• Posts Energía Rural
  • La Entropía de Boltzmann

    el 2015/03/26 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

    El  concepto de entropía  fue establecido por  Rudolf  Clausius en la segunda mitad  del  Siglo  XIX, en el limitado contexto de la  termodinámica  clásica. Sin dudas  es la aproximación más conocida y divulgada  del polémico concepto, debido a que ha encontrado un sinnúmero de aplicaciones en el campo de la termodinámica técnica, de la química y en otros campos específicos de la ciencia. Sin embargo, intrínseca en esta formulación esta la dificultad señalada por  W.  Pauli que  reza  asi:

     “Extraño nos parece que en la termodinámica siempre es necesario hacer una  rigurosa diferenciación entre calor y trabajo,  a pesar de que el primer principio habla de su equivalencia. La  mecánica estadística (la basada  entre  otras  cosas  en el concepto  estadistico de  entropía),  no requiere de estos procedimientos  mágicos. Ella explica las peculiares propiedades  termodinámicas por medio del comportamiento microscópico de los sistemas dotados de un gran número de  grados de libertad inimaginablemente grandes”.

     Al mismo problema de la termodinámica clásica se refirio Leon  Brillouin en su Libro  Ciencia, Información e Incertidumbre. En su capítulo I el autor  escribió:

    “En la termodinámica  clásica  el concepto de valor parece estar  esencialmente ligado a los conceptos de calor y temperatura. Los físicos no han sido capaces, y quizás no lo sean, de desligar estas entidades”.

     En el caso específico de esta blog, cuyo objetivo fundamental es la interpretación y aplicación de la II  Ley en universos muy alejados del lugar de origen de la termodinámica, tanto los señalamientos de Pauli, como los de Brillouin tienen gran relevancia.

    Entropia y II ley de la Termodinámica

     Sin embargo, constituye  un hecho indiscutible, que desde su surgimiento la mecánica estadística, y especialmente  su concepto estadístico de entropía, ha sido patrimonio casi exclusivo de físicos y teóricos en general, que han encontrado en ella solución  a problemas fundamentales y también enjundiosas  aplicaciones. A  esto se  añade  que, desafortunadamente, ha sido tradicional la presentación separada de la termodinámica fenomenológica, es decir, la llamada termodinámica clásica y la  mucho más  potente  como teoría  física,  termodinámica  estadística.

     Aunque resulte increíble, esta  conducta estuvo signada por el hecho de que, surgida en el punto más critico de la controversia de los físicos Mach y Ostwald, de gran influencia entonces en Europa, con Boltzmann, sobre la existencia misma de los átomos, el nuevo enfoque de la termodinámica siempre pendió la duda sobre sus propios fundamentos.

     De este modo, la más ortodoxa formulación clásica de la termodinámica siempre ha resultado privilegiada en relación con la estadística lo que  sin dudas  resulto en perjuicio  de  la  formación  de generaciones  y generaciones  de profesionales  de diversos tipos. Como es conocido en el caso de la  termodinámica estadística, se trata de un enfoque microscópico que depende absolutamente de la elaboración de un modelo físico. Obviamente, dado que ya no existe  duda sobre la existencia misma de los átomos, información que hubiera significado  para  Boltzmann la vida, no se justifica la posición original de preterir la mecánica estadística.

      Dado que el concepto de entropía de  Boltzmann forma parte esencial de este universo, si se quiere alcanzar una comprensión masiva del concepto, es necesario poner especial énfasis en la claridad de la presentación. Una forma de lograr esto, sin dudas lo constituye el proceder de inicio a una formulación del concepto de entropía con un enfoque estadístico, obviando cualquier referencia  a la formulación clásica. Esta última  resulta particularmente inadecuada cuando de enfrentar el reto de  Brillouin de extender  la  termodinámica  más allá  de  su lugar  de origen se trata.

     Por otra parte, a partir de la aparición en pleno  Siglo  XX de la  teoría de la información, especie de extensión de la termodinámica como rama  de la física teórica, el concepto de entropía adquirió una nueva connotación y también un nuevo significado. De hecho adquirió una nueva dimensión, toda vez  que un concepto propio  de la teoría  de la información, la  llamada  entropía  de  Shannon, al margen  de  su  total  semejanza de su  expresión matemática con  la definición de entropía  de Boltzmann, es  una  medida del grado de desinformación  que se tiene sobre  un sistema  y no se relaciona, por tanto, como la entropía  en termodinámica, con el estado del sistema como tal. Esta  sutil diferencia es  muy  importante.

      A  continuación se desarrollan  distintas  aplicaciones del concepto de  entropía  estadística de  Boltzmann con el propósito de mostrar  su  universalidad  y, de este modo, su inestimable  valor. Se  trata de temas diversos, algunos  de ellos sin antecedente  conocido en la literatura  especializada, como la pandemia  del VIH, por  ejemplo. Este  es  solo el comienzo de un esfuerzo   abarcador que incluirá  en un futuro inmediato que abarcara en el caso del VIH, tanto el mecanismo de acción  de  la  adquisición de la  enfermedad como fenómeno de  invasión viral de las  células sanas,  como  su  comportamiento epidemiológico. Este  es  un tema, como se  conoce, altamente  sensible  para  la  humanidad.

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)

    La lógica ilógica del micromundo

    el 2015/03/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Solar Térmica

    La lógica del micromundo incluido el átomo, el núcleo y las partículas elementales que lo constituye, como el neutrón, el protón, los mesones, difiere sustancialmente de la lógica del macromundo; el mundo en que vivimos que ha condicionado todas nuestras perfecciones del mundo circundante. A partir de las representaciones que el ser humano ha desarrollado sobre la base de sus experiencias cotidianas, es muy difícil aceptar la lógica del micromundo, es decir, la lógica de la mecánica cuántica.

    La primera cosa que es importante no dejar de repetir es que la capacidad de predicción, como teoría científica, de la mecánica cuántica se basa en consideraciones de naturaleza probabilística.

    En realidad, para  comprender el enfoque  microscópico de  Boltzmann, no es necesario estudiar  en detalle la peculiar  composición atómica.

    Desafortunadamente, los prejuicios contra el concepto de entropía  estadística han durado demasiado, casí  un  siglo. Hoy  día el concepto tiene, docentemente,  un alcance  limitado, siendo patrimonio casi exclusivo del mundo  de los  físicos  teóricos.

    Existen dos formas de percibir  la realidad, la racional y lógica propia  de la ciencia, y la intuitiva, esencialmente  subjetiva, propia  del  arte. En realidad  no es una frontera definida  lo que las divide;  hay mucho de intuición en la  ciencia  y también hay racionalidad  en el reflejo de la realidad  del  artista.

    La  obra de  Boltzmann se  ubica en el tipo de reflejo  racional de la realidad, la de  Hawking  en esa  especie de tierra  de  nadie entre lo racional y lo estético, mitad ciencia y mitad  poesía. Ambos  resultaron ser del tipo de ser  humano que, al decir del poeta guatemalteco  Roque  Dalton,  son  los  culpables  de nuestros sueños. La  muestra  plástica  que aquí se ofrece, con su obstinada insistencia  en el agobiante  tema de la  irreversibilidad  de los procesos reales, constituye  un imprescindible homenaje  a estos dos  físicos.

    Una  aclaración  necesaria

    Este trabajo constituye solo   un paso  más de los esfuerzos realizados  por los autores  para colocar el  llamado  principio  de entropía  de  Boltzmann y el enfoque  mismo del gran científico austriaco sobre  el fenómeno de la irreversibilidad, que es lo mismo que decir sobre los procesos de  degradación de los  sistemas para la vida, en el centro de  la  lucha por la  supervivencia humana.

     De lo que se trata es de intentar  resolver toda  una larga cadena de problemas actuales que en su devenir podrían conducir a un dramático escenario. Se  trata de una forma de enfocar la lucha por evitar catástrofes de todo tipo,  de mitigar  sus  consecuencias  en el caso de que ocurran, y también de enfocar  racionalmente el problema del uso  de la energía en un mundo que cada vez comprende mejor que  los recursos de que dispone son finitos y que ineluctablemente se agotaran en un futuro demasiado cercano.

    Cuba, país  donde se pueden encontrar los  antecedentes  de estas ideas, recogidas en la monografista titulada  Termodinámica de los concentradores solares, Editorial Española, resultado  bibliográfico  de un curso de postgrado de carácter  nacional que  acumula casi veinte  años de experiencias docentes y de investigación sobre  fuentes  renovables de energía; debe ser por lógica  y derecho propio .

    Una  experiencia  sacada  de  este esfuerzo  docente  es  que el proceso  de  concentración de  la luz  solar  constituye  una  forma  clara y rigurosa, muy original, de ´presentar el concepto de  entropía  de  Boltzmann”. Este enfoque debería formar parte de la docencia habitual universitaria y tecnológica.

    Más  aun, dada la sencillez  de su formulación matemática del concepto de entropía  de  Boltzmann,  que requiere solo el dominio del concepto de logaritmo y de algunas de sus propiedades  elementales, la empresa resulta en principio perfectamente  factible. La  célebre formula física:

                     S =    k · ln W

    la cual, sin tanto impacto como la relativista de  Einstein:  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

    Por otra parte, ya hoy día está claro para todo el mundo que los  recursos  de que  el  hombre  dispone para  vivir  están sometidos hoy día  a  un constante proceso  de extinción y degradación que, por lo general, lamentablemente  se  manifiesta  a  un ritmo  vertiginoso. Se trata  de un proceso constante de aumento de entropía en  el mundo, integralmente considerado, como un sistema, que la supervivencia humana, en peligro,  impone  controlar con premura. Por esta  razón, la  llamada  definición estadística  de entropía, la de  Boltzmann, sin dudas, la forma  más clara de presentar  este  concepto, necesariamente  debe ser  del  conocimiento de todos.

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)

    Sistemas solares en los Andes del Perú

    el 2015/03/10 en Bioclimatismo, Energía Solar Fotovoltaica, Solar Térmica

    En una mañana de Septiembre de 2014, me paso a recoger a las 4.00 am, en el Hotel donde me hospedaba en la ciudad de Huancayo, Junín, Perú el profesor CarlosAñadir objeto  miembro del equipo de investigación que dirige el  Dr. Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro del Perú, con el objetivo de visitar 9 viviendas a 4000 msnm en los distritos de Yanacancha y San José de Quero de las provincias de Chupaca y Concepción de la Región de Junín del Perú,  en las cuales se instalaron colectores solares termosifónicos de tubos al vacio para el suministro de agua caliente sanitaria, un sistema fotovoltaico aislado para el alumbrado,  un muro tromble para reducir el friaje, cocinas ecológicas con evacuación de gases y un invernadero para el cultivo de hortalizas.

    La experiencia fue única e inolvidable, ver como el uso de tecnologías solares y sostenibles contribuye al incremento de la calidad de vida, salud y bienestar  a familias  en los altos de los Andes y el agradecimiento de sus pobladores es una demostración de las potencialidades y del alcance estas tecnologías.

    20140901_Perú_01a

     

    Fig. 1. Colector solar termosifónico y módulo fotovoltaico.

    20140901_Perú_03a

    Fig. 2. Vista de los sistemas solares instalados en una vivienda.

    20140901_Perú_4

    Fig. 3. Invernadero para el cultivo de hortalizas.

    20140901_Perú_5a

    Fig. 4. Con el profesor Carlos y estudiantes colaboradores de la UNCP.

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)

    Ludwig E. Boltzmann

    el 2015/03/05 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

     Ludwig Eduard Boltzmann
    (Viena1844 – DuinoItalia, 1906)
     

    En la austera  tumba de Boltzmann, en el Zentralfriedhof, el cementerio central de Viena, en el pedestal se puede ver, caso quizás  único en un cementerio, una  fórmula  matemática, la  célebre formula física:

                                         S =   k·ln W

     la cual, sin tanto impacto publicitario como la de  Einstein,  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

    Logo-de-blog_mario_21.jpg

    Hoy  día  esta  claro  que  la  obstinada  y  absurda  oposición brindada  por  Ernst  Mach y  Ostwald al enfoque  microscópico  de  Boltzmann  los  llevo, en su obstinación al absurdo de negar  la  propia  existencia  de  los  átomos. Esto  sembró  la  duda  sobre  la propia  interpretación microscópica  de la  entropía, esencialmente  probabilística, y de paso sobre  la  genial interpretación de  Boltzmann  de la irreversibilidad. Por  esta  razón, durante  décadas, se  ha preferido  siempre  la presentación de la termodinámica  con el  enfoque  clásico, también denominado  fenomenológico.

    Pero, sin dudas, la peor  consecuencia de todo este  absurdo fue el suicidio  del propio  Boltzmann, presa  de gran depresión al no poder  mostrar la evidencia  de la existencia  de los  átomos. Paradójicamente, solo dos  años  después  de su muerte, el genial experimento  de  Perrit, basado en  la explicación de  Einstein del movimiento  browniano, proporciono la prueba deseada.

     Por  estas razones, desde hace más de un siglo la física estadística, que es lo mismo que decir la termodinámica estadística, ha sido patrimonio exclusivo de los físicos teóricos y, de este modo utilizada  limitadamente solo en problemas de esta rama de la física. Sin embargo, resulta evidente que comprobada hasta la saciedad la  existencia de los átomos, lo que de haber ocurrido a tiempo hubiera   evitado el suicidio de  Boltzmann, no existe ya razón alguna para no incluir  la física estadística como una rama del conocimiento tan válida y necesaria como la propia termodinámica fenomenológica.

     Es necesario decir  también algunas palabras  sobre el resto de la  obra de  Ludwig  Boltzmann. En realidad es difícil  sobrevalorar  la obra de  Boltzmann, inestimable por su valor práctico y también teórico. Además de su célebre  teorema  H, brillante fundamentación teórica de la  II  Ley de la Termodinámica, estableció el principio de equiparticion de la energía a partir de los grados de libertad de un sistema. Esta fue la base para la determinación de los calores específicos de los gases poli-atómicos. Suya es también la llamada ecuación cinética de los gases, base  para la descripción de sistemas en estado de desequilibrio.

    Stephen  Hawking  en su libro  Historia  del  Tiempo, especie  de  best  seller  científico,  estableció  la idea  de lo que  el denomina  flecha  del  tiempo; una  forma  bella  y original de  expresar  la esencia  del  trascendental concepto  de  irreversibilidad, quizás  el  más  universal de  los  conceptos científicos.Pero  sería  injusto atribuirle  a  Hawking la  paternidad  de esta  idea. En realidad  todo comenzó alrededor  de 1900 cuando  un genial  físico  austriaco, Ludwig  Boltzmann,  desarrollo  su enfoque  microscópico de la materia, incluido el concepto de entropía  estadística.

    Mediante  este enfoque, Boltzmann  logro dar  una interpretación clara físicamente, con un enfoque esencialmente  probabilístico, del  llamado  principio de degradación de la  energía, consecuencia  directa  del  llamado  II  Principio  de la  Termodinámica y,  sin dudas, de  un  alcance  universal  como  ningún otro principio de  la  Física.

     Boltzmann logro precisamente,  hacer  de este   principio  algo  verdaderamente  universal  por  la infinita  gama  de aplicaciones a  sistemas  y procesos,  muy  alejados del universo de  procesos energéticos  hoy  convencionales en los que  tuvo su  origen,  que  en lo adelante fueron posibles. Sin embargo, el mundo científico  no fue  generoso  con  Ludwig  Boltzmann, ni mucho menos  proclive  a  asimilar  sus  geniales  aportes.

    En medio de un cruel  y  absurdo acoso  luchaba  contra  la incomprensión de la comunidad  científica encabezada por  dos  físicos que en su afán de combatir las  ideas  de  Boltzmann  llegaron al increíble  absurdo  de negar  la existencia misma de los  átomos. Aunque  hoy  día después  de la  aparición de evidencias  tan contundentes como  la  explosión de  una  bomba  atómica, está  claro lo  absurdo de esta  idea, lo cierto es  que entonces  no existía  evidencia alguna  de la  existencia del átomo. Carente de la evidencia  experimental  que sustentase su  teoría, el genial  físico, hombre  de  profundas  convicciones  éticas, cayó en un estado de profunda  depresión.

    Boltzmann cometió un error, sobrestimo el tiempo necesario  para la  aparición  de la  evidencia experimental que confirmara  su  teoría. En realidad  solo transcurrieron dos  años entre  el suicidio de  Boltzmann  y la  realización del  experimento de  Perrit  sobre  la naturaleza del  movimiento  browniano que demostró  irrefutablemente la existencia  del átomo.

    En lo adelante, la  física  atómica  se desarrollo  vertiginosamente. Pero  ya era  tarde  para  el hombre  que  dio la clave de  la comprensión de los colosales  procesos de degradación que  amenazan con extinguir  la vida en el planeta.

     Lo que  la  historia  de la física le deparo a los  dos principales promotores  del acoso  a  Boltzmann fue  en realidad  muy  cruel. En realidad  sus irreales visiones de la materia, defendida  autoritariamente, y producto evidentemente de una  burda   confusión de los  campos de acción de la  filosofía  y la  física, era  aun mas  contrastante con la  realidad que lo que la  propia  existencia  del átomo, sin profundizar  en su sorprendente  estructura, puso de manifiesto.

     En su  brillante  obra  de  divulgación científica Cosmos,  Kart  Sagan describió en una contundente frase la  peculiar  naturaleza del micromundo: “La materia es la nada escribió, refiriéndose  al  hecho  de  que, de  acuerdo con la información obtenida; siempre  por  métodos  indirectos y como resultado de brillantes  experimentos  que  abarcaron un periodo de casi cuarenta  años; el átomo está  constituido por una  nube  electrónica  de  densidad  casi nula y un núcleo extraordinariamente pequeño en el que  en realidad  se concentra  toda  la materia”. Dado que la evidencia experimental es  esta, la  frase   de K. Sagan, de   carácter  informal, resulta  totalmente  justificada.

     Boltzmann que  vivía en la bucólica  seguridad  de la   Viena de los últimos  años  del  poderoso  Imperio  Austrohúngaro, ajeno totalmente  a  los  problemas  existenciales  que  hoy  agobian  al mundo,   no  imagino la magnitud colosal de  los  problemas que sería posible  abordar  con su genial interpretación del concepto  de  irreversibilidad.

    Como tantas  veces  ocurre, nadie  percibió entonces el alcance de  aquel  aporte. Fue  muy  intensa la luz que arrojo sobre  el terrible  problema  de la degradación del  hábitat  humano. Pero era  demasiado audaz  para  la pobre  mentalidad científica e inmóvil percepción del mundo de  la ciencia, básicamente clásica,  de principios del Siglo XX.

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)
    Avatar de Marcos

    por Marcos

    CFD para el estudio y optimización del comportamiento térmico de paneles fotovoltaicos integrados en cubierta

    el 2015/02/23 en Blog, Energía Solar Fotovoltaica, I & D / Innovación, Ingeniería / Consultoría

    1. Introducción

    Por regla general se distinguen dos modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos (FV): integrados y no integrados. La elección de uno u otro modelo depende de muchos factores, como pueden ser: criterios de diseño arquitectónico, optimización de espacios físicos disponibles en la instalación, búsqueda de la máxima eficiencia de conversión fotovoltaica, etc. Son ejemplos de modelos no integrados (Fig. 1a) los paneles fotovoltaicos instalados en viviendas unifamiliares, escuelas, hospitales, estacionamientos, etc., mientras que los modelos integrados (Fig. 1b) los podemos encontrar en cubiertas de edificios, caballerizas, almacenes, etc.

    fig01

    Figura 1. Ejemplos de modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos: (a) No integrado, (b) Integrado.

    En las instalaciones integradas en cubierta, los paneles fotovoltaicos deben instalarse juntos herméticamente, sin dejar espacio entre ellos. Para conseguir el enfriamiento de dichos paneles se utiliza un canal de ventilación de aire ubicado debajo de ellos, con circulación natural o forzada. En este caso, las temperaturas máximas de los paneles son más elevadas respecto a las instalaciones no integradas, al haber menos espacio para la circulación del aire. Se conoce que temperaturas elevadas en los paneles fotovoltaicos afectan negativamente a la eficiencia de conversión fotovoltaica y por consiguiente a la generación de electricidad. Por ejemplo, en el caso de los paneles de silicio cristalino se reporta una caída de la potencia generada de hasta 0,5% por cada grado centígrado de aumento en su temperatura. En algunos casos, si el diseño es inapropiado, las altas temperaturas pueden incluso dañar la integridad física de la planta FV, afectando los propios paneles fotovoltaicos, así como sus conexiones y componentes eléctricos anexos. Los máximos valores de temperatura que alcanzan los sistemas integrados se convierten en la variable térmica más crítica del diseño. Está reportado que las temperaturas de los paneles fotovoltaicos deben mantenerse por debajo de 70 ºC (Wen I-Jyh et al, 2008).

    Otra desventaja de los modelos integrados respecto a los no integrados es la inevitable aparición de elevados gradientes de temperatura entre los paneles, a lo largo del canal de ventilación. Se conoce que las diferencias elevadas de temperatura entre cadenas de módulos FV, conectadas en paralelo, pueden provocar gradientes de voltaje que agravan aún más los problemas térmicos, generando nuevas fuentes de disipación de calor en puntos localizados.

    El diseño apropiado del canal de ventilación de aire depende de muchos factores como: el espesor del canal, la forma de su entrada y salida, su inclinación, su longitud, la forma de los marcos y separadores, las propiedades físicas de los materiales, etc. (Alain Guiavarch et al, 2006).

    La disipación de calor en los paneles fotovoltaicos combina mecanismos complejos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación, cuya fenomenología difícilmente puede ser abordada con métodos de cálculo convencionales. Estudios de este tipo necesitan el uso de técnicas avanzadas de análisis, como son las simulaciones numéricas de alto nivel CFD (Computational Fluid Dynamics) (John David Anderson, 1995). En base a estas técnicas, en el presente trabajo se estudia el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos, integrados sobre la cubierta, con el fin de proponer diseños óptimos de los sistemas de enfriamiento por aire, con convección natural o forzada, que nos permitan evitar valores críticos de temperaturas en los paneles y, por consiguiente, mejorar su rendimiento y garantizar la fiabilidad técnica del sistema.

    Las simulaciones numéricas CFD nos permiten obtener una descripción detallada de la distribución de las variables del fluido (temperaturas, velocidades y presiones). La ventaja de este tipo de estudio es que los diseños propuestos pueden ser simulados en una fracción muy reducida de tiempo, comparado al caso de tener que construir montajes experimentales, con el costo añadido que ello conlleva.

    2. Modelos de estudio

    2.1 Descripción de los casos

    fig02

    Figura 2. Modelo geométrico bidimensional, conformado por una habitáculo, sobre cuya cubierta se dispone de una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos.

    En la Fig. 2 se representa el modelo geométrico estudiado. El caso corresponde a un habitáculo bidimensional en el plano x – y, cuya cubierta está inclinada 19 grados respecto del plano horizontal. El modelo bidimensional está justificado debido a que se considera que la tercera dimensión es mucho mayor en longitud respecto a las otras dos dimensiones, tal y como se presenta en aplicaciones reales. Por encima de la cubierta se ha colocado una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos, que mantienen una separación de 13 cm respecto de la cubierta; dicho espacio actúa como canal de ventilación de aire.

    Tomando como referencia el modelo general de la Fig. 2, en el presente trabajo se han simulado numéricamente seis casos, que corresponden a la combinación de cuatro tipos de canales, distintos geométricamente entre sí, y a su condición de sistema solar activo o pasivo. En las Fig. 3 a 8 se describen los principales detalles de cada uno de los casos.

    fig03

    Figura 3. Caso A: Canal de ventilación con separador de aluminio de sección 3 x 3,7 cm.

    fig04

    Figura 4. Caso B: Canal de ventilación con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig05

    Figura 5. Caso C: Canal de ventilación con obstáculos periódicos de sección 3,7 x 3,7 cm, ubicados en su base, y con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig06

    Figura 6. Caso D: Inclusión de un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos están separados mediante un material aislante térmico. La longitud del nuevo canal es de 300 cm y su ancho es 3,7 cm. Se han practicado dos aperturas adicionales en el material aislante de 3,7 cm para el paso del aire. La sección del separador de aluminio reducido es 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig07

    Figura 7. Caso E: Geometría similar al caso B, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    fig08

    Figura 8. Caso F: Geometría similar al caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    Las principales características de cada uno de los casos se describen a continuación:

    • Caso A (Fig. 3): Sistema pasivo, cuya cubierta está inclinada 19º respecto de la horizontal. Se considera una cadena de cinco paneles fotovoltaicos, de 75 cm de longitud cada uno y de espesor 3,85 mm. Todos ellos están integrados sobre la cubierta, unidos entre sí mediante separadores de aluminio de sección 3 x 3,7 cm. Se asume una separación de 13 cm entre los paneles fotovoltaicos y la cubierta del habitáculo.
    • Caso B (Fig. 4): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso A, excepto en el tipo de separador de aluminio, que en este caso es reducido, con sección 3,7 cm x 7,7 mm.
    • Caso C (Fig. 5): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso B, excepto en la forma de la base del canal de ventilación. Con la finalidad de estudiar los efectos de turbulencias en el aire, se han agregado obstáculos periódicos en la base del canal (de sección 3,7 x 3,7 cm), separados entre sí por una distancia de 33,8 cm.
    • Caso D (Fig. 6): Sistema pasivo, basado en la geometría del caso B, sobre la cual se ha incluido un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos separados mediante un material aislante térmico. La longitud de este nuevo canal cubre la distancia de los primeros cuatro paneles fotovoltaicos, siendo su longitud total de 300 cm y su ancho de 3,7 cm. Con la finalidad de dar paso al aire de ventilación, se han practicado dos aperturas en el material aislante de 3,7 cm, ubicadas en las partes central y final del canal de ventilación paralelo. El objetivo del nuevo canal es obtener aire de refrigeración en las zonas finales de la cadena de paneles, bajo condiciones de temperatura de aire a la entrada.
    • Caso E (Fig. 7): Sistema activo, en este caso se repiten las características geométricas del caso B, siendo la diferencia principal la inclusión de un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.
    • Caso F (Fig. 8): Sistema activo, basado en la geometría del caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.

    2.2     Condiciones de modelización

    Los casos estudiados están gobernados por las ecuaciones de Navier – Stokes (conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía). Para llevar a cabo el análisis numérico se ha hecho uso del código comercial CFD FLOTRAN, componente del software de uso general ANSYS.

    Como condiciones principales de simulación se han considerado flujo incompresible en régimen permanente, laminar o turbulento según el caso, propiedades físicas variables y geometrías bidimensionales. Todos los casos han sido validados numéricamente mediante un estudio de densificación de la malla. El estudio de validación nos ha permitido obtener los resultados asintóticos de las variables de interés: los campos de velocidad y temperatura.

    Para la partes sólidas del modelo: panel fotovoltaico, separadores de aluminio y material aislante, se han considerado las conductividades térmicas: 0,16; 209 y 0,065 W/mK, respectivamente.

    Para las condiciones de ambiente exterior lejano se considera que la velocidad media es de 1 m/s y la temperatura ambiental igual a 24ºC. Para las condiciones de irradiación, se considera que el valor medio de la potencia superficial exterior es igual a 1000 W/m2. Como valor práctico se estima que el 54,7% de la potencia superficial exterior es la cantidad que debe disipar en forma de calor cada panel fotovoltaico. Este es el valor de la radiación solar que en el panel se convierte en energía térmica, descontando las cantidades de radiación solar que se pierden por reflexión y la que se transforma en energía eléctrica.

    3. Resultados

    Para el caso A se ha obtenido el peor comportamiento desde el punto de vista térmico. El pico de temperatura se ubica en la parte final del primer panel fotovoltaico, con una valor de 109,6 ºC (Fig. 9), dato muy por encima del valor recomendado (Wen I-Jyh et al, 2008). En este panel también se obtiene el máximo gradiente de temperatura: 78,3 ºC (Fig 10). Los resultados obtenidos del mapa de velocidades (Fig. 11) nos permiten apreciar que los órdenes de magnitud de esta variable son muy bajos en la parte inferior inmediata de los paneles fotovoltaicos respecto de otras zonas, lo que repercute negativamente en el proceso de transferencia de calor y por consiguiente empeora la disipación calor. La causa principal de este comportamiento es el modelo de separador de aluminio, cuyas dimensiones obstaculizan el flujo de aire y generan zonas de estancamiento “aguas abajo” de su posición. Evaluando las zonas de aire en la parte superior del canal, expuestas al ambiente, se obtiene velocidades bajas en los primeros paneles, lo que agrava aún más la disipación de calor y condiciona a que el primer panel tenga el peor comportamiento térmico. Esto depende fundamentalmente del perfil aerodinámico del panel en la entrada del canal y de la dirección de impacto de los vectores de velocidad del aire.

    Los resultados del caso B mejoran sustancialmente los obtenidos en el caso anterior. La causa principal de esta diferencia es la modificación de la geometría del separador de aluminio. En este caso el separador ejerce una mínima obstrucción al paso del aire, desapareciendo las zonas de estancamiento de aire que se presentaban en el caso A. Es decir, con esta modificación se ha conseguido optimizar el proceso de disipación de calor. La temperatura máxima obtenida en el caso B es de 84,1 ºC (Fig. 12), mientras que el máximo gradiente de temperatura es de 46,4 ºC (Fig. 13). En la Fig. 14 se puede apreciar el flujo ininterrumpido del aire dentro del canal de ventilación, con valores bajos del campo de velocidades cerca de las partes sólidas, debido al comportamiento natural de zona de capa límite.

    En la configuración propuesta para el caso C, con obstáculos periódicos ubicados en la base del canal, el objetivo es romper las zonas de capa límite y crear movimientos turbulentos del aire, buscando mejorar el proceso de transferencia de calor. No se ha obtenido una diferencia significativa en los picos de temperatura con respecto al caso anterior, debido fundamentalmente a que el movimiento del fluido está basado en un sistema pasivo. La máxima temperatura obtenida fue de 83,9 ºC (Fig. 15), mientras que el máximo gradiente de temperaturas es 47,5 ºC (Fig. 16), obtenido en el primer panel, como en el caso anterior.

    La configuración propuesta para el caso D, con un canal de ventilación paralelo al canal principal, tiene como objetivo aportar aire en condiciones de temperatura de entrada hacia los paneles fotovoltaicos, próximos a la salida del canal de ventilación. Los resultados térmicos obtenidos no presentan grandes diferencias respecto de los casos B y C. La máxima temperatura obtenida fue 83,4 ºC (Fig. 18).

    El caso E corresponde a un sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso B. Esta solución implica colocar algún mecanismo que condicione la convección forzada en la entrada del canal, manteniendo una velocidad media del aire en 3 m/s. Tal y como se esperaba, se aprecia una reducción importante de temperatura respecto de los casos anteriores. La temperatura máxima obtenida es 72,3 ºC (Fig. 20).

    El caso F es otra variante de sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso C. Se impone para esta caso que la velocidad media del aire en la entrada del canal se mantenga en 3 m/s, a través de algún mecanismo de ventilación forzada. Este caso mejora sustancialmente las prestaciones de los sistemas pasivos anteriores, e incluso mejora moderadamente los valores obtenidos en el caso E. La temperatura máxima del caso F fue de 69,2ºC (Fig. 22).

    fig09

    Figura 9. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig10

    Figura 10. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig11

    Figura 11. Caso A: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig12

    Figura 12. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig13

    Figura 13. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig14

    Figura 14. Caso B: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig15

    Figura 15. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig16

    Figura 16. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig17

    Figura 17. Caso C: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig18

    Figura 18. Caso D: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del tercer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig19

    Figura 19. Caso D: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig20

    Figura 20. Caso E: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig21

    Figura 21. Caso E: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig22

    Figura 22. Caso F: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del quinto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

     fig23

    Figura 23. Caso F: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en las proximidades de la parte final del cuarto panel del canal de ventilación.

    4. Conclusiones

    a) Comparando entre si los sistemas pasivos, se obtiene una mejor prestación de diseño en el caso B (Tab. 1). Si bien los valores de temperatura de los casos C y D son algo menores, sin embargo ambos necesitarían un proceso constructivo más complejo que en el caso B.

    b) La modificación propuesta para la geometría del separador de aluminio del caso A al caso B tiene un notable impacto en el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos: se obtiene una reducción considerable en el pico de temperatura de 25,5 ºC.

    c) Como era de esperar, los resultados obtenidos en los sistemas activos (casos E y F) son mejores a los resultados de los sistemas pasivos. Se obtiene una reducción promedio del pico de temperatura del orden de 12 ºC. El uso de sistemas pasivos implica asumir los requerimientos económicos de los sistemas de ventilación forzada.

    d) Las temperaturas del caso F son moderadamente menores a las del caso E. La diferencia entre sus valores máximos de temperatura es de 3 ºC. Esta diferencia podría incrementarse, investigando otros modelos de obstáculos, alternativos al que se ha propuesto en este estudio.

    Tabla 1. Resumen de valores máximos de temperatura y velocidad para cada caso.

    Caso

    Sistema

    TMAX (ºC)

    VMAX (m/s)

    A

    Pasivo

    109,6

    2,1

    B

    Pasivo

    84,1

    2,4

    C

    Pasivo

    83,9

    2,1

    D

    Pasivo

    83,4

    2,2

    E

    Activo

    72,3

    3,2

    F

    Activo

    69,2

    3,2

    REFERENCIAS

    Alain Guiavarch, Bruno Peuportier, 2006. Photovoltaic collectors efficiency according to their integration in buildings. Solar Energy 80, 65–77

    ANSYS. www.ansys.com

    John David Anderson, 1995. Computational Fluid Dynamics. Kindle Edition.

    Wen I-Jyh, Chang Pei-Chi, Chiang Che-Ming, Lai Chi-Ming, 2008. Performance Assessment of Ventilated BIPV Roofs Collocating With Outdoor and Indoor Openings. Journal of Applied Sciences 8 (20): 3572 – 3582.

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)

    Genera 2015

    el 2015/02/22 en Calefacción y Refrigeración, Energía Eólica, Energía Solar Fotovoltaica, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

    20150222_Genera2015_v2

    Feria Internacional de Energía y Medio Ambiente. Madrid 2015,

    VN:R_U [1.9.17_1161]
    Rating: 0.0/5 (0 votes cast)
  • Abrir la barra de herramientas