SUPERFICIES SELECTIVAS Objetivos:
Determinar qué tipo de superficie es mejor absorbedora o emisora de calor (superficie selectiva).
Fundamento teórico: Cuando se estudian colectores solares y se realiza un balance energético de los mismos, se presenta la problemática de disponer de superficies que tengan una alta absortancia para la radiación solar visible y una baja emitancia para las radiaciones de onda larga (infrarrojo) lo cual se consigue ennegreciendo la superficie. Una superficie selectiva, placa metálica, es equivalente a una superficie semigris ideal, lo que conduce a considerarla como superficie gris en el espectro solar (Espectro visible e infrarrojo cercano λ < 3,0 μm) y también como superficie gris, en el infrarrojo lejano λ > 3,0 μm. Los efectos térmicos sobre el colector plano (placa metálica), se mejoran colocando un transmisor selectivo (cristal de la cubierta), frente a la placa absorbente, que origina un efecto invernadero. Absorbentes.- Tienen como misión absorber el máximo de energía solar, a pesar de que el sustrato no sea un buen absorbente, al tiempo que proporcionan una pequeña emitancia; podemos destacar los siguientes: a) Pinturas que tengan una alta absortancia respecto a la radiación solar y una alta transmitancia para radiaciones de onda larga y que pueden aplicarse a sustratos con emitancia baja. La pintura absorbe la energía solar y el sustrato se comporta como un pobre emisor de radiación de onda larga. b) Filtros de interferencia sobre sustratos de baja emitancia; los filtros se forman poniendo capas alternas metálicas y dieléctricas en películas de espesor igual a la cuarta parte de la longitud de onda para el visible y el infrarrojo cercano. c) Se suelen utilizar pinturas de tres capas tipo (SiO2-Al-SiO2) sobre sustratos de aluminio, que permiten una reflectancia inferior a 0,1 para frecuencias de energía solar y reflectancias superiores a 0,9 para radiaciones de onda larga en el infrarrojo. d) También es interesante mecanizar adecuadamente la estructura superficial de un metal de alta reflectancia, para hacer de la misma un buen absorbente de radiación de onda corta, λ < 3 μm; ésto se consigue haciendo en ella un picado, cavidades o surcos, de dimensiones próximas a λc; las cavidades funcionan absorbiendo las radiaciones de onda corta,
mientras que para las radiaciones de onda larga, se comportan como superficies lisas o planas (reflectoras). Con la utilización de superficies selectivas en los colectores de energía solar se obtiene una baja emitancia en frecuencias de onda larga así como una reducción de la absortancia solar. En la tabla siguiente se indican algunos tipos de preparados de superficies y tratamientos superficiales de las mismas. Asimismo, como los colectores tienen que funcionar durante años, las superficies van a estar expuestas a ambientes corrosivos y oxidantes, así como a temperaturas más o menos elevadas; los datos disponibles de α y ε se refieren, en general, a superficies recién estrenadas, no disponiéndose de datos sobre propiedades de radiación de superficies de colectores en funcionamiento después de largos períodos de tiempo, salvo en excepciones muy contadas.
Los colectores solares de placa selectiva han sido tratados electro químicamente, con la finalidad de que tengan una superficie con alto coeficiente de absorción y bajo coeficiente de reflexión hasta una temperatura de 250°C. El tratamiento electro-químico consiste generalmente en una capa de cromo negro sobre níquel, ambos sobre la placa captadora (generalmente de cobre-cobre, de cobre-aluminio o de acero). Este tratamiento permite aumentar notablemente las prestaciones del colector solar.
Materiales y equipos: o 01 Placa limpia y 01 Placa oxidada de dimensiones similares (40 x 30 cm). o Aislamiento de tecnopor. o 01 Cinta. o Cronometro. o Termómetro digital. o Lámparas generadores de calor.
Procedimiento:
Encender las lámparas generadoras de calor y colocarlas junto a las dos placas.
Cada 3 minutos anotar las temperaturas de las superficies de las dos placas. Realizar 11 mediciones. Luego apagar las lámparas generadoras de calor y dejar que la plaza se enfrié y cada 3 minutos anotar las temperaturas de las superficies de las placas. Realizar 11 mediciones.
Resultados y Cálculos: TA = Temperatura ambiente. TB = Temperatura de la placa limpia. TC = Temperatura de la placa oxidada. QB = Calor absorbido o perdido por la placa limpia. QC = Calor absorbido o perdido por la placa oxidada. Para los cálculos se tomara el calor especifico de las placas como: Cp = 0.394 KJ/Kg. Luego se halla los calores por unidad de masa para cada intervalo de tiempo de 3 minutos y finalmente se calculara el calor total que se gano o perdió durante todo el tiempo de calentamiento o enfriamiento respectivamente.
TIEMPO 10:20 10:23 10:26 10:29 10:32 10:35 10:38 10:41 10:44 10:47 10:50
CALENTAMIENTO (Calor ganado) TA (ºC) TB (ºC) TC (ºC) QB (KJ/Kg) 20,78 21,75 21,86 19,79 22,96 23,63 0,47674 19,6 24,36 25,61 0,5516 19,55 25,15 26,58 0,31126 19,55 25,71 27,4 0,22064 19,54 26,35 28,02 0,25216 19,63 26,9 28,63 0,2167 19,66 27,11 28,9 0,08274 19,67 27,14 28,98 0,01182 19,62 27,15 29,09 0,00394 19,53 27,18 29,26 0,01182 Q total 2,13942
QC (KJ/Kg) 0,69738 0,78012 0,38218 0,32308 0,24428 0,24034 0,10638 0,03152 0,04334 0,06698 2,9156
Por último se agregan dos graficas que muestran como aumentan o disminuyen las temperaturas con respecto al tiempo para calentamiento y enfriamiento respectivamente.
CALENTAMIENTO 30 29 28 27 26 25 TEMPERATURA 24 23 22 21 20
PLACA LIMPIA PLACA OXIDADA
10:19 10:33 10:48 10:12 10:26 10:40 10:55 TIEMPO
Conclusiones: La superficie que es mejor absorbedora o emisora de calor es la placa de latón oxidada. La placa de latón oxidada es una superficie selectiva ya que por ser mejor absorbedora es ideal para trabajar como placa captadora dentro de un colector solar.
Bibliografía: http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb01_calor.php http://www.cecu.es/campanas/medio %20ambiente/res&rue/htm/dossier/3%20solar%20termica.htm http://libros.redsauce.net/EnergiasAlternativas/solar/PDFs/02sol ar.pdf
