Protección contra sobrecalentamiento óptico

En todos los sistemas de colectores solares térmicos existe el riesgo potencial de que el colector solar alcance una temperatura de equilibrio o estancamiento superior a la temperatura máxima de funcionamiento segura . Se adoptan diversas medidas para la protección contra el sobrecalentamiento óptico .

Las temperaturas de estancamiento se presentan en condiciones de alta radiación cuando no circula fluido de transferencia de calor a través del colector, por ejemplo, durante cortes de energía, fallas de componentes, mantenimiento, limitaciones en la capacidad de almacenamiento de energía o períodos en los que se extrae poca agua caliente del sistema. ^{[ 1 ]} En términos más generales, las condiciones de estancamiento pueden considerarse cualquier situación en la que el colector solar no puede transferir adecuadamente el calor solar absorbido al fluido de transferencia de calor.

Además de los posibles efectos perjudiciales para el sistema, las altas temperaturas de estancamiento también imponen limitaciones a los materiales de los colectores. Estos materiales deben conservar sus propiedades importantes durante y después de la exposición a dichas temperaturas. Esto implica que los colectores solares suelen estar fabricados con materiales resistentes a altas temperaturas. Estos materiales suelen ser caros, pesados ​​y tienen un alto impacto ambiental. ^{[ 2 ]}

Los materiales poliméricos ofrecen un importante potencial de reducción de costes y mejora ambiental para los colectores solares térmicos y, por lo tanto, pueden contribuir a una utilización más amplia de la energía solar para diversos fines de calefacción. Sin embargo, la temperatura de servicio a largo plazo de los plásticos es limitada. Por consiguiente, para las posibles aplicaciones de plásticos en absorbedores solares, es esencial un diseño adecuado que incluya protección contra el sobrecalentamiento. ^{[ 3 ]} Algunas soluciones viables serían la reducción de la ganancia óptica (por ejemplo, mediante el uso de capas termotrópicas o dispositivos electrocrómicos ) o el aumento de las pérdidas del sistema, mediante la eliminación del exceso de agua caliente.

En este artículo se presenta un método alternativo para disminuir la ganancia óptica. El método se basa en la geometría de los prismas y el fenómeno de la reflexión interna total .

Según la ley de Snell , la luz no puede escapar de un medio cuando incide en su límite con un ángulo de incidencia (θ) mayor que el ángulo crítico (θc ₎ , un fenómeno óptico denominado reflexión interna total . El ángulo crítico se puede calcular mediante:

${\displaystyle \theta _{c}=Sin^{-1}({\frac {n_{1}}{n_{2}}}),\;{\frac {n_{1}}{n_{2}}}\leq 1}$

Para un medio de policarbonato , con un índice de refracción de n=1,59, colocado en una atmósfera de aire con un índice de refracción cercano a 1, la reflexión interna total ocurre cuando θ > θ _(c,aire) =39°.

Consideremos una estructura prismática de policarbonato con un ángulo de vértice α _1,2 =45° ubicada en una atmósfera de aire. Un rayo de luz que incide perpendicularmente sobre el medio sufre reflexión interna total, ya que θ _in =45°> θ _(c,aire) =39°. En presencia de agua, θ _(c,agua) =56,8° y θ _in =45°< θ _(c,agua) , la luz incidente simplemente se refracta y atraviesa el medio de policarbonato. Por lo tanto, el agua actúa como fluido conmutador. En teoría, el agua puede ser reemplazada por cualquier otro líquido, con un índice de refracción cercano al de la estructura prismática, para que actúe como fluido conmutador.

El interruptor óptico consta de un mecanismo autorregulado. En su estado pasivo , el interruptor está lleno de líquido y la luz lo atraviesa, calentando el sistema que se encuentra detrás. A medida que el sistema se calienta, el fluido de conmutación se evapora del interruptor óptico y la estructura prismática comienza a comportarse como una superficie reflectante. Deja de pasar luz a través del interruptor, limitando la temperatura máxima del sistema a la temperatura de evaporación del líquido. ^{[ 4 ]}

Debido a su geometría, el conmutador óptico es sensible al ángulo del haz incidente. Dependiendo de la forma de los prismas, la transmitancia del conmutador en su estado reflectante durante un día típico muestra una dependencia angular característica. Esta dependencia puede utilizarse para encontrar curvas de transmisión específicas para diferentes aplicaciones, donde la geometría de los prismas actúa como variable de entrada.

La principal aplicación para la que se desarrolló el interruptor óptico es la protección contra el sobrecalentamiento de los colectores solares térmicos. ^{[ 4 ]} La geometría prismática se puede integrar en la placa de cubierta de los colectores para evitar su sobrecalentamiento, ya sea mediante autorregulación por evaporación o drenando el agua del interruptor a una temperatura máxima específica. La limitación de temperatura permitiría el uso de materiales poliméricos en los colectores solares, reduciendo drásticamente el coste y aumentando la penetración en el mercado.

Otra aplicación de este interruptor se encuentra en las ventanas de viviendas y oficinas. La cantidad de luz solar que entra al edificio se puede controlar mediante el líquido interruptor. Al impedir la entrada de luz solar, se reduce la temperatura interior del edificio en días soleados.

Finalmente, el interruptor puede utilizarse en los techos de los invernaderos . Al activar el interruptor en estado reflectante, las plantas del invernadero pueden protegerse de los daños causados ​​por el sol intenso. Actualmente, los invernaderos se cubren con una capa de cal para proteger las plantas de la luz solar excesiva durante el verano. Aplicar esta capa de cal es laborioso y perjudicial para el medio ambiente. Además, una vez aplicada, la cal bloquea la luz solar en los días con menos sol. El interruptor óptico podría solucionar este problema mediante el mecanismo de conmutación descrito anteriormente.

La temperatura dentro del invernadero se puede regular activando ciertas secciones del techo y poniéndolas en estado reflectante. Además, el fluido refrigerante del techo se puede hacer circular para extraer el calor del invernadero. Estos métodos de refrigeración permiten que las ventanas (del techo) permanezcan cerradas y que el clima ( humedad relativa y niveles elevados de CO₂ ₎ se mantenga óptimo y constante.

El fluido de conmutación en el techo del invernadero puede utilizarse como filtro para una parte específica del espectro solar . El agua permite el paso de la luz PAR ( radiación fotosintéticamente activa , la luz que las plantas utilizan para crecer), mientras que absorbe la luz NIR ( infrarroja cercana ). La cantidad de luz NIR absorbida puede ajustarse disolviendo micropartículas de sulfato de cobre o arcilla en el fluido de conmutación. De esta forma, se pueden seleccionar las condiciones óptimas de crecimiento.

Algunos productos de invernadero, como las flores, se cultivan con luz artificial durante la noche. Esta luz artificial provoca contaminación lumínica en el invernadero. Cuando el techo del invernadero cuenta con un interruptor óptico bien diseñado, se vuelve reflectante durante la noche, lo que mantiene la luz artificial dentro del invernadero. Como efecto secundario, se necesita menos iluminación, ya que el techo actúa como un espejo eficiente.

• http://www.nat.vu.nl/~slaman/Optical%20switch/SolSwitch.php