Captura y Almacenamiento Solar

7/26/2019 Captura y Almacenamiento Solar

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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUTRIAL

CAPTURA Y ALMACENAMIENTO SOLAR

PARA USOS DOMESTICOS DE ALTA

TEMPERATURA

Autor: M de las Mercedes Belinchn MuozDirector: Domingo Guinea Daz

MadridJunio 2011


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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

1.1 : .................... 4

1.2 . . ...... 14

1.3 ................................... 23

2.1 ......................................................................................... 28

2.2 ................................................................................................. 30

2.3 ................................................................................................ 36

2.4 .............................................................................................. 40

2.5 ........................................................................................... 42

2.6 ............................................................................................ 48

2.6.1 ......................................................................................................................... 492.6.2 ........................................................................................................................... 49

2.6.3 .................................................................................................... 49

3.1 ............................................................................ 53

3.2 .................................................................................................. 57

4.1 ............................................................................................... 65

4.2 .............................................................................................. 72


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ndice de figurasF. 1: (F: D ) ............................. 4

F. 2: D ..................................................... 9

F. 3: ............................................ 9

F. 4: ..................................... 10

F. 5: ($/2) ($/) ............................................................... 11

F. 6: (F: DAE) .......................................................... 13

F. 7: (F: .) ................................................... ........................ 15

F. 8: (F: E).............................................................................. 15F. 9: D

(F: DAE) ................................................................................................................................. 18

F. 10: (F: A CA) ................ 19

F. 11: E (C ) ............. 20

F. 12: AC (F: ) . 23

F. 13: D 2005, (F: DAE) .................... 24

F. 14 : E (F: .) ............................. 25

F. 15: D ......................... 26F. 16: .......................................................... ............ 30

F. 17: E ................................................................... ............................... 31

F. 18: F ........................................................ 33

F. 19: F ............................................................. 34

F. 20: F ................................................................................... 35

F. 21: C CC ................................................... 37

F. 22: C ............................................................ 38

F. 23: C ........................................................ ............. 39

F. 24: 350 C (F: D) ................ 41

F. 25: (F: A) ................................................. 42

F. 26: C ........................................................ 42

F. 27: 201100273. 44

F. 28: 201100273. ................. 45

F. 29: (F: . C.) 46

F. 30: ............................................. 52

F. 31: D ........................... 52


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F. 32: D ................................................ 53

F. 33: A 40,5 3.5 (F: AA) ................. 54

F. 34: CC ............................................ 56

F. 35: ................................................................... 58

F. 36: E ......................................................................................... 59

F. 37: C ............................................................................. 61

F. 38: D ................................................................................... 62

F. 39: ........................................................................................ 64

F. 40: (F: ). .................................................................................. 68

F. 41: (F: ) ............................................................... ........... 68

F. 42: (F: ) ............................ 69

F. 43: (F: ) ....................................................................... 70

F. 44: (F: ) ............................................ 70

F. 45: . .............................................................................. 71

F. 46: ................................ 73

F. 47: ................................................................................................. 74

F. 48: ........................................................................................... 76

F. 49: (8 2 20

2). .................... 77

F. 50: ...................................................... 78

F. 51: ........................................... 79

F. 52: D . ................................... 80

F. 53: D .................................................................................................... 81

F. 54: .................................... 82

F. 55: () (F: C) ..................................... 84

F. 56: () (F: C) ......................... 85

F. 57: . ............................................................................... 87

F. 58: CC ........................................................... 88

F. 59: . ................................................................. ............................. 90

F. 60: D ..................................................... ............. 91

F. 61: D ...................... 94


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Captulo 1

INTRODUCCIN

1.1Situacin general: de la energa de los fsiles a las renovables

La energa es necesaria en todas las actividades realizadas por los seres vivos, y

ms concretamente en las llevadas a cabo por el ser humano, lo que supone un

papel fundamental en el desarrollo tecnolgico e industrial.

En un principio, el nico medio de produccin de energa que conoca el hombre

era el suministrado con el trabajo del propio ser humano o en su defecto, el

realizado por los animales. Posteriormente el ser humano descubri en la

naturaleza una fuente de energa inagotable.

Mucho antes de la revolucin industrial, las fuentes de energas renovables fueron

utilizadas como fuente de energa por el hombre durante miles de aos, hasta hace

relativamente poco tiempo, cuando fueron desterradas por su baja eficiencia y

rendimiento.

Fig. 1: Molino de agua para producir movimiento (Fuente: Deutsche Museum)


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El uso de energa elica para mover los molinos o el uso de la energa solar para

el calentamiento del agua fueron sustituidos durante la revolucin industrial por elcarbn, materia producida durante millones de aos en el interior de la tierra que

ms tarde se producira de manera artificial.

El carbn fue durante la revolucin industrial del siglo XVIII y XIX, una fuente

de energa mucho ms importante y rentable que cualquier otro tipo de energa (y

mucho ms que las renovables), ya que era fcil de almacenar y tena una

disponibilidad y una capacidad energtica que las energas renovables no tenan.

Las denominadas energas renovables fueron desplazadas a un segundo lugar, y enmuchos casos olvidadas completamente.

Durante mucho tiempo el carbn fue punto fundamental que permiti el desarrollo

de la industria, hasta que a lo largo del siglo XX el petrleo fue sustituyendo al

carbn entre otras razones, por su mayor limpieza, mayor poder calorfico y su

carcter fluido.

El petrleo es un lquido oleoso de origen natural compuesto por diferentes

sustancias orgnicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficieterrestre y se emplea como combustible para numerosos usos. El petrleo y sus

derivados se emplean para fabricar fertilizantes, productos alimenticios, objetos

de plstico, materiales de construccin, pinturas o textiles y para generar

electricidad. Las aplicaciones del petrleo son tantas, que hoy en da no se

concibe la idea de vivir sin l.

El petrleo se form, al igual que el carbn, bajo la superficie terrestre por la

descomposicin de materia orgnica durante miles de aos. El proceso deformacin comenz hace millones de aos, y contina hasta el presente. Con el

tiempo la materia orgnica depositada en el fondo durante aos se fue haciendo

ms espesa y se hundi en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que

fueron acumulndose depsitos adicionales, la presin sobre los situados ms

abajo se multiplic, y la temperatura aument. El petrleo y el gas natural

formado por procesos de formacin natural ascienden a travs de los poros

microscpicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia se


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encuentran una capa de roca densa; entonces el petrleo queda atrapado y no

puede ascender mas, formando un depsito hasta que el yacimiento esdescubierto.

Es necesario mencionar que, ni todos los yacimientos son iguales (tanto en

composicin como en cantidad o calidad del petrleo y gas natural) ni se conoce

la situacin de todos ellos.

Los depsitos de petrleo se van descubriendo y explotando en funcin de la

tecnologa existente en el momento, lo que supone una incgnita en cuanto a qu

cantidad de petrleo queda por consumir y explotar en el mundo.En torno al petrleo se ha desarrollado, y se desarrolla actualmente, toda la

industria.

El crecimiento de la industria y el transporte, entre otros, ha producido que su

consumo aumente y se produzca a una velocidad mayor que la velocidad de

produccin natural (regeneracin de la fuente de energa), por lo que no se sabe si

se podr garantizar la existencia de ms reservas de este tipo de energas.

El hecho de que este tipo de energa fsil se terminase provocara no solo crisis

energticas sino crisis econmicas derivadas de la falta de combustibles fsiles y

otro tipo de energas que los sustituyan.

Actualmente existe un debate en torno a cules son las reservas actuales

mundiales de petrleo y la estimacin de tiempo hasta su completo consumo, lo

que genera dudas en torno al futuro de este tipo de energa, la aparicin de nuevos

yacimientos y el avance de la tecnologa impiden dar con exactitud el tiempo

estimado de combustible que queda.

En el siglo XX, apareci un recurso nuevo, ms limpio que los dos anteriores; el

gas natural.

El gas natural est formado por una mezcla de gases ligeros que puede

encontrarse en yacimientos de petrleo, en depsitos de carbn o en yacimientos

nicamente de gas.


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Su composicin, al igual que la del petrleo, puede variar en funcin de sus

componentes o el yacimiento en el que se encuentra; est compuestoprincipalmente por metano en cantidades que comnmente pueden superar el 90

95%.

No obstante, y puesto que su uso se ha ido incrementando deprisa es de suponer

que tarde o temprano se producir una crisis como con las dos fuentes de energa

anteriores, ya sea por su contaminacin como fuente de energa o por la falta de

yacimientos explotables.

Durante este siglo se desarroll otro tipo de energa, que a pesar de que haba sidoestudiado durante mucho tiempo antes, no haba sido utilizado hasta el momento:

la energa nuclear.

La energa nuclear o atmica es la energa que se desprende de manera artificial o

natural de las reacciones nucleares.

Este tipo de energa tuvo multitud de aplicaciones tanto energticas como blicas

(produccin de energa elctrica, energa trmica etc.) lo que supuso un gran

avance en la produccin de energa barata.

No obstante este tipo de energa siempre ha tenido un fondo oscuro (ya sea por

sus aplicaciones blicas, por los accidentes ocurridos en centrales nucleares y los

residuos radiactivos que deja) que la hacen ver como un tipo de energa

supuestamente barata pero altamente contaminante y peligrosa.

Desde hace algunos aos, algunos gobiernos se plantean el cierre de sus centrales

nucleares, a sabiendas que estas son la principal fuente de energa barata y

considerada nacional que se tiene.

Durante los ltimos aos, y no solo preocupados por el futuro agotamiento de los

recursos energticos fsiles sino tambin por el medio ambiente y el impacto del

ser humano sobre l, se han estado desarrollando sistemas de produccin

energtica a partir de energas renovables que fueron anteriormente utilizadas.

Hoy en da, el trmino y la definicin de energa renovable es conocido por todo

el mundo, sin embargo se define como aquella energa que se produce de manera


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continua y que, o es inagotable a escala humana, o se produce al mismo ritmo que

se consume (lo que evita que se agote).Los mtodos de produccin de energa conocidos desde hace miles de aos se han

ido recuperando y mejorando sobre todo desde los ltimos aos, aplicando en

ellos las nuevas tecnologas descubiertas y mejorando el rendimiento y la

eficiencia de las maquinas utilizadas.

Muchos gobiernos del mundo que, considerando que las energas renovables son

la nica manera de independencia energtica externa y nico futuro posible en

cuanto a la produccin de energa, han favorecido el desarrollo y el uso enmultitud de pases que poseen optimas cualidades para el aprovechamiento de un

tipo determinado de energa renovable.

El uso de este tipo de energas se ha estado desarrollando durante algunos aos,

complementando los diferentes tipos de produccin de energa entre s para

permitir un suministro continuo de energa.

Sin embargo, estas energas presentan algunos problemas que de momento son

difciles de solucionar, como su flujo no continuo (no siempre sopla el aire o es deda y hay sol) o la dificultad de su almacenamiento (impide el uso de esta energa

cuando no disponemos de ella en la naturaleza). Esto dificulta a la sociedad actual

la total independencia de otros medios de produccin como las centrales

hidroelctricas o las centrales trmicas que utilizan de combustible el carbn o el

gas natural.

Actualmente se est investigando y buscando soluciones a estos problemas de las

energas renovables, ya que aunque en multitud de ocasiones el uso de estastecnologas puede ser ms caro que el resto por su desarrollo, son ms respetuosas

con el medio ambiente y ocasionan menos efectos negativos sobre el medio

ambiente y el ser humano.


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Fig. 2: Datos sobre los diferentes sistemas de captacin solares

Los valores de la Fig. 2 quedan mucho ms claros si se representan en grficas

donde se puedan comparar los valores de los tres tipos de sistemas de captacin.

Fig. 3: Grfica de comparacin de tamaos de los captadores solares

Como puede observarse en la Fig. 3, son los CCP los que mayor diferencia

presentan entre su tamao mximo y mnimo y por lo tanto, los que ms amplio

rango de aplicaciones pueden tener. Obviamente para la construccin sobre una

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()

()

()

()


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casa, el tamao no ser excesivo, pero es de utilidad conocer que esta misma

tecnologa puede aplicarse a muchas otras escalas y que el presente proyectopuede extrapolarse a otros totalmente distintos.

Fig. 4: Grfica de comparacin de temperaturas de trabajo y eficiencias

En la Fig. 4 se muestran sobre una misma grfica (pero referida a ejes distintos

por tratarse de distintos datos) los valores de las temperaturas medias de trabajo y

los valores de la eficiencia de cada tipo de sistema de captacin.

La temperatura de trabajo excede claramente los 500C en los casos de receptores

centrales y discos parablicos por los que es imposible utilizar este tipo de

tecnologa para el presente proyecto (los materiales que utilizamos no permiten

superar los 450C). Adems la eficiencia que presenta el CCP es mucho mayor(en torno al 11%) que la que tienen los captadores centrales, lo que lo hace mucho

ms eficiente a pesar de trabajar a temperaturas inferiores.

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350400450500550600650700750800

(%)

()

() (%)

()

(%)


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Fig. 5: Grfica de comparacin de costes ($/m2) y ($/W)

Es necesario considerar tambin el valor de los costes de la instalacin, que

siempre sern un importante factor a tener en cuenta.

En la Fig. 5 se presentan en una misma grfica los valores de los costes por metro

cuadrado y la potencia producida para los distintos tipos de instalaciones.

Los costes por metro cuadrado del CCP son mucho menores que los de los discos

parablicos, independientemente de la superficie instalada.

Sobre el tejado de una casa no se dispone de una gran superficie para la

instalacin por motivos de espacio, lo que reduce an ms los costes por metro

cuadrado de instalacin. Los costes por vatio producido son tambin menores en

el CCP que en los otros dos tipos de colectores, lo que le hace candidato ideal

para ser utilizado en el presente proyecto.

Por ltimo destacar que en la Fig. 2, existe un apartado en el que se menciona el

grado de desarrollo de cada uno de los tipos de colectores y el CCP es el nico de

los tres que se encuentra disponible en el mercado.

Esto facilita en gran medida los materiales que componen el colector cilindro

parablico, puesto que son elementos que ya se pueden encontrar en el mercado y

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($/)

($/2)

($/2)

($/)


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suponen un ahorro en cuanto a desarrollo y diseo de todas y cada una de las

partes.A pesar de que la energa solar trmica no es el tipo de energa que ms se ha

desarrollado desde un primer momento, est sufriendo un incremento en su uso

entre otras razones por el abaratamiento de los fabricantes de captadores solares,

las subvenciones ofrecidas y las nuevas leyes (como en el Cdigo Tcnico de la

Edificacin, donde se incluye ya un apartado al agua caliente sanitaria en

viviendas a partir del uso solar trmico).

En Espaa y otros pases se han realizado instalaciones orientadas a la produccinenergtica partiendo de la energa solar.

Una de ellas es la central elctrica termosolar Andasol, que utiliza como

captadores solares colectores cilindro parablicos.

Tiene un campo mucho ms extenso de lo que podra aplicarse a este proyecto, ya

que Andasol no est orientado para ser instalado en hogares (que normalmente no

disponen de grandes superficies para la instalacin del parque solar) y utiliza sales

fundidas como sistema de intercambio y fluido caloportador, ya que la bombea enestado liquido por el circuito.

Este tipo de instalacin posee dos depsitos de sales (ambas fundidas pero

diferenciadas por sales fras y sales calientes pero los dos a temperaturas

elevadas) con los que se trabaja en la produccin de energa elctrica con un ciclo

de vapor acoplado.

Otro tipo de instalaciones que se estn realizando actualmente con energa solar

trmica, como son las de espejos y torre, fueron descartadas de inmediato para laaplicacin a este proyecto por su tamao y poca practicidad en el uso en el hogar.

Con el desarrollo de este proyecto se persigue dar un paso ms en el mundo de las

energas renovables e intentar solventar esos problemas que aparecen en las

energas del mismo tipo, intentando de esta manera, llegar a crear un hogar lo ms

independiente posible energticamente hablando.


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Este proyecto se centrara ms en la captura y almacenamiento de la energa solar,

pero existen otros orientados ms a otras fuentes de energa o a utilizacin de estaenerga solar almacenada para los diferentes usos (proyecto titulado

Almacenamiento y usos de energa solar de alta temperatura para fines

domsticos).

Se aplican los conocimientos sobre la energa y transmisin de calor,

centrndonos en el hogar donde el consumo de energa ha ido creciendo durante

los ltimos aos debido a las nuevas necesidades y el alto nivel de vida.

Fig. 6: Intensidad energtica de los hogares (Fuente: IDAE)

En la Fig. 6 aparece reflejado el consumo en los hogares en kWh, tanto el

consumo en usos elctricos (grfica azul) como en usos trmicos (grfica verde).

Ambas grficas estn referenciadas al eje izquierdo (en kWh/hogar) y presentanun crecimiento paulatino a lo largo del tiempo. El uso energtico se dispara a

partir del aos 2002, esto puede ser debido al cambio que se produce en las

cocinas donde se pasa de un consumo de gas a un consumo de electricidad (se

comienzan a instalar vitrocermicas y hornos con resistencias elctricas en

sustitucin de los de gas por considerarse poco seguros).

La suma de estos dos se presenta como un consumo total en toneladas

equivalentes de petrleo (grfica amarilla referenciada al eje derecho).


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De esta grfica es necesario mencionar que se trata de una representacin por

hogar y no por metro cuadrado habitado. Esto supone que existirn casas queconsuman menos y casas que consuman ms que lo que en esta grfica se

representa.

La cada del consumo elctrico en los ltimos aos representados en la grfica

puede deberse entre otras cosas a la instalacin de sistemas de agua caliente

sanitario, que permite el ahorro en calentadores elctricos de agua y en otros

sistemas de calefaccin elctricos.

Con este proyecto se buscarn soluciones viables para el almacenamiento de laenerga solar, se realizarn varias simulaciones y se estimarn algunos parmetros

preliminares de un prototipo, de manera que sea posible su posterior fabricacin y

uso.

1.2El sol como fuente de energa renovable. Utilizacin de baja

entalpia.

El sol es la estrella del sistema solar, y su mayor fuente de energa

electromagntica, que proporciona luz y calor y ejerce una atraccin al resto de

planetas del sistema solar, que giran a su alrededor.

El sol est formado principalmente por hidrgeno, aunque tiene tambin una

pequea parte de helio.

Se encuentra a una temperatura media de 5780 K y su energa proviene de las

reacciones nucleares que se producen en su interior donde el hidrgeno se

transforma en helio.


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Fig. 7: Imagen del sol (Fuente: Portalciencia.net)

La radiacin que emite el sol se emite en todas las direcciones, de manera

esfrica, y parte de esa radiacin es la que llega a la tierra.

La energa llega a travs del espacio en forma de ondas electromagnticas y

varan en funcin de la longitud de onda de las mismas, cuanto mayor frecuencia

de la onda mayor energa.

Fig. 8: Ondas electromagnticas (Fuente: EUP)

Este tipo de radiacin es de todo tipo, (visible, infrarroja, ultravioleta) y al

llegar a la superficie de la tierra es la atmsfera la que filtra esta radiacin,

evitando la entrada de radiacin peligrosa para el ser humano en sus diferentes

capas).

La radiacin solar que llega a la superficie de la tierra es totalmente diferente a la

que llega a la parte superior de la atmsfera debido a los procesos que se producen

en esta.


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En la atmsfera se producen tres fenmenos diferentes que varan las ondas que

llegan hasta la superficie terrestre: Absorcin: Algunos de los gases que forman la atmsfera absorben la

radiacin de una determinada longitud de onda, como los ultravioleta.

Reflexin: Parte de la radiacin que llega sobre la tierra es absorbida por

esta y parte es reflejada de nuevo hacia el espacio.

De la reflejada, una pequea parte volver a salir al espacio y otra parte

quedar atrapada entre la superficie terrestre y la atmosfera favoreciendoel efecto invernadero.

Difusin: Los gases de la atmsfera (adems del vapor de agua y slidos

en suspensin) favorecen el cambio de direccin que se produce en la

radiacin que llega hasta la tierra.

Lo que conocemos como energa solar, es la energa que proviene del sol sin

transformar y que nos llega a la tierra a travs de la capa de ozono calentndonos

e iluminndonos, favoreciendo entre otras cosas la aparicin de vida en este

planeta. sta energa solar est libre de todas aquellas longitudes de onda

perjudiciales para el ser humano ya que ha sido filtrado por las diferentes capas de

la capa de ozono.

La radiacin que llega a la superficie terrestre puede ser de tres tipos distintos:

Radiacin directa: Es la que llega a la superficie directamente del sol sin

sufrir cambios en su direccin.

Este tipo de radiacin ser la radiacin que pueda utilizar el sistema de

captacin cilindro parablico para calentar el fluido.

Radiacin difusa: Al pasar la atmosfera, la radiacin cambia de sentido

debido a las partculas en suspensin o a las nubes. Este tipo de radiacin


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es la que aparece en das nublados, donde existe luz procedente de la

bveda celeste pero no se aprecia su direccin. Radiacin reflejada: es la que refleja el suelo hacia la atmosfera de nuevo.

Este tipo de radiacin no suele salir de nuevo al espacio, sino que queda

atrapada entre la superficie terrestre y la atmsfera, permitiendo el efecto

invernadero. Depender del tipo de suelo y de si existe nieve o no.

La tecnologa que utiliza energa solar puede aprovechar alguno de los tipos de

radiaciones anteriormente mencionados.

Comnmente se denomina constante solar a la cantidad de energa que emite el

sol y es interceptada por la superficie circular de la tierra donde llega.

El valor de la radiacin solar depender, obviamente, de la situacin geogrfica

del colector solar con respecto al sol, ya que no ser lo mismo situar el captador

en Finlandia o en Brasil.


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Fig. 9: Diferentes valores de radiacin solar en funcin de la situacin geogrfica espaola(Fuente: IDAE)

Para determinar la situacin geogrfica del captador se establecen algunos ngulos

bsicos relativos a la posicin entre el sol y la tierra.

Latitud: Es la medida angular que va desde el ecuador hasta la posicin

que se quiere determinar. Est medido sobre el meridiano y puede tener

valores desde +90 (si estamos en el hemisferio norte) a -90 si nos

encontramos en el hemisferio sur.

Longitud: es la medida angular que va desde el meridiano de referencia

con respecto a la localizacin del punto que se quiere determinar. Este

ngulo esta medido sobre el ecuador.


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Con respecto a la posicin del sol y la superficie terrestre

Fig. 10: Posicin solar con respecto a la superficie terrestre (Fuente: Apuntes de ICAI)

Altura solar (): es el ngulo vertical que existe entre el sol y su

proyeccin vertical sobre la superficie horizontal terrestre. Esta posicinvara notablemente entre el invierno y el verano y de un lugar a otro. Ser

un dato fundamental para determinar la inclinacin del colector cilindro

parablico, ya que el sol debe incidir lo ms perpendicularmente posible a

la apertura de la parbola. Se necesitar un sistema de variacin de este

ngulo del captador en funcin de la poca del ao.

Azimut solar (): es el ngulo sobre la superficie horizontal terrestre que

hay entre la direccin Sur y la proyeccin solar sobre la superficie

terrestre. Ser tambin un dato a tener en cuenta a la hora de situar el

colector solar.

Cenit: Punto vertical desde la superficie terrestre en cualquier posicin

terrestre.

Angulo cenital (): es el ngulo que existe entre el cenit y la situacin

solar. Es un ngulo que se encuentra en el mismo plano que el ngulo

altura solar.


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La situacin del captador solar afecta a la cantidad de energa recibida y por lo

tanto a la cantidad mxima de energa que se puede obtener.Para poder aprovechar la energa es necesario el uso de captadores solares y

sistemas de almacenamiento, que no solo sepan recoger de manera eficiente la

energa solar sino que puedan transportarla y utilizarla sin grandes prdidas en el

camino.

Se puede utilizar la energa solar de forma directa, utilizando el sol para calentar

mediante la instalacin de acristalamientos y otros elementos en la arquitectura

que permitan aprovechar la energa, como los utilizados en invernaderos; este tipode energa se conoce como energa trmica pasiva.

Fig. 11: Ejemplo de uso directo de la energa solar para calentar una olla (Cocina solar)

Se utiliza tambin la energa solar trmica pasiva, para calentar un fluido o el agua

que se necesite en la casa (agua caliente sanitaria, ACS) o para piscinas.

Existe otro tipo de energa que no se utiliza para calentar nada, sino para producir

directamente una diferencia de potencial aprovechable; es la denominada energa

solar fotovoltaica.

La energa solar fotovoltaica es la energa ms utilizada a mayor escala, ya que

produce electricidad que puede almacenarse en bateras, y puede utilizarse


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directamente como energa elctrica o suministrarse a la red (despus de una

transformacin).Las clulas fotovoltaicas son denominadas tambin, fotoclulas, clulas o celdas

fotoelctricas, y son dispositivos electrnicos que permiten transformar la energa

solar luminosa en energa elctrica mediante el efecto fotovoltaico.

Estn compuestos de un material que presenta efecto fotoelctrico, es decir,

absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son

capturados, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como

electricidad.La eficiencia media de transformacin de energa solar a energa elctrica de las

clulas fotovoltaicas esta en torno al 11-12%, aunque dependiendo de la

tecnologa este valor puedes ascender hasta el 16%.

La vida til media a mximo rendimiento de estas placas se sita en torno a los 25

aos, perodo a partir del cual la potencia entregada disminuye.

En funcin de la posicin de estos paneles o placas fotovoltaicas se puede obtener

mayor tensin en la salida (se posicionan en serie) o mayor intensidad en la salida

(cuando se posicionan en paralelo).

El tipo de energa que se produce en estas instalaciones es energa de corriente

continua y de baja tensin, por lo que es necesario un inversor o un convertidor

para poder conectarlo a la red.

Adems este tipo de captadores solares estn muy bien vistos socialmente, y su

desarrollo se debe entre otras cosas al impulso recibido por parte de los gobiernos

mediante primas.

No obstante, se trata de un sistema de produccin de energa elctrica poco

eficiente, como mucho alcanza valores en torno al 16%, lo que supone un

desperdicio energtico, frente a la energa trmica que tiene rendimientos en torno

al 80%.


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Una de las formas ms rentables de utilizar la energa solar es mediante el

aprovechamiento del sol para elevar la temperatura de un fluido un nmerodeterminado, pero pequeo, de grados.

Es lo que se conoce como energa solar trmica de baja entalpia, ya que

normalmente no se requiere aumentar la temperatura del fluido mas all de 50

grados sobre la temperatura ambiente.

La instalacin de los paneles captadores debe estar cerca del lugar de uso, para

evitar en todo lo posible las prdidas de calor en el transporte, y son utilizados

normalmente para calentar agua en hogares.El agua caliente sanitaria (ACS) no excede normalmente los 45C, por lo que este

mtodo para calentar el agua es muy aconsejable; se utiliza este mismo mtodo

para la aclimatacin (calefaccin) y las piscinas que por lo general no requieren

un gran aumento de la temperatura.

Es un mtodo muy utilizado ya que es posible almacenar el fluido calentado hasta

su uso en una caldera, de manera que se ahorra la energa necesaria para el

calentamiento del agua y solo se consume la necesaria para mantenerla a la mismatemperatura, o complementar este procedimiento de calentamiento con otros

convencionales (para cuando no pueda utilizarse como por ejemplo das de niebla

o por la noche) como las calderas de gas.

Actualmente este mtodo est muy implantado, ya que su tecnologa no es

excesivamente cara y puede ahorrarse mucho dinero en electricidad, ya que

proporciona hasta el 99% del agua caliente de un hogar convencional.

Adems, debido a la normativa del cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE.), quecontribuye a la sostenibilidad energtica, todos los nuevos edificios deben

incorporar estos sistemas de calentamiento de agua.

Se trata sin duda de un campo energtico muy explotado e investigado ya, donde

multitud de empresas se encuentran orientadas nicamente a satisfacer este tipo de

demanda energtica.


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Fig. 12: Imagen ilustrativa de sistema ACS de una empresa instaladora (Fuente: terso systems)

Como puede verse en la Fig. 12, muchas de las instalaciones de ACS requieren

elementos auxiliares de calentamiento (caldera auxiliar) para mantener el agua

caliente durante el tiempo que no hay sol.

Se reduce de esta manera el consumo energtico para elevar un enorme volumen

de agua a una temperatura superior a la ambiental pero sin embargo, y a pesar de

que seguramente los depsitos de agua estn aislados, es necesaria energa extra

para mantener el agua a esa temperatura.

Esto demuestra que, aunque se ahorra energa en la elevacin de la temperatura,

no se ahorra en su almacenamiento lo que implica que existen mltiples prdidas

en el almacenamiento.

El almacenamiento de la energa trmica solar es un punto dbil en las

instalaciones de ACS, que nicamente pueden utilizar el agua como fluido

caloportador.

1.3Necesidades energticas de la vivienda en Espaa

Espaa tiene una superficie cercana a los 506.019 km2 con climas diversos, lo que

obligatoriamente implica que el rendimiento de una instalacin trmica solar ser

muy diferente dependiendo el lugar donde sta se encuentre.


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El consumo energtico en las viviendas, por las diferencias climticas que se dan

en Espaa, depender del tipo de aislante de la vivienda, de su situacingeogrfica, de los metros cuadrados y su disposicin, de su orientacin y el

nmero de personas que vivan en ella por lo que es difcil determinarlo de manera

precisa.

Lo que se conoce con exactitud es que ms del 50%del consumo de energa de

un hogar se consume en la aclimatacin y el agua caliente sanitaria, lo que supone

un gran gasto en comparacin a gastos por electricidad de alumbrado o el

consumido por los electrodomsticos.

Fig. 13: Distribucin de consumo de energa en la vivienda en 2005, (Fuente: IDAE)

Como se muestra en la figura Fig. 13 , aproximadamente el 65% del consumo

total de energa es para la calefaccin y el ACS (agua caliente sanitaria).

Estos gastos pueden cubrirse con la utilizacin de sistemas de calentamiento de

agua y almacenamiento en depsitos mencionados anteriormente.

Este proyecto est orientado a reducir el consumo energtico en otros aspectos

aun no potenciados ya que el agua caliente sanitaria y la calefaccin estn de

sobra desarrolladas.

Despus del ACS y de la calefaccin, los siguientes factores que ms consumo

energtico conllevan son los electrodomsticos y la cocina, entendida esta como la


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energa utilizada para cocinar (corresponden a valores de 17% y 11% de consumo

en la Fig. 13 respectivamente).

1. Elctricas

Dentro de los electrodomsticos y el alumbrado, el consumo de energa depender

del tipo de electrodomstico, su clasificacin energtica y el nmero de veces que

este se utilice al ao.

A continuacin se presenta una tabla con una estimacin de los consumos en

toneladas equivalentes de petrleo al ao y en kWh al ao cuando hablamos de

consumo elctrico, y de toneladas equivalentes de petrleo al ao cuando

hablamos de gas consumido.

Fig. 14 : Estimacin de consumos de electrodomsticos (Fuente: Repsol.com)

Tradicionalmente, el consumo energtico de la cocina est relacionado con elconsumo de gas o electricidad (en funcin del tipo de cocina), pero la

transformacin de energa elctrica en energa trmica podra evitarse utilizando

directamente energa trmica (ahorrndonos las prdidas tambin en la

transformacin de un tipo de energa a otro).

A continuacin se muestra una tabla de consumos en la cocina, donde solamente

se considera la energa necesaria para cocinar (Cocina y horno).


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Fig. 15: Datos del uso de energa para cocinar en toneladas equivalentes al ao

(Fuente: Repsol.com)

2. Trmicas

Quitando los electrodomsticos, que como su propio nombre indica necesitan

electricidad para funcionar, el resto del consumo energtico de un hogar gira en

torno al consumo trmico, ya sea tanto para calefaccin y ACS como para la

cocina en el caso de que sea vitrocermica o el horno.

En cualquier caso, actualmente se consume energa elctrica para transformarla

posteriormente en energa trmica (mediante unas resistencias), lo que supone un

problema en la calidad de la energa elctrica que se degrada a trmica, que podra

evitarse utilizando directamente energa trmica. Los datos sobre consumos de

electricidad y toneladas equivalentes de petrleo para cocinar se presentan en la

Fig. 15.

Utilizando energa trmica cercana al punto de consumo, se ahorra adems de las

prdidas, los costes del transporte que en caso de electricidad y gas natural

implica tener una extensa red de tuberas o cables que deben encontrarse en

perfecto estado siempre para su correcta distribucin. Tambin se evitara la

dependencia externa de una compaa y de los posibles problemas de cortes de

suministro o situaciones peligrosas para la salud (escapes de gas).


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Climatizacin

En funcin de la situacin geogrfica de la casa, las necesidades de climatizacin

sern totalmente diferentes.

Para calentar la casa puede utilizarse ACS o sistemas similares pero sin embargo

esta opcin supondra un gasto superior en instalaciones de este tipo, puesto que la

calefaccin funciona 24h al da cuando es necesario (mientras que el ACS se

utiliza de manera puntual, dando tiempo al sistema a calentar agua de nuevo para

su posterior uso).

Con intencin de disminuir instalaciones en la superficie de la casa puede

pensarse en otro tipo de sistema para la climatizacin del hogar como es la energa

geotrmica directa, que es aquella que obtiene el calor directamente del subsuelo.

Podra incluso realizarse una instalacin de energa geotrmica de acumulacin de

calor en el subsuelo, donde se guardara el calor que se obtiene de paneles solares

para su posterior uso, pero no supondra un ahorro en instalaciones en la

superficie de la casa.

No es competencia de este proyecto explicar o desarrollar este tipo de tecnologa,

pero se mencionarn algunas de sus cualidades como fuente de energa renovable.

Con una instalacin de energa geotrmica directa podran disminuirse las

necesidades de climatizacin del hogar, ya que a partir de la energa latente en

capas interiores terrestres, que tiende a mantenerse a una temperatura constante a

lo largo del ao, podra aumentarse la temperatura del hogar hasta el lmite de

confort humano.Y de la misma manera que puede calentarse el hogar a partir de energa del

interior, podra realizarse el sistema inverso mediante una bomba de calor,

introduciendo energa trmica en el interior de la tierra (para su posterior uso en

pocas ms fras por ejemplo).


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Captulo 2

EL CONSUMO DOMESTICO DE ALTA

TEMPERATURA

2.1Planteamiento

El uso y la utilizacin de las energas renovables en baja y media entalpa es lams utilizada y desarrollada actualmente, ya que como el salto entlpico no es

muy grande, ha sido fcil su desarrollo y optimizacin, y las prdidas tampoco

suponen un problema en cuanto a que de sobra se llegan a los resultados

requeridos.

Sin embargo el uso de este tipo de energa no es suficiente para poder hacer una

casa totalmente independiente energticamente, ya que solo cubre una parte de la

energa utilizada, dentro siempre de un rea de utilizacin pequea (como calentarel agua para calefaccin o de uso sanitario).

Por todos es conocido que un hogar no solo requiere de agua caliente sanitaria,

sino que necesita energa para otro tipo de aplicaciones como son la iluminacin

mediante energa elctrica, que normalmente se produce a cientos de kilmetros y

luego se transporta hasta los hogares, electricidad o combustibles fsiles (gas

natural) para cocinar y dems aplicaciones.

Con el presente proyecto se ha planteado la idea de dar un paso ms en el uso dela energa solar, aprovechando al mximo su capacidad calorfica para poder

utilizarlo como sustitutivo de combustibles fsiles en la cocina o sustitutivo de las

empresas elctricas, que produciendo energa elctrica a cientos de kilmetros

produce muchas prdidas.

Adems se plantea la idea de poder almacenar esa energa en algn lugar para su

posterior utilizacin, y evitar la dependencia de las horas solares para su uso.


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La idea que se persigue con este proyecto no es la total independencia energtica

dentro del hogar, pero si poder cubrir una pequea parte de su consumo conenergas renovables de manera que se puede disminuir el uso de energas no

renovables (combustibles fsiles, tanto uso directo en el hogar como uso para la

produccin de electricidad).

Existen algunas empresas, orientadas o no a la produccin energtica, que utilizan

la captura solar mediante un sistema de captacin cilindro parablico para su

posterior uso o venta; de esta manera obtienen beneficios de ahorro energtico y

uso de superficies desaprovechadas (las fabricas poseen techos donde no seproducen sombras por ser una extensin muy amplia).

Observando este modelo utilizado, se consider la posibilidad de utilizar el mismo

proceso para consumo orientado al hogar, donde es menor.

El planteamiento realizado en un primer momento es muy sencillo; partiendo de

una superficie libre de sombras, preferiblemente el tejado de la casa por no ocupar

espacio til y estar protegido, se instalar un captador cilindro parablico

orientado adecuadamente para optimizar la captura solar.Este colector cilindro parablico, localizara todo el calor sobre un tubo por el que

circule un aceite trmico.

Este aceite ser transportado mediante una bomba hasta un contenedor de sales,

que en estado de cambio de fase puedan retener una mayor cantidad de energa

hasta su posterior uso.

La energa acumulada podr utilizarse directamente para calentar, como el horno

o la vitrocermica para cocinar, o para turbinar y producir electricidad para elhogar.


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Fig. 16: Planteamiento de la instalacin en el hogar

2.2Esquema

Para la realizacin del esquema de la instalacin se tuvieron en cuenta las

siguientes consideraciones:

Posibilidad de utilizar directamente la energa solar: si se necesita la

energa mientras hay sol, no tiene sentido que el fluido caloportador pase

por el depsito de sales para, a continuacin, volver a salir despus de

haber realizado el intercambio de calor.

Esto supone unas prdidas innecesarias, por lo que se plantea la

posibilidad de establecer un flujo directo desde el captador solar hasta el

punto de uso.

Esquema basado en el funcionamiento de un nico elemento de bombeo:

podran realizarse dos instalaciones paralelas, con dos bombas iguales en

posiciones diferentes, pero esto supondra un gasto innecesario ya que el

planteamiento puede realizarse tambin con una nica bomba, lo que


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31



supone un ahorro y disminuye los costes en la implantacin de este

sistema.

El esquema planteado para la instalacin es el siguiente

Fig. 17: Esquema de la instalacin

El circuito de la Fig. 17 representa la instalacin completa del sistema de

captacin y los diferentes usos que pueden darse con el calor acumulado.

NOTA: no existen cruces de tuberas,

todas las uniones son reales.


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El circuito est dividido en dos circuitos diferenciados, el de captacin y

acumulacin y el de acumulacin y uso. Ambos circuitos estn unidos para poderpermitir el uso directo de la energa solar en la cocina y funcionan con una sola

bomba, lo que ahorrara costes innecesarios.

Las vlvulas estaran controladas por sensores de temperaturas programadas que

permitiran el paso del aceite trmico del primer circuito al segundo.

En la parte superior se encuentra el colector solar, que es el nico sistema de

captacin que existe en el circuito y por el que entra la energa solar.

Existen diferentes modos de funcionamiento del esquema de la Fig. 17 que seexplican a continuacin.

Si el flujo de aceite no est suficientemente caliente al salir del colector

cilindro parablico, deber retornar de nuevo hacia el captador sin pasar

por el depsito. Si pasase por el depsito y este estuviese a una

temperatura superior a la del aceite el efecto que se conseguira seria el

contrario al que se busca; sacaramos el calor del depsito. Si se da estasituacin el flujo ira por el camino que se indica a continuacin.


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Fig. 18: Flujo de aceite que no est suficientemente caliente

Como puede observarse en la Fig. 18 el aceite no pasa por el depsito y se

encuentra confinado en un circuito donde el nico punto de intercambio de

energa es el CCP hasta que alcance la temperatura suficiente para pasar al

depsito. El control ser responsable de que esta temperatura no sea nunca

menor a la que tiene el depsito en esos momentos o el flujo de energaseria inverso (de adentro hacia afuera).

Si se da el caso en el que el aceite est suficientemente caliente como para

poder entrar en el depsito el flujo sera el siguiente.


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Fig. 19: Flujo de aceite que est suficientemente caliente

En el caso de la Fig. 19 el flujo est suficientemente caliente y comienza a

producirse el almacenamiento trmico en el depsito.

Existe una tercera posibilidad dentro del sistema de captacin. Se trata de

la situacin en la que la temperatura pueda llegar a alcanzar los valores

limites de los materiales que conforman el depsito.


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Fig. 20: Flujo de aceite caliente para su uso

Como puede observarse en la Fig. 20, puede darse el caso en el que no

exista sol y necesitemos utilizar la temperatura almacenada en el depsito.

En este caso la salida del flujo puede realizarse hacia los diferentes

utensilios (parte de la derecha de la imagen) o utilizar un calefactor para

utilizar ese calor para calentar agua o el hogar.

El captador cilindro parablico se situar sobre una superficie donde el sol radie

durante el mayor tiempo posible y no sea tapado por sombras de otros edificios o

rboles.

El tubo de distribucin hasta el hogar por lo tanto no ser muy largo, ya que el

captador se encontrar sobre el tejado mientras que el uso de la energa se


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realizar como muy lejos a 5 metros de la captacin, lo que impide que las

prdidas durante el transporte sean grandes.

2.3Captacin

El sistema de captacin se seleccion considerando los diferentes sistemas

utilizados por aquellas industrias que utilizan esta misma tecnologa para producir

electricidad.

Se estudiaron diferentes sistemas de captacin, partiendo del tpico sistema

utilizado en el ACS (placa plana) hasta el final colector cilindro parablico.

Es muy importante destacar que se han estudiando nicamente aquellos que

existen en el mercado, y por lo tanto accesibles al pblico y relativamente baratos.

Los captadores planos sin cubierta, formados nicamente por tubos sobre un

fondo oscuro, fueron rechazados de inmediato ya que nicamente llegan a una

temperatura de 40 y tienen muchas prdidas debido a que estn situados a la

intemperie.

Otros tipos de captadores planos, como los cubiertos utilizados para el ACS,

fueron tambin descartados por llegar nicamente a unas temperaturas de 100C

(bajo salto trmico) y el sistema de captacin torre y espejo fue directamente

rechazado por su falta de practicidad a la hora de la instalacin en un hogar, ya

que no se dispone normalmente de espacio suficiente para realizar este tipo de

instalacin (quiz si en una extensa finca, pero no en un chalet normal).

Finalmente se opt por el sistema de captacin cilindro parablico (denominado

tambin CCP), que actualmente est siendo utilizado en numerosas instalaciones

de grandes empresas para la produccin de electricidad a partir de la energa del

sol, por ser el mtodo de captacin de calor ms eficiente que existe en el mercado

frente a otros sistemas de captacin solar y por ser el ms adecuado para implantar

en un hogar, ya que la complejidad del sistema hay que tenerlo en cuenta.


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En todos ellos se consider y estudi el rendimiento de los captadores en funcin

de la variacin de temperatura entre el fluido caloportardor y el ambiente.

Fig. 21: Comparacin de rendimientos de CCP y captador plano

Como puede observarse en la Fig. 21 y para un mismo valor de radiacin, el

rendimiento de un colector cilindro parablico cuando la diferencia de las

temperaturas es muy alta no cae tanto como en un captador solar plano, que a una

diferencia de 60C solamente tiene prdidas.

El conjunto cilindro parablico debe ser obviamente, mucho ms pequeo que los

utilizados en instalaciones industriales, y considerando que su fabricacin no

requiere el uso de tecnologas especficas se opt por la fabricacin del colector

cilindro parablico en las instalaciones.

El tubo de captacin, que es el elemento clave para la ptima captacin solar, se

debe comprar o pedir, puesto que conlleva una tecnologa muy avanzada como

para fabricarlo de manera artesanal.

La bsqueda de este elemento supone un punto clave para el avance del proyecto,

ya que no se trata de un elemento fcilmente sustituible; es necesario que tenga

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 50 100 150 200

()

.


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38



unas caractersticas determinadas para garantizar el buen funcionamiento del

sistema.Las caractersticas del tubo determinarn y limitarn fsicamente la temperatura

mxima a la que se puede llegar adems de limitar claramente las dimensiones de

la instalacin, porque el tubo no puede cortarse a una medida concreta (ya que en

su interior est en vaco).

Finalmente se opt por el tubo de vaco SCHOTT por ser uno de los pocos

fabricantes encontrados que vendiesen este tipo de producto.

Fig. 22: Imagen comercial del tubo de vaco SCHOTT Solar

El tubo de vaco est formado por diferentes recubrimientos:

Una primer recubrimiento de cristal transparente, con una alta resistencia a la

abrasin, posee una transmitancia de hasta un 97%, lo que implica que la mayor

parte del sol traspasa esta capa (la transmitancia de un cuerpo transparente ideal es

igual a 100%) y casi nada rebota en su superficie volviendo otra vez a la

atmsfera.

Entre el tubo exterior de vidrio transparente y el tubo interior, existe un vaco de

10-3mbar; es por este motivo por el que el tubo tiene la longitud que tiene y no

puede cortarse y adaptarse a otras medidas.


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39



El tubo interior es de acero y posee un recubrimiento altamente selectivo; posee

una absortividad solar de un 95% y una emisividad cercana al 14% a 400C. Elloimplica que de la radiacin que incide en su superficie, la mayor parte entra

dentro y llega hasta el fluido caloportador y una pequea parte sale hacia el

exterior.

Fig. 23: Imagen comercial del tubo de vaco SCHOTT

Tiene buena resistencia a la corrosin y a las altas temperaturas de trabajo, lo que

es fundamental para garantizar la durabilidad del prototipo a lo largo del tiempo.

La longitud total del tubo es de 4 m, y puesto que debe mantener el vaco en su

interior no es posible reducir esta dimensin. Esto obliga a construir un sistema de

captacin como mnimo de 4 m de longitud sobre la superficie del tejado.

En caso de no ser suficiente la radiacin recibida sobre la superficie terrestre,

podra darse el caso, en funcin del espacio disponible, de establecer doscaptadores en serie , es decir, de disponer de 8 metros ms para calentar el fluido.

Esta situacin se dar si la instalacin se realiza en situaciones geogrficas con

poca radiacin por metro cuadrado.

Para realizar el perfil parablico se optara por aluminio pulimentado, por ser un

material fcil de obtener en planchas para su fabricacin. El modelado se mostrara

ms adelante, no obstante, nicamente se comentar que tendr una apertura


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40



considerando el coeficiente de concentracin (relacin entre la apertura de la

parbola y la superficie del tubo) y el espacio disponible para su situacin.Se realizarn adems unas costillas metlicas que se situarn en la parte posterior

del captador y le darn mayor resistencia frente a posibles deformaciones

posteriores debido al pequeo espesor de la chapa y su tamao.

El sistema de orientacin del sistema de captacin ya est diseado y programado,

por lo que queda fuera de este proyecto.

2.4

Transporte

El transporte se realizar a travs de tuberas del mismo dimetro que el tubo

interior del colector del tubo de vaco del colector, para impedir en lo posible

prdidas de carga por el cambio de secciones que pudieran dificultar el correcto

funcionamiento o corrosin en las tuberas.

No obstante, puesto que el flujo de aceite que pase a travs del circuito va a ser

muy pequeo, no se va a considerar la posibilidad de que el flujo que exista sea

turbulento; ser un flujo laminar.

Las tuberas sern las encargadas de transportar el aceite trmico hasta el

depsito, y de este hasta los diferentes usos que se quieran realizar con la menor

cantidad de prdidas posibles.

En primer lugar se tendr que considerar la posibilidad de que las tuberas del

transporte puedan soportar altas temperaturas. Para ellos se utilizaran tuberas de

acero inoxidable al cromo nquel 18/8.

Este acero tiene la peculiaridad de que es capaz de resistir bien el calor hasta los

400C y es muy utilizado en la industria para usos de alta temperatura; tiene

adems una composicin de 0.18% de carbono, un 18% de cromo y un 8% de

nquel aproximadamente lo que le otorga al acero una resistencia mecnica de 60

kg/mm2.


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Con las tuberas de este material se garantiza que el transporte pueda realizarse de

manera segura sin que las tuberas sufran ningn tipo de dao, pero ser necesarioutilizar recubrimientos aislantes en los tubos, tanto para evitar que el calor se

pierda durante el transporte como para garantizar seguridad a los habitantes de la

casa en el caso de que las tuberas estuviesen a su alcance.

Con este fin se utilizaran aislantes de la marca Dytaisa, que adems de

proporcionar diferentes aislamientos en funcin del dimetro de la tubera y su

temperatura de uso proporciona una tabla de prdidas lineales en funcin del

nmero de metros que tenga la tubera.

Fig. 24: Tabla de prdidas lineales para una temperatura de 350 C (Fuente: Dytaisa)

No obstante sera muy recomendable que a la hora de realizar el circuito de

instalacin se considerase la posibilidad de introducir estas tuberas en muros de

la casa (evitando prdidas por climatologa externa o accidentes por contacto

directo) y que la longitud de las mismas fuese lo ms pequea posible.

Para transportar el aceite trmico a travs de los dos circuitos se utilizar una

micro bomba para usos de alta temperatura.


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42



Fig. 25: Imagen de micro bomba de engranajes (Fuente: Axflow)

Se trata de un elemento fundamental en la fabricacin del circuito, puesto que las

bombas de alta temperatura estn orientadas ms a un uso industrial y por lo tanto

con caudales mucho ms grandes del que en este proyecto se necesita.

Finalmente se seleccion una bomba (denominada micro bomba) de engranajes

externos y helicoidales que adems de soportar altas temperaturas trabaja en un

rango de caudales lo suficientemente pequeo y puede soportar hasta 1000 bares

de presin.

Fig. 26: Caractersticas del caudal de la bomba seleccionada

2.5Acumulacin

Los diferentes tipos de sistemas de acumulacin estudiados para el presente

proyecto presentan los siguientes problemas:

Poca capacidad de almacenamiento de energa

Altas prdidas en el intercambio y durante el tiempo del almacenamiento.

3/

0,0000003

2,20


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43



Para intentar en la medida de lo posible evitar este tipo de prdidas, se opt por

utilizar un depsito de sales en estado de cambio de fase, lo que permite elalmacenamiento de una mayor cantidad de energa.

Para el sistema de almacenamiento se tuvieron muy en cuenta la existencia de

prdidas en el doble intercambio que se produce en el depsito. Por un lado,

existen prdidas en la transferencia de calor desde el aceite trmico que viene del

colector solar hasta el depsito y por otro lado, existen prdidas tambin al

intentar extraer el calor desde el depsito de sales hasta el ciclo de aceite trmico

que ir a las aplicaciones posteriores (horno etc.).Es muy importante considerar que la superficie de intercambio debe ser lo mayor

posible, para evitar que el aceite vuelva a salir del depsito con calor que poda

haber cedido al depsito. Actualmente existen algunas empresas que ya disponen

de productos orientados al almacenamiento trmico, como por ejemplo IM&ST.

(Innovation Management & Sustainable Technologies).

Despus de estudiar los tpicos intercambiadores de calor (de flujos cruzados) se

opt por el diseo del intercambiador-acumulador de calor con material encambio de fase en lminas enrolladas en espiral.

El diseo en espiral presenta notables ventajas en comparacin con otros diseos

en serpentn o placas paralelas ya que son ms compactos, fciles de construir y

adems tienen un buen rendimiento de transferencia trmica.


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44



Fig. 27: Imagen del almacn de calor en forma de espiral de la patente espaola n 201100273.

En muchos casos, el diseo del depsito de calor y las espirales depender del

caudal, la viscosidad del fluido que va a circular en su interior y las temperaturas

de intercambio. En principio, como el aceite a altas temperaturas tiene una baja

densidad no se considera un problema su densidad.

La acumulacin de calor en el punto de fusin de un material ofrece una grancapacidad de intercambio a temperatura constante; sin embargo el lmite de

absorcin o aporte de calor depender tanto de la cantidad de material en cambio

de fase como su calor latente.

Esto significa que si la cantidad de material del depsito es insuficiente, subir por

encima de la temperatura de cambio de fase pudiendo llegar a temperaturas

peligrosas de ebullicin mientras que si hay demasiado material en su interior no

se alcanzarn nunca las temperaturas de cambio de fase, lo que supone que elintercambiador acta como un deposito de material solido (sin cambio de fase).

De la misma manera, la potencia de intercambio aumentara con la conductividad

del material y con el salto trmico que exista.

El intercambiador que en el proyecto se contempla como posible candidato para el

desarrollo del prototipo est constituido por cuatro lminas delgadas de material

flexible, ligero y buen conductor trmico que debe ser adems capaz de soportar

altas temperaturas durante un largo periodo de tiempo.


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45



Dichas lminas se enrollan en espiral definiendo tres cmaras totalmente aisladas

unas de otras; por dos de ellas circulara el aceite de los dos circuitos de aceitetrmico sin mezclarse entre s (de entrada desde el colector y el de salida hacia las

aplicaciones) y en el tercero se introduce el material que actuara como

acumulador.

El circuito secundario de aceite tendr un caudal variable, en funcin de las

necesidades trmicas requeridas mientras que el primario tendr un caudal que

permita mantener el material interior en estado de redifusin.

En el interior del depsito de sales pueden introducirse otros materiales quepermitan y faciliten la transmisin trmica a travs de las mismas, como una malla

de acero para repartir el calor por todo el depsito.

Todo el entramado de espirales se encontrar metido en el interior de una carcasa

metlica, que a su vez estar metida en otro tubo o deposito cilndrico para evitar

prdidas de calor.

En caso de ser necesario podran realizarse varios depsitos en serie que

permitiesen, con diferentes materiales de cambio de fase, obtener la mayor partedel calor del aceite trmico.

Fig. 28: Imagen perpendicular al eje del depsito la patente espaola n 201100273.


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La Fig. 28 muestra la seccin perpendicular al eje de la cmara de flujo espiral y

muestra los sentidos opuestos de flujo entre el primario y secundario segn unpatrn de intercambio en contracorriente.

La entrada del aceite a las cmaras del depsito se realiza a travs de tuberas

circulares, que permiten al fluido entrar por una parte del depsito y salir por el

extremo opuesto habiendo recorrido las espirales, por lo que la superficie total de

intercambio de calor ser la correspondiente a las superficies de las lminas

separadoras entre fluidos, es decir, dos veces el desarrollo de la espiral (ya que el

fluido se encuentra entre dos lminas y el intercambio se produce a travs de lasdos) por la longitud de las lminas.

En funcin de la regularidad de radiacin solar, el sistema de almacenamiento

trmico tendr tamaos diferentes para poder abastecer las necesidades

requeridas.

Para la fabricacin del depsito se considerarn lminas de acero inoxidable de

aleacin 18/8, que es la ms utilizada en la industria.

Seguramente existan multitud de proveedores de este tipo de material, pero se ha

seleccionado uno de todos ellos como posible candidato para proveer el material

necesario para la construccin del depsito.

Sandmayer Steel Company ofrece multitud de dimensiones en las lminas de este

tipo de acero, adems de las caractersticas fsicas y tcnicas del material en

diferentes situaciones.

Fig. 29: Valores de la conductividad trmica de las lminas de acero (Fuente: Sandmayer S. Co.)


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Este tipo de acero mantiene su superficie limpia para obtener el mayor coeficiente

de transmisin de calor posible frente a otros aceros, y aunque tiene otrascaractersticas interesantes como una buena resistencia mecnica o al impacto,

nicamente nos interesa esta ya que estas lminas se encontrarn confinadas en el

depsito y no sufrirn traccin, compresin o impacto.

El depsito se tendr que aislar adecuadamente para evitar que en el almacn se

pierda la potencia calorfica almacenada durante todo el da.

Se consider la posibilidad de aislar el depsito con fibra de vidrio, pero puesto

que la temperatura lmite de este producto est cercana a los 400C se desech porla posibilidad de problemas a la hora de mantener el calor o su descomposicin o

fundicin.

Finalmente se opt por utilizar un tipo de cemento aislante con alta resistencia y

baja conductividad trmica para aislar el depsito como el que dispone Ratsa entre

sus productos. De esta manera evitamos posibles fugas por fundicin del aislante

de fibra de vidrio y aseguramos que el depsito estar aislado aunque sobrepase

en algunos grados las temperaturas estimadas.

Otro punto de inters es determinar qu tipo de sales se introducirn en el depsito

de sales.

La composicin de la mezcla y el porcentaje de la misma podran darnos sales con

diferentes puntos de fusin, de esta manera, mientras que en la central Andasol se

han utilizado 60% de nitrato de sodio y un 40% de nitrato potsico (con una

temperatura de fusin de 223C) en la central solar Thmis (Francia) se utilizaronsales con una composicin del 53% de nitrato de potasio, un 40% de nitrito de

sodio y un 7% de nitrato de sodio, dando lugar a temperaturas de trabajo medias

de 300 C.

Existen adems en el mercado algunos compuestos desconocidos y desarrollados

por empresas privadas que pueden soportar hasta 600C, pero debido a las


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limitaciones del material que poseemos y los precios, no se han considerado para

este proyecto.No obstante, un estudio detallado sobre la proporcin de sales en la mezcla podra

darnos un punto de fusin cercana a los 350C o a los 400C, ya que no existen

valores de las infinitas mezclas de sales que podran realizarse.

A las sales anteriormente mencionadas (utilizadas en plantas como Andasol) se

les da un uso diferente, ya que mientras que en las plantas de Andasol esas sales

lquidas se bombean por el circuito, en el presente proyecto nicamente se

considera la posibilidad de mantenerlas en el depsito como intercambiador decalor sin que estas sean bombeadas. La proporcin de sales utilizadas en estas

plantas podra utilizarse sin problemas, ya que aunque superamos el valor de

fusin, a 400C an se est muy por debajo del valor de evaporacin (600C).

El valor de la densidad de las sales en esta proporcin es de 1899kg/m3 y el calor

especifico es de 1.45 KJ/Kg k, aunque los valores de la densidad y calores

especficos varan con el cambio de temperatura. Para el desarrollo de este

proyecto, es ms importante el calor latente de fusin de las sales que el calorespecifico, puesto que el cambio de fase de las sales permite almacenar mucha

ms energa en menos volumen.

La nica manera de conocer cmo varan estos valores es de manera experimental

o siendo proporcionados por el proveedor de sales.

2.6Aplicaciones

Las aplicaciones del calor almacenado en el depsito de sales fundidas pueden ser

mltiples en el hogar, desde utilizarlo para cocinar como utilizarlo para un ciclo

de produccin de electricidad.

Las diferentes aplicaciones que se han desarrollado para el uso de esta energa

trmica almacenada se han desarrollado en un proyecto aparte, titulado


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almacenamiento y usos de energa solar de alta temperatura para fines

domsticos.Se mencionarn brevemente cada uno de ellos, no obstante, para ms informacin

ser necesario buscar en el proyecto anteriormente mencionado, donde se

desarrollan completamente las aplicaciones.

2.6.1Plancha

Se ha considerado la posibilidad de ahorrar electricidad para calentar la resistencia

de una plancha manual de planchar ropa utilizando el calor del aceite trmico.

De esta manera la plancha podra conectarse a travs de una salida del aceite para

permitir que este pasase a travs de la plancha y calentarla, donde el caudal o el

tiempo durante el cual fluye el aceite determinara la temperatura obtenida.

El cable de transmisin seria de acero y estara adecuadamente aislado para evitar

daos al usuario por contactos indirectos.

2.6.2

Horno

El calor del depsito podra trasladarse hasta el horno, o situar el horno de manera

cercana al depsito para evitar prdidas en el transporte del aceite.

Al igual que en la plancha el caudal de aceite y el tiempo durante el cual fluye, en

el caso que el horno estuviese lejos del depsito, o la aproximacin o lejana al

depsito, en el caso en el que el horno estuviese junto al depsito, determinaran

la temperatura de uso, que en cualquier caso siempre es mayor que el uso de la

plancha.

2.6.3Cocina vitrocermica

El diseo se realiz con las mismas consideraciones que el horno, pero adems

aadiendo las prdidas que existen hacia el ambiente al cocinar.


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Se han diseado diferentes tipos de cocina, con huecos para situar las cacerolas o

tapas que impidan salir el calor, para evitar este tipo de prdidas y que todo elcalor pase directamente a los alimentos.


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Captulo 3

ESTUDIO PREVIO

El modelado del conjunto de captacin, formado por la parbola, el tubo de vaco

y las sujeciones, se realiz partiendo del tamao real del tubo de vaco, que es el

elemento que no se puede variar en sus medidas.

El resto de componentes del colector cilindro parablico sern realizados en las

instalaciones, adaptando sus caractersticas a las del tubo, ya que son totalmente

adaptables a las necesidades requeridas.

Para el modelado se utiliz el programa de diseo CAD CATIA, que facilitaba en

gran medida la realizacin del perfil parablico y la unin de las piezas realizadas

por separado mediante relaciones de posicin.

El tubo de vaco se encuentra situado en el foco de la parbola, de manera que

todos los rayos de sol que incidan sobre esta lleguen al tubo por su parte posterior,

adems de los que llegan directamente por su parte anterior.La unin entre el tubo de vaco y la parbola se realizara a travs de unos tirantes

metlicos, que evitaran en lo posible la desviacin del tubo con respecto a su

posicin en el foco de la parbola y evitaran realizar sombras tanto en el tubo

como en la parbola.

Una vez los tubos salen de la parbola, sern cubiertos por un aislante para reducir

al mnimo las prdidas de calor hasta llegar al depsito de sales.

La disposicin y diseo de las tuberas dependern de su situacin a lo largo de lacasa, por lo que no es posible realizar un modelado de las tuberas sin conocer la

estructura de la casa.

La parbola metlica dispondr en su parte trasera de unas ballenas o costillas

metlicas que impidan la deformacin de la misma debido a la meteorologa y que

le den cierta rigidez (ya que se trata de una chapa metlica muy delgada y de

grandes dimensiones).


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A continuacin se muestran algunas imgenes del modelo final realizado, que se

ha situado sobre una superficie de referencia.

Fig. 30: Imagen final del modelado del conjunto de captacin solar

Fig. 31: Detalle trasero de las costillas que estabilizan la estructura parablica


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Fig. 32: Detalle de la planta y el perfil de la estructura parablica

Cabe mencionar que el modelo realizado se ha situado sobre un sistema

basculante que le permite variar su posicin respecto a un eje.

Este sistema basculante segn patente espaola denominada Seguidor solar para

cubiertas con n P201000219 ser controlado por un motor o sistema electrnico

que permita realizar la variacin de forma precisa sin necesidad de intervencin

humana en un nico eje vertical.

Este programa y el sistema electrnico ya se encuentran diseados, por lo que no

es competencia de este proyecto hablar de l o desarrollar uno nuevo.

El resto del sistema (circuito hidrulico y depsito de sales) se realizarn de

acuerdo al modelo del circuito realizado anteriormente, sin que esto pueda

suponer un problema debido a la falta de modelado.

3.1Conocimientos previos

Para el posterior clculo de la transmisin de calor se considerarn conocimientos

de transmisin de calor previos, como son los que se producen en el tubo y en el

intercambiador de calor.

En primer lugar se necesitan conocimientos previos de la meteorologa del lugar

geogrfico donde se va a situar el sistema de captacin.


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Posteriormente veremos que, aunque en el programa de simulacin los datos

meteorolgicos nos son dados por la base de datos, algunos de ellos sernnecesarios para introducir en los parmetros de los distintos elementos que

conforman el sistema de simulacin.

Estos datos meteorolgicos pueden obtenerse de la base de datos de la NASA, que

es una base de datos de acceso libre, donde se pueden obtener los valores medios

mensuales de todos los datos de una longitud y una latitud determinada.

Fig. 33: Algunos datos meteorolgicos de latitud 40,5 y longitud -3.5 (Fuente: NASA)


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Como puede verse en Fig. 33, pueden obtenerse los valores de la meteorologadada en Arganda con valores medios mensuales en los ltimos 22 aos.

A continuacin se considerar el factor de concentracin del captador.

Este coeficiente, , se utiliza para realizar el clculo terico de la potencia ideal

que entra en el captador, considerando el rea del tubo captador y de la abertura

de la parbola

Ecuacin 1 =

Donde el valor de la potencia terica de entrada en el captador es

Ecuacin 2 =

Siendo el valor de el valor del rea total de la chapa estirada que forma

la parbola de captacin y la potencia que llega hasta su superficie.

En todo caso se va a considerar el flujo de aceite laminar, puesto que se trata de

un caudal muy pequeo a velocidades muy pequeas, por lo que se descartan de

inmediato turbulencias y cavitacin en el interior del circuito que puedan poner en

peligro tanto la bomba como tuberas.

La posicin del captador no solamente depender de su posicionamiento en lo alto

de la casa (que depender de si la casa tiene un tejado inclinado, la inclinacin y

orientacin del mismo, o de si se encuentra en una superficie plana como en una

azotea), sino tambin de la situacin geogrfica de la casa.

Depender de la longitud y latitud (que en un primer momento y para realizar el

prototipo se considerara en Arganda del Rey, donde se encuentran las

instalaciones) sino tambin de ngulos solares como el ngulo de incidencia, el

azimut y el cenit que ya se mencionaron en el apartado 1.2 y que sern diferentes

en diferentes sitios.


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En este tipo de captador cilindro parablico nicamente se dispone de un grado de

libertad que podr situar el captador en funcin de la altura solar, y no podrmoverlo con respecto a la posicin que va tomando a lo largo del da.

Para intentar que la energa que entra en el colector sea la mxima posible es muy

importante el ngulo de orientacin con respecto a la posicin solar, por eso los

rayos solares deben ser perpendiculares al plano de apertura del captador todo el

tiempo posible.

En la mayor parte del tiempo de funcionamiento los rayos solares llegarn al

colector de forma inclinada y solamente llegarn de manera perpendicular en unpequeo momento del da, como puede observarse en la Fig. 34.

Fig. 34: Grado de libertad del CCP con respecto al movimiento solar

Adems de influir la posicin del CCP, se producirn algunas prdidas en la

absorcin del captador que sern necesarias tenerlas en cuenta a la hora de

calcular el rendimiento y la eficiencia del colector.


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3.2Prdidas

Estas prdidas se deben sobre todo a la imperfeccin del modelo o prototipo

realizado, que en ningn caso es tan perfecto como el modelo realizado para su

fabricacin.

En primer lugar existen prdidas en la superficie metlica del colector, que en

principio debe tener una reflectividad elevada para evitar que los rayos solares se

dispersen y lleguen al tubo correctamente.

Por motivos como el acabado superficial, suciedad de la superficie y

imperfecciones superficiales que en muchos casos son inapreciables a simple

vista, en muchos casos los rayos son reflejados en otras direcciones que no son las

adecuadas producindose dichas prdidas.

Por ellos es importante la fabricacin adecuada del colector, as como la posicin

del tubo de vaco en el foco de la parbola que es donde se localizaran la mayor

parte de los rayos solares.

El tubo de vaco, segn el fabricante tiene una transmitancia de la capa exterior

cercana al 96% lo que implica que se producen prdidas tambin en la capa ms

externa del tubo de vaco.

Desde que los rayos solares entran en el captador (considerando las prdidas antes

mencionadas producidas por la posicin y el acabado de la

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