Modelo Unidimensional Estacionario de un Colector Solar de Aire. Simulación por Diferencias Finitas

Abstract

Un colector solar de aire opera como un intercambiador que transforma en calor la energía radiante proveniente del sol. Sus aplicaciones son vastas, utilizándose en el secado de productos agrícolas y como fuente de energía a baja temperatura en calefacción de edificios.
El calentamiento de aire con colectores solares de baja eficiencia es un proceso tecnológicamente simple y de bajo costo operativo. Sin embargo la baja densidad, baja capacidad calorífica y escasa conductividad térmica del aire limitan la eficiencia térmica de los colectores solares. Por ello, es deseable optimizar la transferencia de calor entre el absorbedor y el aire mediante la circulación de flujo turbulento, o por el incremento del área de intercambio entre el fluido y el absorbedor. Para ello se pueden utilizar absorbedores ondulados, o forzar la circulación del aire por arriba y debajo del absorbedor.
Se presenta en este trabajo la realización de un software para el prediseño estacional de colectores solares de aire. Para ello se incluye una implementación del método de estimación de irradiación solar diaria media mensual en cielo anisotrópico de Liu y Jordan, permitiendo obtener para una determinada localidad geográfica la estimación del recurso solar sobre plano horizontal, y sobre plano inclinado; además de estimar la temperatura diaria media mensual, la temperatura media nocturna y la hora de salida y puesta del sol, siendo estos parámetros necesarios en la cuantificación del recurso solar.
El software considera un modelo de colector solar estacionario, con circulación unidimensional forzada de aire. Se resuelve mediante diferencias finitas el sistema de ecuaciones diferenciales resultante del balance de energía en la cubierta transparente, el balance de energía sobre el fluido, y el balance de energía sobre la placa absorbedora. Se consideran además las pérdidas de calor hacia el ambiente, por viento, el intercambio radiativo a cielo abierto, y las pérdidas por conducción hacia el ambiente localizadas en el cuerpo del colector. Además, se contempla la circulación de aire por arriba del absorbedor, por debajo del mismo, y la circulación del aire a través (por arriba y debajo) del absorbedor.
Como resultado de la simulación se obtienen valores a lo largo del colector de temperatura de flujo de aire, temperatura de la cubierta del colector, y temperatura de la placa absorbedora, además de la eficiencia térmica del colector.