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COLECTORES SOLARES

Colectores con tubos evacuados o de vacío

Buscan aumentar la eficiencia (producción de calor útil)

Para reducir las pérdidas térmicas por convección (reducción de la transmitancia térmica UL) se produce vacío entre el absorbedor y la cubierta transparente.

Por razones constructivas (resistencia mecánica a la implosión y estanqueidad) se utilizan tubos cilíndricos de vidrio.

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COLECTORES CON TUBOS EVACUADOS O DE VACÍO

Rendimiento

El análisis del rendimiento es similar al de colectores planos.

Disminuyen el coeficiente UL , menor pendiente.

Para colectores planos , para vacío

Son más eficientes para mayores diferencias de temperaturas (climas fríos o procesos industriales) y menor radiación.

26 W/m KLU 21 W/m KLU

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Aspectos constructivos

Compromiso al determinar la separación óptima entre los tubos.

Tubos muy juntos bloquean la radiación unos a otros con ángulos de incidencia grandes.

Tubos muy separados ocupan mucho espacio y disminuyen el rendimiento global del colector.

La separación óptima es del orden del diámetro del tubo. Suelen alcanzarse relaciones de área total de absorbedor respecto al colector de 0,6.

Puede emplearse una superficie reflectora difusa por debajo.

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Aspectos constructivos (cont.)

Vacío en los tubos

Para eliminar la convección y minimizar la conducción se requieren niveles de vacío del orden de 1 Pa (10-5 atm.)

Para tener una vida útil razonable es necesario emplear materiales de alta calidad (más costosos).

Se debe mantener la estanqueidad por largo tiempo en condiciones de intemperie y ciclados térmicos (contracciones y dilataciones).

Existen dos clases de tubos

Sin sello metal-vidrio: utilizan el vaso de Dewar.

Con sello metal-vidrio: son más proclives a tener pérdidas debido a las diferentes tasas de dilatación de los materiales.

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Tecnologías sin sellos metal-vidrio

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Tecnologías con sellos metal-vidrio

Sellos en ambos

extremos

Ambos sellos en

un extremo

Único sello en

un extremo

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Tecnologías con sellos metal-vidrio (cont.)

Heat-pipe

Se basa en el cambio de fase del fluido en el tubo interior de cobre (heat-pipe)

Absorbe calor en la parte inferior, se evapora y sube hacia el extremo que está en contacto con el fluido de trabajo.

Cede calor al fluido en la parte superior, se condensa y desciende por gravedad.

Debe estar inclinado / Sello único

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Tecnologías con sellos metal-vidrio (cont.)

Heat-pipe (cont.)

Contacto seco con fluido de trabajo (simple de reemplazar).

Vitosol 300-T

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SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS

Producción de agua caliente sanitaria (ACS)

Es la aplicación más difundida, sencilla y económica de la energía solar térmica.

Para aplicaciones residenciales el costo del sistema es aún relativamente alto frente al costo de un sistema convencional.

Para que el mercado se desarrolle se necesitan incentivos o imposiciones reglamentarias del Estado.

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SISTEMAS PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)

Elementos principales

Captadores o colectores

Reciben la energía del sol y la transfieren al fluido.

Intercambiador de calor

Separa los circuitos hidráulicos(depende del fluido utilizado)

Acumulador

Almacena el calor proveniente de los colectores para el uso posterior.

Fuente auxiliar o apoyo

Complementa el aporte solar en los períodos en los que no se produce suficiente calor con el sistema solar térmico.

CAPTACIÓN INTERCAMBIO ACUMULACIÓN APOYO

CIRCUITO

PRIMARIO

CIRCUITO DE

CONSUMO

CIRCUITO

SECUNDARIO

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CAPTACIÓN INTERCAMBIO ACUMULACIÓN APOYO

CIRCUITO

PRIMARIO

CIRCUITO DE

CONSUMO

CIRCUITO

SECUNDARIO

Elementos complementarios

Circuitos hidráulicos

Interconectan los distintos subsistemas y permiten transportar el calor (tuberías, bombas, válvulas, tanque deexpansión, intercambiador de calor, etc.).

Circuito primario: circulación del fluido por colectores y conexión con el intercambiador.

Circuito secundario: circulación del fluido del intercambiador al acumulador.

Circuito de consumo: transporte de agua potable de consumo desde la acometida (ingreso agua fría), pasando por el acumulador y sistema de apoyo, y distribución a los puntos de consumo.

Sistema eléctrico y de control

Se encarga de la operación del sistema (arranque y parada de bombas, control de temperatura, etc.)

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Colectores

Es la parte más importante del sistema.

Debe resistir las condiciones de intemperie (lluvia, granizo, polvo, etc.) y las variaciones de temperaturas .

Normalmente se utilizan colectores planos con una superficie aprox. de 2 m2

por colector y un peso de 15 a 25 Kg/m2.

En los casos que la diferencia de temperaturas sea importante se justifica el empleo de colectores con tubos evacuados.

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Intercambiador de calor

Transfiere calor de un circuito hidráulico a otro y permite separar circuitos con distintos fluidos

Pueden usarse mezclas de agua con anticongelante en el circuito de captadores, como por ejemplo propilenglicol (no tóxico, no inflamable, 40% para ~-20°C).

Elimina sarro y disminuye el riesgo de corrosión en el circuito primario.

Pueden ser externos (figura) o internos (en el acumulador)

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Acumulador

Es necesario contar con un acumulador debido a la imposibilidad de sincronizar el recurso con la demanda.

Debe mantener la calidad sanitaria del agua, colaborar en la eficiencia del sistema y evitar las pérdidas térmicas.

De acuerdo a la posición del eje mayor pueden ser horizontales o verticales.

Pueden incorporar intercambiadores de calor en su interior.

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Acumulador (cont.)

A medida que el agua se calienta, disminuye su densidad y asciende.

El agua caliente se acumula naturalmente en la parte superior del tanque y si no hay circulación interna se produce un gradiente vertical de temperaturas (estratificación). Es afectado por la orientación.

Horizontal: temperatura del agua más homogénea, poca estratificación, se requiere más energía para alcanzar temperaturas altas.

Vertical (preferible): mayor estratificación, temperaturas más altas en la parte superior y más bajas en la inferior.

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Acumulador (cont.)

Con intercambiadores de calor incorporados.

Normalmente son de tipo serpentín, de cobre o acero inoxidable (figura). También existen de doble envolvente o haz de tubos.

Se ubica en la parte inferior del tanque, donde el agua está más fría. Favorece la estratificación y los colectores operan con menordiferencia de temperatura (mejor rendimiento).

Puede tener otros intercambia-dores: para salida de calefacción y/o apoyo externo.

El agua de consumo ingresa por la parte inferior y egresa por la superior (sobre un costado).

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Acumulador (cont.)

Sin intercambiadores de calor

La estratificación es afectada por el agua del circuito secundario (calor proveniente de colectores). Debe evitarse el flujo entre capas de agua a distinta temperatura.

Tomas del intercambiador externo

La entrada de agua debe ubicarse entre el 50 y el 75% de la altura. Si el agua está más caliente que la del tanque se irá hacia arriba y si está más fría irá hacia abajo y no se mezcla con la de la parte superior.

La salida de agua hacia el intercambiador externo debe ubicarse entre el 5 y el 10% de la altura.

Tomas del agua de consumo

Ingresa por la parte inferior (10%) a través de un difusor (para evitar la destrucción de la estratificación)

Egresa por la parte superior (90-100%). Deben evitarse volúmenes no útiles.

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Fuente auxiliar o de apoyo

Consisten en fuentes de energía térmica convencionales, tales como calderas o calefones que funcionan con electricidad, gas natural o licuado, leña, etc.

Aseguran la continuidad en el abastecimiento

Se dimensiona como si no existiera el sistema termosolar.

Se acoplan de diferente manera.

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Circuitos hidráulicos

Incluye los componentes para completar todos los circuitos

Intercambiadores

Bomba de circulación

Válvulas (de paso, de seguridad, antirretorno, mezcladoras)

Tuberías

Vaso de expansión: absorbe variaciones de presión y volumen del fluido, normalmente de tipo diafragma (compatible con fluido).

Purgador de aire

Sensores (manómetros, termómetros,caudalímetros)

Grupos de transferencia prearmados

FLUIDO

MEMBRANA

GAS

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Sistemas eléctricos y de control

Se encargan del funcionamiento del sistema

Activación de las bombas cuando la temperatura del agua en colectores es mayor a la del acumulador (mayor a 7°C, detenido con menos de 2°C)

Temperatura del acumulador

Control de válvulas mezcladoras

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Esquema típico

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Clasificación según el tipo de fuente auxiliar

En línea o instantáneo

En acumulador auxiliar

Integrado en acumulador

INSTANTÁNEO EN ACUMULADOR

AUXILIARINTEGRADO

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Clasificación según el circuito de intercambio

Sistemas abiertos o directos

El fluido de los colectores se almacena en forma directa.

No hay intercambiador.

Riesgo de congelamiento e incrustaciones.

Sistemas cerrados o indirectos

Circuitos separados para colectores y carga.

Se evita congelamiento e incrustaciones en el circuito de colectores.

Se puede presurizar el circuito de consumo.

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Clasificación según la forma de circulación del fluido

Circulación natural o termosifón

El movimiento se produce por la diferencia de densidades del fluido.

Más compactos.

Menor mantenimiento.

Saltos de temp. de 15 a 25°C entre colector y tanque.

Circulación forzada

La bomba (centrífuga) se encuentra en el circuito primario.

Mayor flexibilidad en la instalación.

Más eficientes.

Más elementos.

Mayor caudal y menor saltode temperatura 8 a 15°C.

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Clasificación según acoplamiento de sistemas

Compacto

Integrado

Partido

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Instalaciones

Criterios básicos

Para más de 10 m2 de colectores se requiere circulación forzada y sistema indirecto. Para más de 50 m2 se recomienda intercambiador externo.

De acuerdo al tamaño se recomienda modular baterías de colectores y agruparlas. Cada grupo debe tener el mismo número de baterías para que el sistema esté equilibrado.

El rendimiento de la instalación aumenta con el volumen de acumulación.

Para el dimensionamiento del acumulador suele tomarse como guía

O en función del consumo medio diario

Se recomienda tomar caudales en el circuito primario entre 30-60lt/h, siendo más habituales 40-50 lt/h por m2 de colectores.

2 260lt/m 120lt/mACU

COL

V

A

0.8 ACS ACU ACSV V V

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Diseño del sistema solar térmico

El diseño es un proceso iterativo. Se busca determinar la mejor instalación para un uso específico en un lugar determinado.

El comportamiento térmico depende de muchos factores pero se pueden agrupar en tres grupos principales de parámetros:

De uso: determinan la demanda de energía térmica.

Volumen de consumo, temperaturas de consumo y de agua fría.

Climáticos: determinan la energía disponible para transformar en calor

Irradiación global diaria media mensual sobre el colector, temperatura ambiente media diaria mensual.

Funcionales: dependen de la instalación solar propiamente dicha.

Colectores (cantidad, rendimiento, etc.), acumulador (volumen, aislación, etc.), intercambiador (eficiencia), fluido (caudales, tipo), sistema de control.

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Diseño del sistema solar térmico (cont.)

El proceso incluye los siguientes pasos

Definición y valoración de los parámetros de uso.

Selección de la configuración básica.

Cálculo de la demanda y consumo de energía térmica.

Obtención de los parámetros climáticos.

Selección de los parámetros funcionales.

Cálculo de las prestaciones energéticas.

Si el resultado no es el buscado se puede cambiar la configuración o modificar los parámetros funcionales.

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Determinación de los parámetros de uso

Volumen de consumo diario de agua caliente VACS

Se calcula utilizando valores medios diarios de referencia de acuerdo al tipo de edificio (vivienda, hospital, residencia, etc.)

Existen valores estándares para una temperatura de agua caliente de referencia (normalmente 45°C).

Se usa una temperatura de referencia porque en una instalación se puede requerir agua caliente a diferentes temperaturas.

Para una vivienda se toman 40 lt/día/persona (valores en general menores que los utilizados tradicionalmente 50 o 60 lt.)

Para otra temperatura (T ) diferente a la de referencia se corrige con

45 C

45 C AFACS ACS

AF

TV T V

T T

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Determinación de los parámetros de uso (cont.)

Temperatura del agua fría de entrada TAF

En conexiones a red se toma la media mensual.

Temperatura del agua caliente T

Se diferencian tres temperaturas de acuerdo al lugar de la instalación

De preparación (Tp): temperatura de salida del acumulador

De distribución (Td): temperatura a la que se envía el agua a los puntos de consumo.

De uso (Tu): temperatura requerida en el punto de consumo.

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Cálculo del consumo de energía térmica

Demanda diaria de energía térmica DEACS

Una vez definidos los parámetros de uso se obtiene la energía necesaria para aumentar la temperatura del volumen de agua de consumo VACS desde la temperatura de entrada TAF hasta la de uso TU

El perfil del consumo a lo largo del día va variando pero en general los efectos son de segundo orden respecto al consumo medio.

Con los valores medios diarios para cada mes se obtiene la demanda media diaria para cada mes y luego la demanda de energía anual.

Pérdidas térmicas asociadas a la demanda PTDEM

Se deben considerar todas las pérdidas (circuitos de alimentación, distribución y recirculación, y preparación).

ACS P U AF ACS UDE C T T V T

Agua

ρ = 1000 kg/m3

Cp = 4.186 kJ/kg K

DEM ALI DIS REC ACUPT PT PT PT PT

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Cálculo del consumo de energía térmica (cont.)

Consumo diario de energía térmica CEACS

Es la cantidad de energía térmica que es necesario emplear para poder abastecer la demanda:

Es necesario evaluar las pérdidas térmicas para diferentes condiciones de demanda (±50% del valor de diseño).

ACS ACS DEMCE DE PT

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Determinación de los parámetros climáticos

Para el proceso de cálculo se necesita conocer

Radiación global diaria (media mensual) sobre el plano de los colectores.

Temperatura ambiente diaria (media mensual).

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Selección de los parámetros funcionales

Para calcular las prestaciones energéticas se necesita conocer

Superficie de captación útil Ac (m2)

Número de colectores

Superficie de apertura del colector.

Rendimiento del colector

Volumen específico de acumulación VACU/Ac (lt/m2)

Caudales e intercambiador

Caudal másico específico en circuitos primario y secundario (kg/s m2)

Calor específico en circuitos primario y secundario (J/kg K)

Eficiencia del intercambiador ε

y R R LF F U

1 2

1pC 2pC

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Cálculo de las prestaciones energéticas

Capacidad del sistema para aportar energía térmica a la demanda en las condiciones climáticas dadas.

La evaluación se hace cuantificando el porcentaje de la demanda que es cubierto por el sistema solar, denominado fracción solar f

ASA: aporte solar anual. Energía que aporta el sistema termosolar a la demanda (kWh o MJ) al año.

DEA: demanda de energía anual

ASAf

DEA

La diferencia entre la curva azul y la roja

debería ser aportado por la fuente auxiliar

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Método de cálculo f-chart

Permite estimar la fracción solar, es decir la producción anual de calor útil, de una determinada instalación

Es aplicable al calentamiento de ambientes (agua y aire) y producción de agua caliente.

Es un método empírico derivado a partir de numerosas simulaciones numéricas (programa TRNSYS).

Suficientemente preciso y muy utilizado para estimaciones medias mensuales, pero no es válido para períodos de menor duración.

Se desarrollaron para tres configuraciones típicas

Calefacción y producción de ACS con almacenamiento en agua.

Calefacción y producción de ACS con almacenamiento en piedra.

Producción de ACS con almacenamiento en agua.

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Método de cálculo f-chart

Esquema considerado por el método para producción de ACS

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Método de cálculo f-chart (cont.)

Para cada mes, se obtiene la fracción de ahorro solar f a partir de dos parámetros adimensionales X e Y.

Relación pérdidas del colector/demanda total

Relación energía absorbida/demanda total

R L REF a cF U FIC T T t CV CT AX

DE

R n n cF FIC H N AY

DE

2

: corrección por intercambiador de calor

: 100 C

: temperatura ambiente media mensual

: cantidad de segundos en el mes

: área de colectores (m )

REF

a

c

FIC

T

T

t

A

: demanda a abastecer por el sistema (J)

: promedio de la eficiencia óptica real/normal (0.94 planos,

0.97 tubos vacío con abs. plano y 1 con cilíndrico)

: radiación media mensual sob

n

DE

H

2re la superficie (J/m )

: cantidad de días del mesN

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Factor de corrección por el intercambiador de calor (FIC)

Donde ε es la eficiencia del intercambiador, es la capacidad calorífica específica del fluido del circuito primario, es el caudal másico específico y

el calor específico de la mezcla anticongelante.

1

11 1R L

P

FICF U

nC

PnC

2

Caudal por colector lt/skg/lt

mmezcla

C

nA

n

PC

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Corrección por volumen del tanque de almacenamiento

El método considera una capacidad estándar de 75 litros/m2 de colectores. Para otras capacidades se corrige el parámetro X con el factor CV

En el caso que se use también para calefacción se puede corregir Y para considerar el intercambiador de calor.

0.25

275 lt/m

ACU CV ACV

0.5 4CV

Rango de validez

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Corrección por temperatura del agua caliente

La temperatura de referencia es de 100°C, para considerar otra temperatura de preparación se corrige el coeficiente X mediante

11.6 1.18 3.86 2.32

100

P f a

a

T T TCT

T

: temp. mínima de preparación agua caliente

: temp. del agua fría (de red)

: temp. ambiente media

P

f

a

T

T

T

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Fracción de ahorro solar para cada mes

2 2 31.029 0.065 0.245 0.0018 0.0215f Y X Y X Y

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Aporte solar mensual

Fracción de ahorro solar media anual

i i iAS f DE

i i i

i i

AS f DEf

DE DE

DIE

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