Modelación de un colector solar plano Integrado con materiales de cambio de Fase

Abstract

El presente trabajo se centra en el desarrollo de un modelo térmico capaz de predecir el comportamiento de los perfiles de temperaturas de los componentes de un Colector Solar Plano (CSP) integrado con Materiales de Cambio de Fase (MCF). Para la generación del modelo se realizó un balance térmico en cada componente del CSP y las ecuaciones resultantes fueron tratadas de manera iterativa utilizando el software de cálculo matemático MATLAB. Para tal propósito la metodología empleada fue obtener los perfiles de temperatura del CSP y posteriormente implementar los MCF para observar el fenómeno que ocurre principalmente con el fluido de trabajo en el colector. Los datos de entrada como radiación solar, velocidad del viento y temperatura ambiente fueron obtenidos de una base de datos experimental correspondiente a la ciudad de Mérida, de los cuales, fueron empleados cuatro días representativos del año. Del mismo modo, un análisis de factibilidad económica fue realizado con el fin de comprobar la viabilidad de implementar MCF en colectores solares desde el punto de vista económico, así como cuantificar el porcentaje de la ganancia sobre la inversión del proyecto. Como resultado de lo anterior, un modelo térmico de un CSP fue eficazmente desarrollado y verificado con estudios reportados previamente en la literatura. De los cuatro días evaluados, el que presentó las mejores condiciones ambientales fue el correspondiente al 24 de agosto, el cual fue empleado para obtener los resultados de temperaturas del fluido del CSP. Por otra parte, se seleccionaron tres MCF, con diferentes propiedades termofísicas y para cada uno se obtuvo una ecuación gobernante, la cual fue implementada en el modelo del balance térmico del colector. El MCF que presentó los mejores resultados para el fluido fue la parafina RT60/RT58, y se obtuvo una ganancia térmica de 1,470 kJ/kg utilizando un espesor de 30 mm, el cual resultó ser el espesor óptimo para este material. Respecto al análisis de factibilidad económica, se trataron dos casos: sector residencial y sector industrial y se propusieron diferentes cantidades de CSPs empleando el método f-chart. De igual modo, se calcularon los ahorros monetarios por el implemento de colectores en comparación al uso de gas LP como fuente de energía principal para el calentamiento de agua en cada sector. Como parámetro económico se calculó el Costo Presente Neto, para cada sector y en diferentes casos de cantidades de CSPs. El valor máximo obtenido para el sector residencial fue de $15,851.66 para 2 CSPs (caso sin MCF) y de $19,677.56 para 2 CSPs (caso con MCF), mientras que para el sector industrial se obtuvieron valores máximos de $34,023.19 correspondiente a 20 CSPs (caso sin MCF) y de $93,182.90 para 25 CSPs (caso con MCF). Como conclusiones principales, el empleo de la parafina RT60/RT58 como MCF fue el óptimo ya que se obtuvo la mayor ganancia térmica del fluido de trabajo del colector, debido a las propiedades termofísicas de la misma, lo cual resulta ser un material eficaz para implementar en colectores solares planos. Del mismo modo, el mejor escenario económico del sector residencial fue al implementar MCF en un sistema conformado por 2 CSPs, mientras que para el sector industrial el mejor escenario se obtuvo con 25 CSPs implementando MCF. De tal manera que con el implemento de MCF se obtiene una mayor ganancia térmica lo cual se traduce a un mayor ahorro, a diferencia de sistemas sin MCF, por lo que resulta altamente atractivo implementar este tipo de materiales en sistemas solares de colectores planos.