Aprovechamiento de la Energía Solar -...

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Tecnología Energética 08-09

Aprovechamiento de la Energía Solar• Captación activa a BAJAS TEMPERATURAS• Captación por CONCENTRACIÓN• Conversión FOTOVOLTAICA

• Efecto fotovoltaico• Uso: Energía Eléctrica

• Digestores• Destilación, Desalinización y Desinfección Solar• Secadores / Invernaderos• Cocinas Solares• Sistemas centralizados (torre solar + heliostatos)


Aprovechamiento de la Energía Solar

• Captación BAJA TEMPERATURA (Tª < 90ºC)

• Calentamiento de un fluido

• Elevada conductividad térmica

• Usos: Calefacción y A.C.S.• Captación por CONCENTRACIÓN (Tª > 100ºC)

• Aumentar el flujo de energía incidente sobre la superficie absorbente

• Usos: Refrigeración Solar, Producción de vapor y/o Energía Eléctrica

Aprovechamiento térmico de la Energía Solar → calentar un fluido

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaESQUEMA BÁSICO


Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura

Circuito hidráulico (válvulas, tuberías, bombas)

Sistema de regulación y control

Generador auxiliar

ESQUEMA BÁSICO

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaCOLECTOR – CAPTADOR → Incidente = Útil + Pérdidas

COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP) Paralelepípedo

Con CONCENTRACIÓNSin CONCENTRACIÓN

• Efecto INVERNADEROComponentes:

1 - Cubierta (Vidrio) 2 - Absorbedor (Superficie Selectiva)3 - Tubería de circulación del fluido4 - Aislamiento posterior5 - Carcasa protectora


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEfecto INVERNADERO

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEfecto INVERNADERO



Cubierta• Responsable del efecto invernadero• Asegurar la estanqueidad exterior• Alto coeficiente de transmisión en la banda VIS• Bajo coeficiente de transmisión en la banda IR• Bajo coeficiente de conductividad térmica• Propiedades mecánicas (Templado)• Tratamientos antirreflejantes

Pérdidas ↓

Absorbedor• Elemento donde la radiación solar se transforma en calor y se transmite al fluido• Superficie Selectiva (revestimiento especial para facilitar la absorción)• Criterios de selección:

• Tratamiento de la superficie (pintura / superposición)• Pérdidas de carga• Capacidad anti-corrosiva contra el fluido• Inercia térmica y sobrepresiones

COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP)

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaAislamiento

• Protege contra las pérdidas térmicas• Comportamiento con la temperatura• No desprenda vapores que condensen en la cubierta• Protegidos frente a la humedad

Carcasa• Misión: Proteger y soportar los elementos del colector• Rigidez• Capacidad anti-corrosiva • Resistencia a los cambios de temperatura • Aireación interior• Evite la retención de agua, hielo y/o nieve• Fácilmente desmontables


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaCOLECTOR DE PLACA PLANA (CPP): Balance Energético

• Condiciones estacionarias• Curva de Rendimiento : Índice de eficacia del colector

η = Útil/Incidente

Energía Incidente = Energía Útil + Pérdidas

• No toda la Energía Incidente es absorbida • Energía Total Absorbida: Q1 = S·I·τ·α• Pérdidas – Coeficiente Global de Pérdidas U (experimentalmente)

Q2 = S·U·(Tc – Ta) con TC: Tª placa absorbedora y Ta : Tª ambiente• Energía Útil (Q):

Q = S·[ I·α·τ - U·(Tc – Ta) ]Temperatura media del fluido: Tm =(Tent + Tsal)/2• No todo el calor absorbido es transformado: FR (factor de eficacia)Depende del caudal y las características de la placa

Q = S·FR·[ I·(α·τ)N - U·(Tm – Ta) ]

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaCURVA CARACTERÍSTICA: Rendimiento

• Ensayo en banco de pruebas• Índice de eficacia del colector η = Útil/Incidente

η = FR·[ (α·τ)N - U·(Tm – Ta)/I ]


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaClasificación (según sistema de INTERCAMBIO)

Circuito Abierto o DIRECTOCircuito Cerrado o INDIRECTO

Circuito abierto Circuito cerrado

Radiación

ColectorColector

Acumulador Acumulador

Intercambiador

Circuito abierto Circuito cerrado

Radiación

ColectorColector

Acumulador Acumulador

Intercambiador

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaClasificación (según principio de CIRCULACIÓN DEL AGUA)

Circulación NATURAL o TERMOSIFÓN (densidad del agua)Circulación FORZADA (uso de bombas)

Clasificación (según la DISTRIBUCIÓN DE LOS COMPONENTES)Sistemas COMPACTOS (colector, intercambiador y acumulador montados en una sola unidad)Sistemas PARTIDOS (separación entre elementos básicos, mejor integración arquitectónica)

Clasificación (según disposición del SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR)En LINEA o INSTANTÁNEOS: calienta el agua demandada, sin interferencias en el depósito ni colector; requiere elevada potencia → calentadores de gasEn ACUMULADOR SECUNDARIO, produce in incremento del coste y aumento de las pérdidasINTEGRADO EN ACUMULADOR PRINCIPAL (sencillez en el control y bajo coste; aporte de calor en la parte superior)


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEjemplo de sistema en TERMOSIFON COMPACTO

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEjemplo de sistema TERMOSIFÓN para consumo directo o acumulación intermedia


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEjemplo de sistema en circulación FORZADA ABIERTO

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEjemplo de sistema en circulación FORZADA INDIRECTO PARTIDO

Primario – solución anticongelante


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaEjemplo de sistema en circulación FORZADA INDIRECTO PARTIDO

Primario – fluido con anticongelante

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⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=+=

=+=+=

ααααα

α

costan

·tan·

tan·

tantan

00

021min

hsenLsenL

hsenL

zhzddd

h0 = (90º - φ) – 23,5

DISEÑO de la instalación → ÓPTIMO aprovechamiento

• Sujeción y Orientación (hacia el Hemisferio SUR)ÁNGULO DE INCLINACIÓN

Invierno Latitud del lugar + 10º

Verano Latitud del lugar - 10º

• Sombras (evitar que la exposición exceda del 5% de la superficie en el día más desfavorable)

• Distancia entre colectores


• Conexionado


Conexión en serie Conexión en paralelo ☺ Menores caudales, secciones más pequeñas y recorridos más cortos, reduce costes de instalación y operación Aumento de la temperatura producida, disminuye el rendimiento de la instalación; poco recomendable en termosifón

☺ Mayor rendimiento

Incrementa la longitud y diámetro de tuberíasVálvulas detentoras (equilibrar pérdidas de carga

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• Conexionado serie-paralelo


Captadores en filas, instalando válvulas de cierre a la entrada y salida de las baterías


• Documento Básico HE Ahorro de Energía del CTE (HE4)


1.- Se debe prestar especial atención en la estanqueidad y durabilidad de las conexiones del captador.2.- Los captadores se dispondrán en filas constituidas, preferentemente, por el mismo número de elementos. Las filas de captadores se pueden conectar entre síen paralelo, en serie ó en serie-paralelo, debiéndose instalar válvulas de cierre, en la entrada y salida de las distintas baterías de captadores y entre las bombas, de manera que puedan utilizarse para aislamiento de estos componentes en labores de mantenimiento, sustitución, etc. Además se instalará una válvula de seguridad por fila con el fin de proteger la instalación.3.- Dentro de cada fila los captadores se conectarán en serie ó en paralelo. El número de captadores que se pueden conectar en paralelo tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante. En el caso de que la aplicación sea exclusivamente de ACS se podrán conectar en serie hasta 10 m2 en las zonas climáticas I y II, hasta 8 m2 en la zona climática III y hasta 6 m2 en las zonas climáticas IV y V.4.- La conexión entre captadores y entre filas se realizará de manera que el circuito resulte equilibrado hidráulicamente recomendándose el retorno invertido frente a la instalación de válvulas de equilibrado

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• Acumulador: Acumulación de Energía


Variación temporal consumo → ACUMULACIÓNSe busca:

Alta capacidad calorífica con volumen reducido para conseguir una temperatura de utilización acorde con la necesidad.

Bajo coste, seguridad y larga duraciónTanque de acero inoxidable aislado con forma cilíndrica (mayor la vertical que la horizontal para favorecer la estratificación)


Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• Intercambiador

Sirve para ceder el calor absorbido por un líquido en el circuito de placas colectoras al agua de consumo

Supone:Pérdida de rendimiento del sistemaEleva el coste de la instalación

Selección:Rendimiento (relación entre energía obtenida e

introducida)Eficacia del intercambio ε (relación entre la energía

calorífica intercambiada y la máxima teórica, por unidad de tiempo)

η > 95% , ε > 0.7

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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• Electrobombas (suministran energía al fluido para transportarlo)

Las curvas de las electrobombas establecen la relación entre altura manométrica, rendimiento y potencia

Pensadas para vencer las pérdidas de carga para determinados caudales de circulación

• Protección y AislamientoProtección contra congelaciónProtección contra ebullición (en colectores y en

almacenamiento)Aislamiento, espesor y tipo de tubería


Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• Depósito de expansión (absorber dilataciones del agua)

V = 1.25·VC +0.05·VR

• Válvulasde seguridad (contra sobrepresiones)antirretorno (evita la recirculación inversa)de paso (interrupción del paso)

• Purgadores y desaireadores (evacuar gases en el fluido)• Termostato diferencial y sondas de temperatura (sistema de control)• Resistencias calefactoras (sistema auxiliar)• Grifos de vaciado (mantenimiento)

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Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaCálculo de la SUPERFICIE COLECTORA (cobertura ÓPTIMA)

• Método F-Chart

• Diversos métodos de cálculo pero ninguna asegura el óptimo Cada método parte de criterios diferentes como base de selección de la superficie de colectores


Instalación Solar Térmica de Baja TemperaturaMétodo estimación aportación solar igual al consumo (mes medio)

Cálculo de la radiación media-diaria mensualCálculo de la intensidad útil

I = Rad. Media-diaria mensual / Tiempo útil del día

7,58,09,09,09,59,59,59,59,59,09,08,0

DICNOVOCTSEPAGOJULJUNMAYABRMARFEBENEEjemplo de tiempo útil (horas) de radiación solar (Provincia de Pontevedra)

Cálculo del rendimiento del colector

η= FR·[ (α·τ)N - U·(Tm – Ta)/I ]Correcciones: 0.97 por ángulo de incidencia y efecto suciedad y envejecimiento

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Cálculo de la aportación solar en un día medio por m2 (EA)EA = η · Rad. Media diaria mensual

Cálculo de la energía neta mensual disponible por m2 (Ed)Estimación de las pérdidas (acumulador- intercambiador):

Sin datos : Ed = 0.85·EA·nº días del mes

Consumo concentrado en horas punta

Ed = 0.8·EA·nº días del mes

Consumo en últimas horas del día

Ed = 0.9·EA·nº días del mesCálculo de la superficie de colectores

Área necesaria = Σ Necesidades Energéticas mes / Σ Ed



LIMITACIONES

Más válido cuanto más se ajuste la curva de la demanda a la de energía neta disponible

Se considera el día medio del mes con días de mayor radiación

No considera los costes de la instalación

Método aproximado → SIMULACIÓN

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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• MÉTODO F-ChartMétodo de estimación de la cobertura solar para determinar la aportación del calor total necesario para cubrir las cargas térmicas y de su rendimiento medio a largo plazo

Secuencia en el cálculo:1. Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento de agua destinada a la producción de A.C.S. o calefacción2. Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada del captador o captadores3. Cálculo del parámetro D14. Cálculo del parámetro D25. Determinación de la gráfica f6. Valoración de la cobertura solar mensual7. Valoración de la cobertura solar anual y formación de tablas

Parámetro f : fracción de la carga calorífica mensual aportada por el sistema de energía solar



Cálculo de las cargas caloríficas (calor necesario mensual)Qa = Ce·C·N·(Tac-Tred)

Cálculo del parámetro D1 (Energía absorbida / Carga calorífica mensual)

D1 = S·FR’(ατ)·I·N / Qa

FR’(ατ) = factor adimensional dependiente del captador

• MÉTODO F-Chart

Cálculo del parámetro D2 (Energía perdida / Carga calorífica mensual)

D2 = S·FR’UL·(100-Ta)· ΔT·K1·K2 / Qa

FR’UL = FRUL·(FR’/FR)

FRUL = pendiente de la curva característica

(FR’/FR) = factor de corrección del conjunto captador-intercambidor

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K1 = Factor de corrección por almacenamiento. Siempre que la capacidad de acumulación sea diferente de 75 litros de agua por cada m2 de superficie de captador, D2 es corregido por K1,

K1 = [ Kg de acumulación / (75 ⋅ S) ]-0,25 37,5 < (kg acumulación) / (m2 captador) < 300

K2 = Factor de corrección, para A.C.S., que relaciona la temperatura mínima del A.C.S (Tac), la del agua de la red (Tred) y la media mensual ambiente (Ta), dado por

K2 = 11,6 + 1,18 Tac + 3,86 Tred - 2,32 Ta / (100-Ta)

Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• MÉTODO F-Chart

Cálculo de la fracción f

f = 1,029·D1 - 0,0065·D2 - 0,245·D12 + 0,0018·D22 + 0,0215·D13

Con los límites de aplicación: 0 < D1 < 3 y 0 < D2 < 18


Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura• MÉTODO F-Chart

Energía útil captada cada mes (Qu) :Qu = f . Qa

Cálculo iterativo para cada mes

Cálculo de la Cobertura Anual

• ALMACENAMIENTOCaracterísticas a considerar para diseñar y calcular

1.- Capacidad por unidad de volumen 2.- Rango de temperaturas en el que funciona3.- Estratificación de temperaturas en el depósito de producirse este fenómeno4.- Energía media asociada a la temperatura que ha de recibir y/o ceder el sistema

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