El calentamiento solar del aire es una tecnología solar térmica en la que la energía del sol, la insolación , es capturada por un medio absorbente y se utiliza para calentar el aire. [1] El calentamiento de aire solar es una tecnología de calentamiento de energía renovable que se utiliza para calentar o acondicionar el aire para edificios o aplicaciones de calor de proceso. Por lo general, es la más rentable de todas las tecnologías solares, especialmente en aplicaciones comerciales e industriales, y aborda el mayor uso de energía de construcción en climas de calefacción, que es la calefacción de espacios y la calefacción de procesos industriales.
Los colectores solares de aire se pueden dividir en dos categorías: [2]
- Colectores de aire sin vidriar o colector solar transpirado (utilizado principalmente para calentar el aire ambiente en aplicaciones comerciales, industriales, agrícolas y de procesos)
- Colectores solares vidriados (tipos de recirculación que se utilizan generalmente para calefacción de espacios)
Tipos de coleccionistas
Los colectores solares para el calor del aire pueden clasificarse por sus trayectorias de distribución de aire o por sus materiales, como vidriados o no vidriados. Por ejemplo:
- colectores de paso
- pase frontal
- pase atrás
- colectores combinados de pases delanteros y traseros
- sin vidriar
- vidriado
Colectores de aire sin vidriar y colectores solares transpirados
Fondo
El término "colector de aire sin vidriar" se refiere a un sistema de calentamiento de aire solar que consiste en un absorbedor sin vidrio ni vidriado en la parte superior. El tipo de colector no vidriado más común en el mercado es el colector solar transpirado. [3] Esta tecnología fue inventada y patentada por el ingeniero canadiense John Hollick de Conserval Engineering Inc. en la década de 1990, [4] quien trabajó con el Departamento de Energía de EE. UU. ( NREL ) y Natural Resources Canada en la comercialización de la tecnología en todo el mundo. . [5] La tecnología ha sido monitoreada extensamente por estas agencias gubernamentales, y Natural Resources Canada desarrolló la herramienta de viabilidad RETScreen [6] para modelar los ahorros de energía de los colectores solares transpirados. John Hollick y el colector solar transpirado fueron honrados por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) en 2014 como uno de los mejores inventos de la era industrializada, junto con Thomas Edison, Henry Ford, la máquina de vapor y el Canal de Panamá, en un Exposición de Nueva York que reconoce los mejores inventos, inventores y hazañas de la ingeniería de los dos últimos siglos.
Se han instalado varios miles de sistemas colectores solares transpirados en una variedad de aplicaciones comerciales, industriales, institucionales, agrícolas y de procesos en más de 35 países de todo el mundo. [7] [8] La tecnología se usó originalmente principalmente en aplicaciones industriales como plantas de fabricación y ensamblaje donde había altos requisitos de ventilación, calor estratificado del techo y, a menudo, presión negativa en el edificio. Ford Motor Company instaló el primer colector transparente sin vidriar del mundo en su planta de ensamblaje en Oakville, Canadá. [9]
Con el creciente impulso para instalar sistemas de energía renovable en los edificios, los colectores solares transpirados ahora se utilizan en todo el parque de edificios debido a la alta producción de energía (hasta 500-600 vatios térmicos pico / metro cuadrado), alta conversión solar (hasta 90% ) y menores costos de capital en comparación con la energía solar fotovoltaica y el calentamiento solar de agua. [10]
Método de operación
Los colectores de aire sin vidriar calientan el aire ambiente (exterior) en lugar del aire recirculado del edificio. Los colectores solares transpirados generalmente se montan en la pared para capturar el ángulo solar más bajo en los meses de calefacción de invierno, así como el reflejo del sol en la nieve y lograr su rendimiento óptimo y retorno de la inversión cuando operan a tasas de flujo de entre 4 y 8 CFM por pie cuadrado (72 a 144 m3 / h.m2) de área colectora.
La superficie exterior de un colector solar transpirado consta de miles de microperforaciones diminutas que permiten que la capa límite de calor sea capturada y atraída uniformemente hacia una cavidad de aire detrás de los paneles exteriores. Este aire de ventilación calentado por energía solar se introduce en el sistema de ventilación del edificio desde salidas de aire ubicadas a lo largo de la parte superior del colector y luego se distribuye en el edificio por medios convencionales o mediante un sistema de conductos solares.
El extenso monitoreo de Natural Resources Canada y NREL ha demostrado que los sistemas de colectores solares transpirados reducen entre un 10 y un 50% de la carga de calefacción convencional y que RETScreen es un predictor preciso del rendimiento del sistema. [11]
Los colectores solares transpirados actúan como una pantalla de lluvia y también capturan la pérdida de calor que se escapa de la envolvente del edificio, que se recoge en la cavidad de aire del colector y se devuelve al sistema de ventilación. No se requiere mantenimiento con los sistemas de calefacción de aire solar y la vida útil esperada es de más de 30 años. [12]
Variaciones de captadores solares transpirados
Los colectores transpirados no vidriados también se pueden montar en el techo para aplicaciones en las que no hay una pared orientada al sur adecuada o para otras consideraciones arquitectónicas. Varias empresas ofrecen colectores de aire transpirado adecuados para montaje en techo, ya sea montados directamente en un techo de metal inclinado o como módulos fijados a conductos y conectados a ventiladores y unidades HVAC cercanas.
También son posibles temperaturas más altas con colectores transpirados que se pueden configurar para calentar el aire dos veces para aumentar el aumento de temperatura, lo que lo hace adecuado para la calefacción de espacios de edificios más grandes. En un sistema de 2 etapas, la primera etapa es el típico colector transpirado sin vidriar y la segunda etapa tiene vidriado que cubre el colector transpirado. El acristalamiento permite que todo ese aire calentado de la primera etapa se dirija a través de un segundo conjunto de colectores transpirados para una segunda etapa de calentamiento solar.
Otra innovación es recuperar el calor de los módulos fotovoltaicos (que a menudo es cuatro veces más que la energía eléctrica producida por el módulo fotovoltaico) mediante el montaje de los módulos fotovoltaicos en el sistema de aire solar. En los casos en que exista un requisito de calefacción, la incorporación de un componente de aire solar en el sistema fotovoltaico proporciona dos ventajas técnicas; elimina el calor fotovoltaico y permite que el sistema fotovoltaico funcione más cerca de su eficiencia nominal (que es de 25 C); y disminuye el período de recuperación de energía total asociado con el sistema combinado porque la energía térmica se captura y se utiliza para compensar el calentamiento convencional.
Sistemas de aire vidriado
Al funcionar de manera similar a un horno de aire forzado convencional, los sistemas proporcionan calor recirculando el aire acondicionado del edificio a través de colectores solares . Mediante el uso de una superficie colectora de energía para absorber la energía térmica del sol y conduciendo el aire para que entre en contacto con ella, se puede fabricar un colector simple y eficaz para una variedad de aplicaciones de aire acondicionado y procesos.
Un colector de aire solar simple consta de un material absorbente, a veces con una superficie selectiva , para capturar la radiación del sol y transferir esta energía térmica al aire mediante transferencia de calor por conducción. Este aire calentado luego se conduce al espacio del edificio o al área de proceso donde el aire calentado se usa para calentar espacios o para calentar el proceso.
La figura pionera para este tipo de sistema fue George Löf , quien construyó un sistema de aire calentado por energía solar para una casa en Boulder, Colorado, en 1945. Más tarde incluyó un lecho de grava para el almacenamiento de calor. [13]
Colector de aire de paso
En la configuración de paso de paso, el aire conducido a un lado del absorbedor pasa a través de un material de tipo perforado o fibroso y se calienta a partir de las propiedades conductoras del material y las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbedores de paso tienen la mayor superficie, lo que permite tasas de transferencia de calor conductivo relativamente altas, pero una caída de presión significativa puede requerir una mayor potencia del ventilador, y el deterioro de cierto material absorbente después de muchos años de exposición a la radiación solar puede crear además problemas con la calidad y el rendimiento del aire. .
Colector de aire de paso trasero, delantero y combinado
En configuraciones de tipo de paso posterior, paso frontal y combinación, el aire se dirige hacia la parte posterior, el frente o ambos lados del absorbedor para ser calentado desde el retorno hasta los cabezales de los conductos de suministro. Aunque pasar el aire en ambos lados del absorbedor proporcionará una mayor área de superficie para la transferencia de calor por conducción, pueden surgir problemas con el polvo (ensuciamiento) al pasar aire por la parte frontal del absorbedor, lo que reduce la eficiencia del absorbedor al limitar la cantidad de luz solar recibida. . En climas fríos, el aire que pasa junto al acristalamiento provocará además una mayor pérdida de calor, lo que resultará en un rendimiento general más bajo del colector.
Aplicaciones de calor de aire solar
Una variedad de aplicaciones pueden utilizar tecnologías solares de calor del aire para reducir la huella de carbono del uso de fuentes de calor convencionales, como los combustibles fósiles , para crear un medio sostenible para producir energía térmica. Las aplicaciones como la calefacción de espacios , la extensión de la temporada de invernaderos, el aire de reposición de ventilación de precalentamiento o el calor de proceso pueden abordarse mediante dispositivos de calor de aire solar. [14] En el campo de la 'cogeneración solar', las tecnologías solares térmicas se combinan con la energía fotovoltaica (PV) para aumentar la eficiencia del sistema enfriando los paneles fotovoltaicos para mejorar su rendimiento eléctrico y, al mismo tiempo, calentar el aire para calentar espacios. [ cita requerida ]
Aplicaciones de calefacción de espacios
La calefacción de espacios para aplicaciones residenciales y comerciales se puede realizar mediante el uso de paneles solares de calefacción de aire. Esta configuración opera extrayendo aire de la envolvente del edificio o del ambiente exterior y haciéndolo pasar a través del colector donde el aire se calienta por conducción desde el absorbedor y luego se suministra al espacio habitable o de trabajo por medios pasivos o con la ayuda de un ventilador. En los viejos tiempos, antes del aire acondicionado, hacía calor dentro de los edificios, durante el día, debido al calor del sol. Incluso en los coches, la temperatura interior puede superar los 50 grados centígrados, si las ventanillas están subidas y no es necesario encender la calefacción.
Aplicaciones de calor de proceso
El calor del aire solar también se puede utilizar en aplicaciones de procesos como el secado de ropa, cultivos (es decir, té, maíz, café) y otras aplicaciones de secado. El aire calentado a través de un colector solar y luego pasado sobre un medio para que se seque puede proporcionar un medio eficaz para reducir el contenido de humedad del material.
Aplicaciones de enfriamiento nocturno
El enfriamiento por radiación hacia el cielo nocturno se basa en el principio de pérdida de calor por radiación de onda larga desde una superficie cálida (techo) a otro cuerpo a una temperatura más baja (cielo). En una noche despejada, una superficie típica que mira hacia el cielo puede enfriarse a una velocidad de aproximadamente 75 W / m2 (25 BTU / h / pie2). Esto significa que un techo de metal que mira hacia el cielo estará más frío que la temperatura del aire circundante. Los recolectores pueden aprovechar este fenómeno de enfriamiento. A medida que el aire cálido de la noche toca la superficie más fría de un colector transpirado, el calor se transfiere al metal, se irradia al cielo y luego el aire enfriado se aspira a través de la superficie perforada. A continuación, se puede aspirar aire frío a las unidades de HVAC. Véase también [9] [15] [16]
Aplicaciones de ventilación
Al extraer aire a través de un colector de aire o un calentador de aire correctamente diseñado, el aire fresco calentado con energía solar puede reducir la carga de calefacción durante el funcionamiento soleado. Las aplicaciones incluyen colectores transpirados que precalientan el aire fresco que ingresa a un ventilador de recuperación de calor, o la succión creada al ventilar el aire caliente de alguna otra chimenea solar .
Ver también
Referencias
- ^ "Colectores solares térmicos - energía explicada, su guía para comprender la energía - administración de información energética" . Tonto.eia.doe.gov. 2013-05-29 . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ "Oficina de Fabricación Avanzada: Energía Industrial Distribuida" . Eere.energy.gov . Consultado el 4 de mayo de 2014 .
- ^ "Encuesta de captadores solares térmicos activos, industria y mercados en Canadá" (PDF) . Agosto de 2010 . Consultado el 3 de agosto de 2011 .
- ^ "Perfil de la empresa SolarWall®" . Conserval Engineering Inc . Consultado el 3 de mayo de 2014 .
- ^ Patente de EE.UU. 4899728 , HOLLICK JOHN C; PETER ROLF W, "Método y aparato para precalentar el aire de ventilación de un edificio", publicado el 17 de julio de 1998
- ^ "RETScreen International Home" . Recursos naturales de Canadá . Consultado el 3 de mayo de 2014 .
- ^ "Uso de la energía solar en la agricultura de Estados Unidos, descripción general y cuestiones de política" (PDF) . Departamento de Agricultura de los Estados Unidos . Consultado el 4 de agosto de 2011 .
- ^ Siegele, Lindsey. "Tecnología de calentamiento de aire solar SolarWall" . Noticias de la Madre Tierra . Archivado desde el original el 30 de marzo de 2012 . Consultado el 4 de agosto de 2011 .
- ^ a b "Colectores Transpirados (Precalentadores Solares para Aire de Ventilación Exterior)" (PDF) . Alerta de tecnología federal . Programa federal de administración de energía. Laboratorio Nacional de Energías Renovables. Abril de 1998. DOE / GO-10098-528 . Consultado el 25 de julio de 2010 .
- ^ Brown, David. "Una evaluación de la calefacción solar del aire en las instalaciones de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos" (PDF) . Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea . Consultado el 4 de agosto de 2011 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ "El aire fresco calentado con energía solar reduce los costos de calefacción" (PDF) . NREL. 1994 . Consultado el 4 de agosto de 2011 .
- ^ "Ventilación solar precalentada" (PDF) . Centro de Servicios de Ingeniería de Instalaciones Navales . Centro de Servicios de Ingeniería de Instalaciones Navales . Consultado el 3 de agosto de 2011 .
- ^ Denzer, Anthony, "George Löf: Denver's Solar Pioneer" (PDF) , Conferencia Solar Nacional de ASES 2012
- ^ Alianza de Energías Renovables Rurales. "Conceptos básicos del calor del aire solar" . Consultado el 5 de julio de 2011 .
- ^ "Ahorro solar: una mirada al interior de las paredes metálicas solares" . Revista Arquitectura Metálica. Archivado desde el original el 31 de marzo de 2012 . Consultado el 1 de septiembre de 2011 .
- ^ Lombardi, Candace. "La energía solar montada en el techo también ayuda a enfriar" . CNET . Consultado el 1 de septiembre de 2011 .