero (el geográfico).

La localización del sur geográfico puede realizarse de la siguiente forma:

1 Unas 2 o 3 h antes del mediodía, se coloca en el suelo una varilla vertical (gnomon), se mide su sombra y se hace una señal.

2 Con la medida de la sombra, se traza en el suelo un círculo.

3 Cuando por la tarde la sombra de la varilla vuelva a tener la medida del círculo, se hace otra señal.

4 Se unen ambas señales con una recta. Mirando desde ella hacia la varilla, tenemos el sur geográfico.

Estos valores son calculables, pero es más frecuente tomarlos de tablas en las se recogen los valores correspondientes a un determinado lugar.

En la tabla de coordenadas solares aparecen los datos de altura y azimut para el día 1 de cada mes del año y a diferentes horas del día. Hay que tener en cuenta que la órbita descrita diariamente por el Sol en el cielo es simétrica (en estas tablas, al mediodía solar se le asigna el valor 0) y que la alzada solar máxima coincide con el mediodía solar. Esto hace que los datos de altura sean iguales para los intervalos de tiempo que transcurren anteriores y posteriores al mediodía. Lo mismo ocurre con el azimut, pero para distinguirlos, se coloca delante el signo negativo (−) si es antes del mediodía (dirección este) y positivo (+) si es después del mediodía (dirección oeste).

El captador solar térmico aprovecha parte de la radiación solar que incide sobre este, de ahí la importancia de su cálculo para su aprovechamiento.

Para el dimensionado de las instalaciones de energía solar térmica existen diversos métodos de cálculo, de los cuales el más extendido es el método F-Chart de simulación dinámico.

Para el dimensionado de las instalaciones de energía solar térmica se sugiere el método de las curvas f (F-Chart), que permite realizar el cálculo de la cobertura de un sistema solar, es decir, de su contribución a la aportación de calor total necesario para cubrir las cargas térmicas, y de su rendimiento medio en un largo período de tiempo.

Ampliamente aceptado como un proceso de cálculo suficientemente exacto para largas estimaciones, no ha de aplicarse para estimaciones de tipo semanal o diario. Para desarrollarlo se utilizan datos mensuales medios meteorológicos, y es perfectamente válido para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones de calentamiento, en todo tipo de edificios, mediante captadores solares planos. Su aplicación sistemática consiste en identificar las variables adimensionales del sistema de calentamiento solar y utilizar la simulación de funcionamiento mediante ordenador, para dimensionar las correlaciones entre estas variables y el rendimiento medio del sistema para un dilatado período de tiempo.

La ecuación utilizada en este método puede apreciarse en la siguiente fórmula:

f = 1,029 D 1– 0,065 D 2– 0,245 D 1 2+ 0,0018 D 2 2+ 0,0215 D 1 3

La secuencia que suele seguirse en el cálculo es la siguiente:

1 Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento de agua destinada a la producción de A.C.S. o calefacción.

2 Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada del captador o captadores.

3 Cálculo del parámetro D1.

4 Cálculo del parámetro D2.

5 Determinación de la gráfica f.

6 Valoración de la cobertura solar mensual.

7 Valoración de la cobertura solar anual y formación de tablas.

Las cargas caloríficas determinan la cantidad de calor necesaria mensual para calentar el agua destinada al consumo doméstico, calculándose mediante la siguiente expresión:

Q a= C eCN (t ac− t r)

Donde:

1 Qa = Carga calorífica mensual de calentamiento de A.C.S. (J/mes)

2 Ce = Calor específico. Para agua: 4187 J/(kgA°C)

3 C = Consumo diario de A.C.S. (l/día)

4 tac = Temperatura del agua caliente de acumulación (°C)

5 tr = Temperatura del agua de red (°C)

6 N = Número de días del mes

El parámetro D 1expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes:

D 1= Energía absorbida por el captador / Carga calorífica mensual

La energía absorbida por el captador viene dada por la siguiente expresión:

E a= S cF rN(τα) R 1N

Donde:

1 Sc = Superficie del captador (m2)

2 R1 = Radiación diaria media mensual incidente sobre la superficie de captación por unidad de área (kJ/m2)

3 N = Número de días del mes

F’r(τα) = Factor adimensional, que viene dado por la siguiente expresión:

F’ r(τα) = F r(τα) n[(τα) / (τα) n] (F’ r/ F r)

Recuerde

La cantidad de calor necesaria mensual para calentar el agua destinada al consumo doméstico se calcula mediante la siguiente fórmula:

Qa = Ce C N (t ac– t 2)

Donde:

1 Fr (τα)n = Factor de eficiencia óptica del captador, es decir, ordenada en el origen de la curva característica del captador.

2 (τα) / (τα)n = Modificador del ángulo de incidencia. En general se puede tomar como constante: 0,96 (superficie transparente sencilla) o 0,94 (superficie transparente doble).

3 F’r / Fr = Factor de corrección del conjunto captador-intercambiador. Se recomienda tomar el valor de 0,95.

El parámetro D 2expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para una determinada temperatura, y la carga calorífica de calentamiento durante un mes:

D 2= Energía perdida por el captador / Carga calorífica

La energía perdida por el captador viene dada por la siguiente expresión: