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  • Turandot, las cumbres de la Tierra y la educación solar

    el 2015/06/12 en Energías Renovables, Formación / eLearning, Solar Térmica

    En el blog [1] se trata la relación entre el primer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra y de la esperanza que deposita la humanidad en encontrar una solución a los problemas actuales de la conservación del medio ambiente y el desarrollo sostenible de nuestro planeta.

    El siguiente enigma

    Si queremos que el mundo cambie, hay que preguntarse: ¿quién lo hará cambiar? Por supuesto, será la humanidad quien lo hará cambiar, pero para lograr esto los hombres y las mujeres  (la humanidad) deben ser educados en la conservación ambiente, las energías renovables y el desarrollo sostenible, (Fig.1).

    BM07_F1r_Eduación ambiental_3Por ello no es difícil concluir que los profesores, especialmente los de la enseñanza general son los llamados a enfrentar  resolver el problema de la subsistencia humana. Ha sido escrito el siguiente epígrafe resultado de una experiencia personal.

    Fig.1. Educación solar y ambiental.

     

    La educación en energía solar

    En La Habana, Cuba, se creó un grupo de trabajo en energía solar,  adscripto a en el entonces  Instituto de Investigación Técnica Fundamental (ININTEF) de la Academia de Ciencias de Cuba (ACC), en 1976, con el objetivo de desarrollar actividades de investigación y desarrollo en el campo del  aprovechamiento de la luz solar como fuente  la energía.

    Después de más de dos años de trabajo algunos investigadores estuvieron ya en condiciones de trasmitir algunas de sus experiencias, tanto nacionales como internacionales, de  modo que  ya en octubre de 1979 fue impartido por primera vez el curso de especialización titulado Diversas Formas de  Aprovechamiento de la  Energía  Solar, auspiciado a nivel de Ministerio por la entonces Academia de  Ciencias  de  Cuba. Dos monografías fueron preparadas entonces, específicamente, para satisfacer las necesidades de los alumnos.

    A partir de aquí, en diferentes versiones cada vez más perfeccionadas, el curso se  mantuvo durante quince años, la que permitió acumulas una singular experiencia que no tiene antecedentes en Iberoamérica. El contenido básico de la especialización abarcaba los cursos siguientes:

    • Radiación solar y astronomía posicional del Sol;
    • Termodinámica de la luz solar;
    • Cálculo de instalaciones solares de calentamiento de agua;
    • Óptica y termodinámica de los concentradores solares;
    • Usos térmicos de la energía solar;
    • Energía solar fotovoltaica.

    De este modo quedaron expuestas en el curso las dos formas básicas de utilización de la luz solar como fuente de energía, la fotovoltaica y la térmica, (Fig.2). A partir de aquí se planteó el reto de darle al tema de la luz solar como fuente de energía un tratamiento unificado, independientemente del modo específico de aprovechamiento.

    BM07_F2r_Diversas formas aprovechamiento energía solar

    Fig. 2. Aprovechamiento térmico y fotovoltaico de la energía solar.

    Resultó realmente sorprendente  descubrir que la aplicación de la termodinámica a una fuente de características tan peculiares como la solar, facilita en gran medida su propia  presentación como rama de la física. En efecto, se pudo comprobar  que materias tan alejadas del dominio de la gran masa de profesionales como la llamada física estadística (termodinámica estadística) encuentran en el caso específico de la luz solar como fuente de energía una nueva y estimulante área de aplicación que, sin dudas favorece la comprensión de la materia en sí.

    Finalmente hay que señalar con énfasis,  que en la medida en que las diferentes versiones del curso se fueron desarrollando, los profesores fueron descubriendo que la luz solar como fuente de energía constituye un formidable objeto de estudio para la docencia en las ciencias básicas y en  otras materias específicas de las carreras de ciencias  e ingeniería y, de igual modo, para el desarrollo en el futuro profesional de una mentalidad racional en el uso de los recursos energéticos.

    Los más sorprendentes, en mi condición de profesor principal de aquellos cursos, fueron los profesores de nivel medio que lograron matricularse en él. Es un hecho que solo a través de ellos es posible alcanzar la masividad que una empresa como la que nos proponemos puede llevarse  a feliz término. He ahí la idea esencial de esta iniciativa.

    El tercer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra

    ¿y el tercer enigma?. Hielo que te hace arder, y se hiela con tu fuego. Blanca, y oscura. Si quieres ser libre te hace esclavo, si por esclavo te acepta te hace rey…

    BM06_F3a_Enigmas_Turandot_cumbres_Tierra

    Fig. 3. Tercer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra.

    Turandot, en su orígenes, una vengativa y cruel princesa, finalmente se ha trasformado, ella ha sido la verdadera vencedora, finalmente ha comprendido el sentido del amor. Ha sido el triunfo del mal sobre el bien, del amor sobre el odio. Y es precisamente a lo que se aspira con las cumbres de la Tierra… El simbolismo es fuerte y claro.

    Referencias

    1.  Alvarez-Guerra Jauregui, M.E. “El primer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra”. http://termodinamicasolar.energia-rural.com/2015/06/03/el-primer-enigma-de-turandot-y-las-cumbres-de-la-tierra/.
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    El primer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra.

    el 2015/06/03 en Formación / eLearning, Otras Energías, Solar Térmica

    El medio ambiente se convirtió en una cuestión de importancia internacional en 1972, cuando se celebró en Estocolmo la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Humano (conocida posteriormente como Cumbre de la Tierra de Estocolmo).

    Fue la primera gran conferencia de la ONU sobre cuestiones ambientales internacionales,  y marcó un punto de inflexión en el desarrollo de la política internacional sobre la conservación y protección del medio ambiente, Fig.1.

    BM06_F1a_Cumbres_de_la_Tierra

    Los Enigmas de Turandot del Siglo XXI. El hoy célebre  Concierto de los Tres tenores celebrado con motivo del Mundial de Fútbol de 1990, tuvo como marco en las termas de Caracalla, Roma. Obras como la Aida de Verdi o la propia Turandot de Puccini, por ejemplos, han sido representadas en las Termas. El fragmento de la ópera Turandot “Nessun dorma” (nadie duerma en imperativo) sintetiza muy bien el filosófico argumento de la obra, Fig. 2.

    BM06_F2a_Opera_TurandotHabiendo hecho el logro del amor de la bella y vengativa princesa el sentido de su vida, en la China milenaria, el protagonista decidió someterse a un cruel concurso. Este consistía en la solución de tres enigmas, tres acertijos, so pena de morir bajo el hacha del verdugo.

    El primero de los enigmas resueltos por el príncipe, cómo se verá,  tiene un simbólico vínculo con el tema básico de las Cumbres. El acertijo reza así: “en la negra noche un fantasma iridiscente se eleva y despliega las alas sobre la negra e infinita humanidad. Todo el mundo lo invoca, todo el mundo lo implora, pero el fantasma desaparece con la aurora para renacer en el corazón de cada hombre. ¡Y cada noche nace, y cada día muere!”.

    Intentemos resolver el problema con la ayuda de la termodinámica, más exactamente con una ciencia que es consecuencia directa de la termodinámica: la teoría de la información.

    El llamado principio neguentropico de la información (PNI) nos guiará en el proceso de solución del problema. En [1] se expuso el problema de las 27 bolitas, generalizando este sencillo problema, se puede concluir que se trata de une aproximación sucesiva al resultado deseado, la detección de la bola diferente que, finalmente, conduce a  la total eliminación de la incertidumbre inicial.

    En efecto, en cada etapa, mediante la obtención de  información, se va disminuyendo el nivel de incertidumbre. En rigor se trata, como se  adelantó anteriormente, de lo que en teoría de la información se conoce como principio  neguentropico de la información (PNI). Obviamente, neguentropia, en este contexto, es sinónimo de nivel de conocimiento sobre el sistema.

    Yendo un poco delante, hacia el tema centro de esta disertación, se puede decir que la supervivencia de una especie en el largo camino de la evolución se basa, entre otras cosas, en la aplicación consecuente de este principio. La fórmula que establece el principio es:

                              Sf = Si – I                                                                (1)

    El significado de la expresión es directo: dado un nivel inicial de incertidumbre sobre las posibles respuestas del sistema, el efecto de haber obtenido determinado nivel de información fiable sobre el mismo reduce el nivel de desinformación inicial. Sea Si  en nivel de desinformación que se tiene, sobre algo y sea I el nivel de información que se adquiere  sobre el problema en el proceso de solución. Finalmente, Sf  será el nuevo nivel de desinformación que queda después de este primer esfuerzo.

    Si se analiza el enunciado del acertijo, en busca de cierto nivel de información, cabe preguntarse:    ¿el sentido del enunciado es concreto o simbólico? Obviamente, tiene un sentido alegórico. Más aún, si es alegórico, es de un gran interés humano, dado que el fantasma extiende las alas sobre toda la humanidad. Así nuestro nivel de desinformación ha disminuido. Sea Sf1 este nuevo nivel de desinformación. Obviamente se cumple que:

                                     Sf1  =  Si1  –  I1

    Más información se puede obtener si se repara en el hecho de que se trata de algo positivo, algo muy sensible para todos los seres humanos. Un permanente lugar de privilegio en el corazón de los seres humanos solo lo ocupan los sentimientos. Finalmente sabemos que se trata de un sentimiento, pero, ¿un sentimiento de qué? Nuevamente se ha puesto de manifiesto el mecanismo de acción del PNI. Así, gracias a la nueva información obtenida, designada por I2, el nivel de desinformación se ha reducido a Sf2:

                                    Sf2  =  Si2  –  I2

    Pero aún no hemos logrado resolver el enigma, se requiere más información, que se ponga de manifiesto nuevamente el Mecanismo de acción del PNI. Ahora la gramática nos ayudará.

    Completemos la frase: un sentimiento de…La palabra que falta será la solución de este primer enigma. Obviamente no es un sentimiento de odio, ni de amor, ni de patriotismo, ni de fe religiosa. Es algo que renace, que renace en el hombre y lo ayuda a vivir cada nuevo día, un sentimiento de … esperanza. ¡Esta es la solución!. La Esperanza, la misma que lleva a los hombres a reunirse en las cumbres de la Tierra (Fig.3). A imaginar una solución.

    BM06_F3a_Enigmas_Turandot_cumbres_Tierra

    Fig. 3. Primer enigma de Turandot y las cumbres de la Tierra.

    Referencias

    1.     Alvarez-Guerra Jauregui, M.E. “Enfoque termodinámico de la energía eólica”. http://termodinamicasolar.energia-rural.com/2015/05/14/enfoque-termodinamico-de-la-energia-eolica/

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    Comportamiento térmico de colectores solares en Perú

    el 2015/05/23 en Instalación / Mantenimiento, Solar Térmica

    El desarrollo y comercialización de materiales de aislamiento para cubiertas transparentes ha permitido pasar de la fase de investigación y prototipos a una serie de proyectos a gran escala de sistemas solares pasivos y activos. Para minimizar las pérdidas de calor por cubierta se pueden utilizar láminas de vidrio mejoradas, materiales aislantes transparentes y capilares de vidrio, los cuales se pueden obtener comercialmente.

    I. SISTEMAS SIMULADOS

     Para estudiar el comportamiento térmico de los sistemas de colectores solares se ha simulado tres  sistemas solares [1] para el suministro de agua caliente sanitaria mediante el  programa TRNSYS.  En todos los casos los sistemas solares se complementan con una fuente auxiliar de energía. Se ha considerado las pérdidas de calor por tubería. La distribución diaria de la demanda de agua sanitaria ha sido la de un perfil de extracción tarde-noche como se muestra en la Fig. 1.Los parámetros comunes de los sistemas solares son los siguientes:

    • Localidades: zonas climáticas;
    • Inclinación: 20º;
    • Área de captación: 2,15 m2;
    • Volumen del tanque: 200 litros;
    • Consumo diario de agua: 180 litros;
    • Temperatura del agua fría: 10ºC;
    • Temperatura del agua caliente: 45ºC;
    • Régimen horario de carga: ver la 1
    • Fluido de trabajo: agua;
    • Longitud de la tubería: 10 m;
    • Eficiencia de la fuente auxiliar: 0.98;
    • Nodos de estratificación: 7.

    B05F01_Distribución_horaria_de_agua_caliente

     

     

    II. DATOS CLIMÁTICOS DE LAS LOCALIDADES

    Según el Atlas de Energía Solar del Perú [2] las condiciones orográficas, climáticas y oceanográficas, entre otras, determinan la existencia de tres grandes regiones naturales: Costa, Sierra y Selva.

    La zona de mayor potencial de energía solar del territorio peruano se encuentra principalmente en la costa sur donde la irradiación media diaria es de 6,0 a 6,5 kW h/m2, seguido de la costa norte y gran parte de la sierra sobre los 2500 msnm con una disponibilidad de energía solar diaria entre 5,5 a 6,0 kW h/m2. La zona de bajos valores de energía solar en el territorio es la selva con registros de 4,5 a 5,0 kW h/m2 con una zona de mínimos valores en el extremo norte.

    B05F01a_Tabla de valores meteorológicos_en_Perú

    Los datos se muestran en valores medios diarios mensuales los cuales se convierten  en valores  horarios mediante el generador de datos meteorológicos del programa TRNSYS. Las Fig. 2 y 3 muestran los  valores medios mensuales de la radiación solar global y las temperaturas medias mensuales para las zonas climáticas estudiadas.

    B05F02_Radiación solar globar en zonas climáticas del Perú

    Figura 2. Radiación solar global en zonas climáticas del Perú.

    B05F02_Radiación solar globar en zonas climáticas del Perú

    Figura 3. Temperaturas medias mensuales en zonas climáticas del Perú.

    III. RESULTADOS

     Se ha utilizado para evaluar el comportamiento térmico de los sistemas solares la  fracción solar anual ¦solar y la energía útil anual producida Qútil. Los resultados se muestran en las figuras 4 y 5 respectivamente. La fracción solar es la fracción (por ciento) de la demanda térmica satisfecha (cubierta) con  energía solar, El primer parámetro da una medida del comportamiento térmico anual y el segundo parámetro cuantifica la energía térmica producida por los colectores solares.

    B05F04_Fracción solar anual en zonas climáticas del Perú

    Figura 4. Fracción solar anual de los sistemas solares en Perú.

    B05F05_Energía útil producida en zonas climáticas del Perú

    Figura 5. Energía útil anual producida de los sistemas en Perú.

    IV. CONCLUSIONES

    1. Se ha mostrado que la utilización del colectores solares son adecuados para el suministro de agua caliente sanitaria en 5 localidades representativas de zonas climáticas de Perú;
    2. Los sistemas solares han alcanzado valores de la fracción solar anual superior al 65% en todas localidades estudiadas  lo que demuestra su viabilidad técnica para el suministro de agua caliente sanitaria;
    3. Si se considera que los colectores  solares planos son  sencillos, económicos y su mantenimiento es reducido pueden constituir una alternativa viable  y económica para el suministro de agua caliente sanitaria.

    V. REFERENCIAS

    1. Massipe Hernández, J.R. (2015) “Colectores solares planos: características y parámetros”. Blog NaRural. http://usosenergiasolar.energia-rural.com/2015/05/05/colectores-solares-planos-caracteristicas-y-parametros/
    2. Proyecto PER/98/G31: Electrificación rural a base de energía solar fotovoltaica en el Perú. 2005. “Atlas de energía solar del Perú”. Lima, Perú.

     

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    Enfoque termodinámico de la Energía Eólica

    el 2015/05/14 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías

    Dada la importancia que reviste para el futuro energético de la humanidad las fuentes  renovables,  entre las que se destacan la solar y la eólica (ver Fig.1). También originada en la luz solar, resulta necesaria la realización  de una profunda y detallada  caracterización de cada una de ellas desde el punto de vista  termodinámico. Se alcanza así con estos análisis  una valoración mas cercana a la realidad de las posibilidades de cada fuente se energía, de sus ventajas y limitaciones. Un caso en el que esto se pone de manifiesto con particular evidencia es el de la energía eólica.

    BM05_F1_Molino_de_viento_Aerogenerador1

    Si se piensa ahora en un aerogenerador, se advierte al instante que este dispositivo opera, termodinámicamente, a un nivel máximo de gradación de la energía. Por otra parte, dada su disponibilidad en algunos puntos de la superficie de La Tierra en cantidades apreciables,  y  a partir de lo señalado anteriormente,  resulta evidente que la energía eólica presenta la muy atractiva característica de que se trata de la posibilidad de producir energía eléctrica en cantidades apreciables en el balance energético de un país.

    Resulta indudable que la energía  eólica ha resultado muy adecuada para la producción de energía eléctrica, lo que la equipara en este aspecto a las fuentes las convencionales y la nuclear. Parecería que con relación a la energía del viento todo está resuelto y todo se resuelve, pero no es así. La  producción  de electricidad a partir  de generadores eólicos  esta sometida a toda una serie de problemas, algunos los cuales  tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.

    BM05_F2_Distribución gaussiana

    Fig. 2. Distribución gaussiana.
    Un concepto propio de la teoría  de la información, no de la termodinámica clásica,  el de   entropía de una distribución, caracteriza  adecuadamente esta situación y contribuye a dar, sin dudas,  una visión objetiva  y realista del viento como fuente de energía. La desviación media cuadrática de la gaussiana resulta clave en esta determinación.   tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.
    Un recordatorio necesario
    La Segunda Ley de la Termodinámica, sin dudas, uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XIX, subyace en la esencia misma de los procesos naturales.

     Por otra parte, una de las conclusiones más importantes  que se derivan de su  enunciado, constituidos por dos tesis independientes, específicamente de la primera de ellas, la referida a los procesos reversibles, es la existencia  de diferentes calidades o gradaciones de energía.  Una aplicación directa  de la clasificación  de Brillouin a las fuentes de energía  renovables más conocidas, arroja el siguiente resultado:

    1. Energía eólica y solar fotovoltaica (mecánica y eléctrica);
    2. Hidrógeno (química) a partir de la luz solar;
    3. Calentamiento de diversos tipos (calor).

    Los grupos son definidos en términos de calidad de la energía y, en este contexto,  el mecanismo de acción  de la II Ley se manifiesta del siguiente modo: los procesos  de conversión  de una forma de energía  superior a otra de inferior calidad transcurren espontáneamente,  que es lo mismo que decir sin compensación. Por el contrario,  las transformaciones energéticas en sentido inverso solo son posibles al precio de una compensación.

    El aerogenerador tiene lugar una convención de energía mecánica  en eléctrica. El viento tiene un intrínseco carácter aleatorio. Este carácter entrópico de la fuente eólica  afecta apreciablemente la fiabilidad operacional del sistema.

    Por otra parte la incertidumbre ligada a esta  característica del régimen de vientos puede ser descrita, mediante el concepto de entropía diferencial. La entropía diferencial, por el contrario,  se enmarca en la teoría  de la información, y como establece Dimitrev, es una medida  de la indeterminación  media de  una magnitud aleatoria.

    En una primera aproximación, esta idea puede ser entendida del modo siguiente: sea la salida del sistema de tal grado de aleatoriedad, que sean posibles  P  resultados de salida. Se dice entonces que la indeterminación viene dada por la expresión logarítmica:

    H  = log P                                                      (1)

    Ejemplo: sean 27 bolitas de aspecto exterior idéntico, Se conoce, sin embargo, que una de las bolitas es ligeramente más pesada que el resto del conjunto. De lo que se trata es de determinar el número mínimo de pesadas que es necesario realizar en una balanza de comparación, para detectar la bolita más pesada.

    Solución:

    De acuerdo con la formula  (1), evaluada para  P = 27, la indeterminación inicial es: H = log  27.

    Por otra parte, la incertidumbre eliminada en cada pesada es  log3, dado que tres son los resultados posibles de una pesada de comparación. De modo que el numero mínimo de pesadas viene dada por:

    BM05_F3_Fórmula
    y, por tanto, se tiene  n =  3.

    No resulta difícil comprobar que, efectivamente, agrupando inicialmente las 27 bolitas en tres grupos de nueve bolitas cada uno, el problema se resuelve en tres pesadas.

    Generalizando ahora el problema tratado anteriormente, se puede concluir que se trata de una aproximación sucesiva a la eliminación total de la incertidumbre inicial. En cada etapa, mediante la información se iba eliminando incertidumbre. Se trata de lo que se conoce como principio  Neguentropico de la información. Obviamente, neguentropia, en este contexto, es sinónimo de nivel de conocimiento sobre el sistema.

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    Colectores solares planos: características y parámetros

    el 2015/05/05 en Ingeniería / Consultoría, Solar Térmica

    Como parte de un estudio del comportamiento térmico de colectores solares planos para el suministro de agua caliente sanitaria en diferentes condiciones actinométricas y climáticas del planeta, se muestran tres instalaciones de colectores solares de uso generalizado, sus singularidades y parámetros que caracterizan su comportamiento térmico.  

    I.    Colectores solares planos en régimen forzado

    La principal características de las instalaciones en régimen forzado es que incluyen al menos una bomba para hacer circular el fluido de trabajo por el colector solar. En la Fig. 1 se muestra el colector solar y el esquema del sistema solar en régimen forzado.

     El sistema solar con colectores solares en régimen forzado  está compuesto por dos circuitos hidráulicos: el primero incluye a los colectores solares planos por cuyo interior circulara la sustancia de trabajo (en localidades con temperatura bajo cero se utiliza una solución acuosa anticongelante), bomba de circulación, centralita de control  y el tanque acumulador y el segundo contiene  un calentador de agua  como fuente auxiliar de energía,  una válvula de tres vías termostática que mezcla proporcionalmente agua fría de la red y agua caliente proveniente del tanque  para controlar  la temperatura del agua a la entrada del calentador auxiliar.

    B04F01_Colector solar plano en régimen forzado.

    Figura 1.  Colector solar plano y esquema del régimen forzado.

    II. Colector solar termosifónico

     La Fig. 2.  representa un colector solar termosifónico y el esquema de líneas de su instalación. Este tipo de sistema solar, generalmente, está compuesto por dos circuitos: uno el circuito solar entre el colector solar y el tanque acumulador puede llevar incorporado un  intercambiador de calor.  El segundo circuito es el de distribución del agua caliente sanitaria (ACS) a los puntos de consumo es similar al del sistema forzado.

    En estos sistemas el agua de red va directamente al tanque acumulador que puede tener intercambiador de calor o no en cuyo caso se calienta  directamente el agua del tanque. No tiene bomba de circulación ya que la circulación del fluido se produciría por convección natural debido a la diferencia de densidades, de ahí su nombre. Si fuese necesario por temperaturas menores de cero grado se utiliza en el primer circuito una solución acuosa anticongelante.

    B04F02_Colector solar termosifónico y esquema de líneas.

    Figura 2.  Colector solar termosifónico y esquema de líneas.

    III. Colector solar termoacumulativo

    La Fig. 3.  muestra un colector solar termoacumulativo y el esquema de líneas de su instalación. Los colectores solares termoacumulativos, también conocidos como autocontenidos, integrales  o compactos, incorporan en un mismo equipo las funciones de absorción de la energía solar y la de acumulación de la energía térmica, resulta más sencillo al no llevar incorporado ni bomba de circulación ni tanque termo exterior, como muestra el esquema de la Fig. 3. No requiere bombas de circulación para su uso.

    En este tipo de sistema solar está compuesto por un sólo circuito hidráulico. El agua de red va directamente al tanque termo-acumulador y de ahí al consumo. No tiene una bomba de circulación y si fuese necesario por las bajas temperaturas se utiliza opcionalmente una varilla de calefacción.  El colector solar termoacumulativo de cubierta mejorada  incorpora a la lámina de vidrio solar una lámina aislante transparente de  30 mm con el fin de minimizar las pérdidas de calor por la cubierta.

    B04F3_Colector solar termoacumulativo.

    Figura 3.  Colector solar termoacumulativo y su esquema de instalación.

    IV. Parámetros que caracterizan el comportamiento térmico

     El comportamiento térmico de los colectores solares se caracteriza por su curva de eficiencia [2]:

    B04F04_Eficiencia del colector solar plano

    La Tab. 1 muestra los valores de los parámetros del comportamiento térmico de los tres colectores solares estudiados. Para los colectores solares termoacumulativos hay que tomar en cuenta los valores promedios de la  irradiación y la diferencia de temperatura entre el agua al inicio  de su exposición a la radiación solar y el ambiente. La ecuación [1] de la eficiencia térmica del colector termoacumulativo viene dada por:

    B04F04_Eficiencia del colector solar termoacumulativo

    B04F04_Factor transmitancia_absortancia

    B04F04_Tabla1El término  puede expresarse en función de la incidencia normal, para cubierta de vidrio:

    V. Referencias

    1. Massipe Hernández, J.R. (2005). “Colectores solares termoacumulativos: Análisis numérico y experimental en regímenes estacionario y transitorio”. Tesis Doctoral. Universidad de Lleida. España.
    2. Duffie, J.A. and Beckman, W.A., (2006). “Solar engineering of thermal processes”. Editorial Mc Graw-Hill, 3er Edition.
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    Fotoconversión y Termoconversión de la luz solar

    el 2015/04/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Solar Térmica

    La fotosfera y la constante de Stephan-Boltzmann

    La radiación solar que llega a la Tierra procedente del Sol, en forma de luz visible procede de la fotosfera solar. Aproximadamente, se trata de un emisor de radiación de cuerpo negro a una temperatura cercana a los 6000 K. En la descripción de este proceso de transferencia de calor, la ley de Stefan—Boltzmann, la cual describe la emisión de radiación, juega un papel esencial

     La obtención de la fórmula de la constante de Stephan –Boltzmann solo es posible mediante la aplicación de métodos propios de la física estadística. La termodinámica clásica no permite obtener este resultado, en rigor, solo permite concluir que el cuerpo negro emite energía por unidad de tiempo proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T(K).

     La termodinámica estadística va más allá de esto, proporcionado la fórmula deseada. El efecto útil de este resultado, no consiste solo en  la obtención de la fórmula como tal, sino también en el hecho de que, a lo largo de la demostración, se puede apreciar con claridad el vínculo esencial existente entre las dos opciones de utilización de la luz solar como fuente de energía: la térmica y la fotovoltaica.  La solución de la integral (1) da como resultado:

    BM04r_F3_Fórmula1

    Nótese que se trata, hasta aquí de radiación en estado de equilibrio, por ejemplo radiación encerrada en una cavidad (ver Fig. 1).

    Sin embargo, ley de Stephan—Boltzmann se refiere a un proceso de emisión de radiación. Se trata de  un caso típico de un sistema en estado de desequilibrio en el que tiene lugar un proceso de transferencia de energía por radiación y establece que “un cuerpo negro emite radiación con una potencia emisiva hemisférica total, [W/m²] proporcional a la cuarta potencia de su temperatura”

    BM04r_F1Cavidad con radiación cuerpo negro equilibrio

    Fig. 1. Cuerpo negro en equilibrio.

    Sea la misma cavidad con radiación en equilibrio en su interior, en la que se ha practicado un orificio de forma que se ha convertido en un sistema emisor de radiación. Se conoce también que, de acuerdo con la teoría cuántica, los fotones viajan a la velocidad de la luz c y que estos abandonan la cavidad en proporción directa al diferencial de ángulo solido asociado a la dirección de su trayectoria,   obviamente, como una mitad de estos fotones va en una dirección y la otra en la contraria, resulta la expresión deseada:

    BM04r_F4_Fórmula2

    donde: es la constante de Stephan–Boltzmann y es  igual a 5,6704·10-8 Wm-2K-4.

    Esta expresión puede ser escrita de una forma diferente. Para ello es necesario introducir el concepto óptico de índice de refracción, el cual se define de acuerdo con la formula:

    BM04r_F5_Fórmula3

     En realidad se trata de la inclusión en el modelo del hecho físico de que la presencia de un medio dieléctrico de índice de refracción diferente de uno, modifica la expresión de la constante de Stefan–Boltzmann para el vacio, aumentando su valor. En el caso  de la fotosfera solar como emisor de radiación de cuerpo negro, se tiene n = 1.

    Interpretación física de la demostración: foto y termo conversión de la luz solar

     A los efectos de establecer una relación conceptual entre las dos formas básicas de utilización de la luz solar como fuente de energía, la térmica y la fotovoltaica, se pone de manifiesto el carácter integral de la emisión de energía térmica que describe la ley de Stefan—Boltzmann. Se trata de reparar en el hecho de que a la emisión de energía contribuyen todos los modos de vibración presentes en el espectro de emisión.

     Conceptualmente, la diferencia entre una forma u otra forma de conversión de la luz solar reside en el hecho de que la celda solar convierte la luz solar en energía eléctrica intervalo por intervalo de frecuencia, mientras el cuerpo que absorbe la luz, se calienta mediante un mecanismo fonónico y entonces emite radiación de acuerdo con la ley de Stephan-Boltzmann.

     Desde el punto de vista espectral, esto último lo hace ya integralmente, desentendiéndose de la distribución de frecuencias. Sin embargo, y esto es lo más importante, a ella contribuyen, como contribuyen también en el caso de la conversión fotovoltaica, los modos de vibración descritos anteriormente.

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    Fig.2. Colector solar plano y módulo fotovoltaivo.

     Dado que se trata de una forma menos detallada de conversión, la cual lleva implícito cierto nivel de desinformación y, por tanto, un proceso de conversión de una forma de energía en otra que tiene lugar con mayor grado de irreversibilidad, resulta esperable que el resultado final sea menos valioso, calor a baja temperatura, en contraposición a la energía eléctrica producida por la conversión fotovoltaica; una energía de máxima gradación, energía eléctrica, la que resulta del proceso de fotoconversion de la luz solar.

     

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