INSTALACIONES DE

ENERGAS RENOVABLES

Jess Pavn

J. Pavn Ingeniera Mecnica

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ndice Energas Renovables...................................................................................................................... 2

Energa Solar.................................................................................................................................. 2

El Sol .......................................................................................................................................... 2

Radiacin ................................................................................................................................... 2

Medida de radiacin: Piranmetros ......................................................................................... 3

Radiacin sobre una superficie fija inclinada ............................................................................ 3

Tipos de Captadores .................................................................................................................. 4

ACS ............................................................................................................................................ 5

Captadores con seguimiento .................................................................................................... 8

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Energ as Renovables Recursos limpios e inagotables que nos proporciona la naturaleza, de bajo o nulo impacto

ambiental siempre reversible.

Ventajas

o Elevada disponibilidad

o Estable a largo plazo

o Carcter autctono

o Poco contaminantes

Inconvenientes

o Disponibilidad variable

o Falta de sintona con la demanda

o Tecnologas caras y a veces poco extendidas

o Regulacin difcil

o Integracin compleja en redes convencionales

Energa Solar

El Sol Esfera de materia gaseosa muy caliente con un dimetro = 1,39 109 . Reactor de fusin

H a He contenido por fuerzas gravitacionales.

La distancia entre el sol y la tierra vara entre 147 y

152 millones de km.

Radiacin

Radiacin extraterrestre. La constante solar

Energa solar medida recibida por unidad de tiempo y de superficie, perpendicular a su

direccin de propagacin y situada fuera de la atmsfera a la distancia media entre la tierra y

el sol. En la actualidad se toma como 0 = 1367

2.

Radiacin que llega a la superficie terrestre

- Dispersin. Radiacin solar debida a la interaccin de la luz con molculas del aire, con

el agua y con el polvo en suspensin.

- Absorcin. Debida al O3 en el UV y H2O y CO2 en bandas del IR.

Direccin de la radiacin

Declinacin. El eje de la tierra esta inclinado

23,45o respecto a la perpendicular al plano

que contiene su rbita alrededor del sol. Esto

da lugar a las estaciones. La declinacin es la

variacin sinusoidal del ngulo que forman la

direccin de los rayos del sol y el ecuador.

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Posicin solar.

Angulo horario. Est definido por dos planos que contengan al eje de la tierra, uno

pasa por el meridiano local y otro por el sol. Cuando el sol est en su cenit es nulo y

toma valores negativos antes de dicho instante y positivos despus, segn la velocidad

de rotacin de la tierra: 15o/hora.

La radiacin incidente sobre un colector solar, depende de los siguientes ngulos:

- Declinacin anual:

- Hora solar:

- Latitud geogrfica:

- Inclinacin del colector:

- Orientacin del colector:

De los que se derivan los siguientes ngulos que son de utilidad:

- ngulo cenital:

- Altura solar:

- ngulo azimutal:

- Angulo de incidencia:

- ngulos horarios de salida y puesta del sol:

- Duracin del da: DD

Medida de radiacin: Piranmetros Medida de radiacin global y, usando una banda de sobra, radiacin difusa.

- Piranmetros

clase 1

- Piranmetros

clase 2

- Clulas

fotovoltaicas

Radiacin sobre una superficie fija inclinada Para recoger la mxima cantidad de radiacin solar por unidad de superficie es preciso inclinar

el colector hasta lograr la incidencia normal. En el hemisferio norte, si la altitud es mayor que

la declinacin hay que inclinar al colector hacia el sur y si la altitud es menor a la declinacin

hacia el norte. En el hemisferio sur al revs.

La inclinacin ptima correspondiente al medioda solar, es igual a la diferencia entre latitud

y declinacin, y consecuentemente vara a lo largo del ao.

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Tipos de Captadores

- Rendimiento de un captador solar:

- Expresin grfica del rendimiento de diferentes tipos de captador solar:

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ACS

Equipo de instalaciones solares

Las instalaciones solares constan de:

- Sistema de captacin. Circuito primario: captadores, tuberas aisladas y bombas.

- Sistema de acumulacin. Circuito secundario: acumulador, intercambiadores de calor

entre primario y este circuito, y bombas.

- Circuito terciario o de consumo: acumulador de ACS a la temperatura de servicio,

incluye un intercambiador de calor entre secundario y el circuito de consumo.

- Sistema de energa convencional: apoyo con caldera, alimentada con gas natural

principalmente.

- Sistema elctrico y de control: Encargado de regular los dos sistemas, el convencional

y el solar.

Sistema de almacenamiento

La energa solar es un recurso dependiente del tiempo, que conlleva a un desajuste temporal

entre la produccin y la demanda. Por lo tanto, es necesario almacenar energa u otro

producto del proceso si queremos que la energa solar cubra una parte significativa de la

demanda. Adems se necesita siempre una fuente auxiliar de energa.

- Forma: Qu se almacena y cmo? Calor sensible o latente.

- Conexin: Dnde situamos el almacenamiento? Hay que conjugar el aporte solar, el

aporte solar y la carga tratando de minimizar el incremento de temperatura entre la

carga y los captadores.

- Capacidad: Cunto almacenamos? Depender de la variacin temporal de la

radiacin solar, de la demanda, del suministro auxiliar de energa

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Almacenamiento de calor sensible con agua. Utiliza el agua como medio de

almacenamiento. Las temperaturas son limitadas por debajo de los requisitos de la

aplicacin y por arriba de las prdidas de calor en el adaptador.

o Estratificacin. Operacin del acumulador con niveles de temperatura bien

diferenciados, es decir, con la parte superior ms caliente que la inferior

debido a diferencias de la densidad. Tiene como funcin enviar el agua lo ms

caliente posible y devolverla a los captadores lo ms fra posible.

o Acumuladores. Materiales: acero protegido con pintura epoxi, acero

inoxidable o aluminio; Aislamiento: poliuretano inyectado; Accesorios:

distribuidores de flujo, serpentines.

Almacenamiento en lecho slido. Utiliza la capacidad trmica de un lecho de material

granulado densamente empaquetado. El fluido normalmente es aire y los slidos

piedras. La adicin de calor se hace con circulacin descendente y la recuperacin con

circulacin ascendente.

Almacenamiento estacional. Almacena el calor en verano para usarlo en invierno.

Intercambiadores de calor.

Se usan normalmente cuando se quiere evitar hacer circular el fluido de almacenamiento por

los captadores, as se evitan problemas de corrosin y ensuciamiento, adems de poder usar

anticongelante.

Fluidos caloportantes

Se utilizan para la captacin de calor de los captadores y su transporte al almacenamiento. Se

encuentran en los circuitos secundarios y primarios

Tuberas y conductos

Para aire se emplean conductos de acero de gran seccin, y para lquido pueden ser de cobre,

acero galvanizado y plstico. A la hora de disear la instalacin es necesario calcular la prdida

de carga que se producir.

Vasos de expansin

Los circuitos deben ser capaces de absorber las dilataciones de los fluidos que por ellas

circulan.

Conexionado de los captadores

Los paneles captadores se pueden conectar entre s en serie, en paralelo o en combinaciones,

aunque casi siempre estn en paralelo.

Control de la instalacin

El control de los sistemas trmicos con captadores planos se suele realizar de dos formas:

- Arrancando y parando las bombas segn la informacin recibida de los sensores de

temperatura.

- Regulando la velocidad de la bomba para tratar de mantener una temperatura fija.

Elementos de control

Termostatos, Reguladores proporcionales, sensores y actuadores.

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Instalaciones solares para Agua Caliente sanitaria (ACS)

Son sistemas destinados a calentar agua de la red de distribucin para usos residenciales. Las

temperaturas requeridas son del orden de 45-60 oC.

- Congelacin.

Cuando no hay radiacin sobre los captadores y la temperatura exterior es baja se

puede producir congelacin. Esto podra causar el bloque de los conductos y un dao

permanente en las tuberas al aumentar el volumen del agua. Para evitar que se

produzca la congelacin es necesario: el uso de anticongelantes mezclados con el

agua, el uso de aire como fluido del captador, recirculacin de agua caliente del

acumulador cuando baja la temperatura, drenado de los captadores por la noche y

diseo a prueba de congelacin.

- Ebullicin.

A altas temperaturas, el anticongelante se descompone ocasionando obstrucciones y

corrosin, adems la instalacin puede sufrir porque algunos materiales no resistan las

altas temperaturas o por la dilatacin. Soluciones: Uso de disoluciones para aumentar

el punto de ebullicin y el uso de vlvulas de descarga por sobrepresin.

- Aporte auxiliar.

Lo recomendable es la adicin de calor al agua que deja el acumulador aumentado la

temperatura hasta el nivel de servicio. Con calentador en serie.

- Servicio.

Es necesaria la acomodacin de la presin de suministro instalando vlvulas

reductoras de presin. En caso de que haya un exceso de temperatura la solucin

ptima es una vlvula de mezclado de tres vas regulada por un termostato.

- Sistemas con circulacin natural.

- Sistemas con circulacin forzada.

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Captadores con seguimiento

Concepto y componentes

Se emplean colectores con concentracin cuando se requiere una energa trmica de mayor

calidad. Estos colectores aumentas con dispositivos pticos la intensidad de la radiacin

incidente sobre el receptor y con ello la temperatura de equilibrio.

- Colector. Sistema completo, receptor y concentrador.

- Receptor. Elemento donde se absorbe la radiacin solar en otra forma de energa.

- Concentrador. Parte del colector que dirige la radiacin hacia el receptor. Puede ser

reflector o refractor. Normalmente exige orientacin (sistema de seguimiento).

- Apertura. rea a travs de la cual la radiacin solar entra en el concentrador.

Relacin de concentracin. Cociente entre el rea de apertura (Aa) y el rea del receptor (Ar)

=

Concentradores cilndricos difusos

Se mantiene el vaco entre dos tubos de cristal concntricos que

reciben la radiacin solar directamente y la reflejada en un reflector

difuso situado tras ellos.

Concentradores parablicos lineales

Colectores con el concentrador pensado para reflejar la radiacin directa hacia un receptor

alargado. El perfil del concentrador no siempre es parablico. Tipos:

Compound Parabolic Concentrator (CPC)

Estos diseos utilizan normalmente receptores

cilndricos evacuados (con vaco). El concentrador

se suele truncar. Se pueden construir colectores

que concentren la radiacin directa con mnimos

requerimientos de seguimiento (en un rango de

ngulo de incidencia, 2c).

Mxima temperatura de trabajo: 200oC. Mxima relacin de concentracin: 10.

Parabolic Trough Concentrator (PTC)

Para relaciones de concentracin intermedia y temperaturas de hasta 500oC se utilizan

colectores con concentrador parablico, con una relacin de concentracin mxima

de 100 que requiere un seguimiento muy bueno del sol. El receptor es tubular y va

encapsulado a vaco.

Concentradores parablicos puntuales

Son colectores con algn tipo de simetra circular cuyo concentrador,

generalmente compuesto de una o varias superficies de revolucin,

refleja la radiacin hacia un receptor puntual. La forma ms comnmente

utilizada es el paraboloide de revolucin. Consiguen relaciones de

concentracin en torno a 600-2000 y suministran calor hasta

temperaturas de 1500oC

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Sistemas de receptor central

Los sistemas de receptor central buscan producir energa elctrica

utilizando concentradores solares de enorme tamao. La ptica se

compone de un campo de heliostatos que reflejan la radiacin a un

receptor central comn. Los heliostatos se disponen en el suelo y el

receptor se instala elevado (generalmente en una torre). Se consiguen

relaciones de concentracin entre 300 y 1500, con temperatura de

trabajo entre 550 y 1500oC. La mejor forma de emplear este calor a

alta T es la produccin de energa elctrica (ciclo Rankine).