Proyecto Fin de Carrera -...

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Proyecto Fin de Carrera

COMPARACIÓN DEL POTENCIAL DE LA

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA FRENTE

FOTOVOLTAICA PARA PRODUCCIÓN

DE ENERGÍA TÉRMICA

Autor: Jose Antonio Camacho Molina

Tutor: Isidoro Lillo Bravo

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

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Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

COMPARACIÓN DEL POTENCIAL DE LA ENERGÍA

SOLAR TÉRMICA FRENTE FOTOVOLTAICA PARA

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA

Autor:

Jose Antonio Camacho Molina

Tutor:

Isidoro Lillo Bravo

Ingeniería

Dpto. de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

v

Índice

Índice v

1 Introducción 7

2 Objetivo 8

3 Estado del Arte 9 3.1 Introducción 9 3.2 Instalaciones Termosolares 17

3.2.1 Baja Temperatura 22 3.2.2 Media Temperatura 25

3.3 Tecnología Fotovoltaica 29 3.3.1 Las células solares de silicio cristalino 29 3.3.2 Las células solares de silicio policristalino 29 3.3.3 Las células solares de capa fina 29

3.4 Máquinas de Absorción 34 3.4.1 Tipología 34 3.4.2 Coeficiente de rendimiento del ciclo y temperatura de operación 35 3.4.3 Evolución del coeficiente de rendimiento 37

3.5 Máquinas de Compresión 40 3.5.1 Tipología 40

4 Análisis de datos 43 4.1 Instalaciones Termosolares 43 4.2 Instalaciones Fotovoltaicas 48 4.3 Máquinas de Absorción 48 4.4 Máquinas de Compresión 56

5 Límites de Rendimiento 61 5.1 Sistemas Termosolares 61 5.2 Instalaciones Fotovoltaicas 62 5.3 Máquinas de Absorción 63

5.3.1 Rendimiento máximo del ciclo de absorción para producción de frío 63 5.3.2 Rendimiento máximo del ciclo de absorción para producción de calor 64

5.4 Máquinas de Compresión 65 5.4.1 Rendimiento máximo del ciclo de compresión para producción de frío 65 5.4.2 Rendimiento máximo del ciclo de compresión para producción de calor 67

6 Análisis comparativo para producción de frío 69 6.1 Caso 1. Situación Actual 71

6.1.1 Consideraciones 71 6.1.2 Análisis 74

6.2 Caso 2. Punto de vista del ciclo Termodinámico 76 6.2.1 Consideraciones 76 6.2.2 Análisis 78

6.3 Caso 3 Punto de vista de la tecnología solar 80 6.3.1 Consideraciones 80

6.4 Caso 4 Desde un punto de vista del ciclo termodinámico y tecnología solar simultáneamente 85 6.4.1 Consideraciones 85

7 Análisis económico 89

8 Análisis Exergético para producción de frío 97

9 Análisis comparativo para producción de calor 100

vi

9.1 Caso 1. Situación Actual 100 9.2 Caso 2 Punto de vista del ciclo Termodinámico 102 9.3 Caso 3 Punto de vista de la tecnología solar 104 9.4 Caso 4 Punto de vista del ciclo termodinámico y tecnología solar simultáneamente 106

Conclusiones y líneas de trabajo futuras 108

Referencias 109

Índice de Figuras 113

Índice de Tablas 115

7

1 INTRODUCCIÓN

En el mundo la mayoría de la energía producida proviene de combustibles fósiles (petróleo, gas

natural, carbón). Dichos recursos son limitados, de ahí la importancia de las energías renovables.

Además, según la Directiva 2010/31/UE, de 19 de mayo, sobre la eficiencia energética de los edificios

establece la obligación de que todos los edificios nuevos, o que experimenten reformas importantes

(equivalentes al 25% de la superficie envolvente o al 25% de su valor), sean “de consumo de energía casi

nulo” a partir de 31 de diciembre de 2020.

Una de las energías renovables más importante es la energía solar. La energía solar aprovecha la

radiación solar para producción de electricidad o energía térmica. Dicha radiación solar puede ser

captada mediante sistemas termosolares que calientan un fluido o sistemas fotovoltaicos que

transforman directamente la energía solar en electricidad. El calentamiento del fluido o la

electricidad producida pueden ser utilizados para la producción de frio y/o calor.

Actualmente, la producción de frío y/o calor mediante energía solar se suele venir realizando

mediante sistemas termosolares con ciclos de absorción aunque no es una aplicación

comercialmente generalizada, más bien por motivos económicos que por motivos de madurez de

esta tecnología.

El uso de fotovoltaica para la producción de frío, prácticamente se ha utilizado en proyectos pilotos

ya que por motivos, fundamentalmente económicos, otras tecnologías han sido más viables y

dentro de la energía solar, la energía solar térmica siempre ha venido siendo más viable

económicamente.

El uso de sistemas termosolares para la producción de frío y calor mediante energía solar presentan

rendimientos, en la mayoría de los casos más elevadas que en sistemas fotovoltaicos .

Sin embargo el fuerte desarrollo tecnológico , la caída del precio de los paneles fotovoltaicos y una

menor eficiencia energética del ciclo de absorción utilizado con sistemas termosolares frente a la

eficiencia energética del ciclo de compresión usado en sistemas fotovoltaicos, plantean el interés de

un estudio comparativo de la producción de frío y/o calor mediante las tecnologías termosolares y

fotovoltaicas.

8

2 OBJETIVO

El objetivo del presente trabajo es realizar una comparación de los sistemas termosolares y sistemas fotovoltaicos para la producción de frío y en menor medida para la producción calor.

Por lo que se estudiará:

- Cuál de las dos tecnologías (termosolar y fotovoltaica) requeriría menos área de captación solar logrando el mismo efecto de refrigeración/calefacción en el mismo emplazamiento.

- Ver el potencial de mejora de ambas tecnologías en función de las hipótesis realizadas en diferentes casos.

Por ello se estudiarán los siguientes casos:

Caso 1: Situación actual, en este caso se considera los valores actuales de eficiencia termodinámica de los ciclos de compresión y absorción, así como los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares y fotovoltaicos.

Caso 2: Desde un punto de vista del ciclo termodinámico, en este caso se consideran los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares y fotovoltaicos además considerando la máxima eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión y absorción.

Caso 3: Desde un punto de vista de la tecnología solar, en este caso se consideran los valores actuales de eficiencia energética en los ciclos de compresión y absorción y además considerando el máximo rendimiento posible para las distintas tecnologías.

Caso 4: Desde un punto de vista del ciclo termodinámico y de la tecnología solar simultáneamente, en este caso se considerará la máxima eficiencia termodinámica de los ciclos de absorción y compresión, así como el máximo rendimiento posible de las distintas tecnologías.

Además, en estos cuatro casos, se incluirán aspectos económicos básicos para conocer un orden de magnitud de la viabilidad económica de las dos opciones.

Todo ello se ha realizado de acuerdo a unas consideraciones o hipótesis siguientes:

a. Se asume que el ciclo de compresión solo trabaja con energía solar y solo se considera la energía

consumida por el compresor, despreciando las demás posibilidades de consumo como las

asociadas a ventiladores, cámaras, luces, etc.

b. Se asume que el ciclo de absorción solo trabaja con energía termosolar y solo se considera la

energía consumida por el generador, despreciando las demás posibilidades de consumo como

las asociadas a bombas entre el absorbedor y el generador. Se identifica que la temperatura de

calentamiento de entrada del ciclo es la misma que la temperatura alcanzada por la instalación

termosolar .

c. Se considera que las instalaciones fotovoltaicas y termosolares operan sin sistemas auxiliares de

suministro de energía.

d. No se ha tenido en cuenta ningún aspecto ambiental en el diseño, aunque realmente influiría en

la elección de la instalación.

e. Es indicativo que la recepción de energía para sistemas termosolares y para instalaciones

fotovoltaicas además de la temperatura de los captadores solares varía significativamente

durante el día. Son despreciados los aspectos derivados de la calidad y cantidad de la energía

térmica suministrada en cada momento.

9

3 ESTADO DEL ARTE

3.1 Introducción

En este capítulo se presenta el estado del arte de las distintas tecnologías focalizándolo en la eficiencia de estas y de los parámetros de los que depende para un posterior análisis.

Para la producción de frío existen una amplia variedad de técnicas de enfriamiento. En la Figura 1 se muestra una posible clasificación.

Se ha resaltado en negrita dos de los sistemas más utilizados para la producción de frío además que pueden ser utilizados para producción de calor.

11

Figura 1.- Clasificación técnicas de enfriamiento.

12

En la Figura 2 y en la Figura 3 se muestran las dos configuraciones a tratar en este proyecto.

Sistema fotovoltaico con ciclo de compresión mecánica

Sistema termosolar con ciclo de absorción

Figura 2 Esquema sistema de refrigeración fotovoltaico

Figura 3 Esquema sistema de refrigeración termosolar

13

De acuerdo con (4) la energía solar es transformada mediante dispositivos capaces de captar la energía proveniente del sol y la transforman en otra forma de energía compatible con la demanda que se pretende satisfacer. Mediante el aprovechamiento solar activo, se puede producir electricidad (energía solar fotovoltaica) y obtener calor (energía solar térmica).

El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía útil es el panel solar, pudiendo ser de dos clases: captadores solares térmicos y módulos fotovoltaicos

En la siguiente tabla se muestra una posible clasificación:

CLASIFICACIÓN INSTALACIONES

Tipo de Instalación Equipo Principal Aplicaciones

Instalaciones

Termosolares

Baja

temperatura

Para

calentamiento

Captador plano o tubo de

vacío

Agua caliente sanitaria

Calefacción piscinas

Calefacción espacios

Para producir

frio

Captador plano o tubo de

vacío y equipo de

absorción

Refrigeración de espacios

Media

temperatura

Para

calentamiento

Cilindro-parabólicos

Concentradores lineales

de Fresnel

Agua caliente sanitaria y

vapor de agua, industria,

hospitales

Calefacción grandes

espacios

Para producir

frío.



de Fresnel y equipo de

absorción

Refrigeración de espacios

Alta

temperatura

Centrales

eléctricas

termosolares



de Fresnel

Receptor central

Discos parabólicos

Venta de energía a la red

Instalaciones

Fotovoltaicas Energía solar fotovoltaica Módulo fotovoltaico

Venta de energía a la red;

Bombeo de agua;

Electrificación rural;

Telecomunicación, etc.

Tabla 1 Clasificación Instalaciones

14

Para la producción de frío y calor los sistemas utilizados más comunes son los sistemas de absorción y compresión.

En la Tabla 2 se muestra una clasificación común de las máquinas de absorción.

Máquinas de Absorción

Fluido Técnica de

enfriamiento

Simple efecto

Doble efecto

Triple efecto

Simple efecto

Ciclos GAX

Ciclo ramificado GAX(Existen varios ciclos )

Tabla 2 Clasificación máquinas de absorción comunes

En la Tabla 3 se muestra una clasificación genérica de las distintas máquinas de compresión.

TIPOLOGÍA DEL COMPRESOR

Máquinas de Compresión

Volumétrico o de desplazamiento

positivo

Alternativos

Rotativos Un rotor

De paletas

De rodillo o pistón

Scroll

Dos rotores De tornillo

Turbocompresores Centrífugos

Axiales

Tabla 3 Clasificación de los compresores atendiendo a su principio de funcionamiento

En los siguientes puntos, se va a establecer el estado actual de los rendimientos de las instalaciones termosolares e instalaciones fotovoltaicas, así como la eficiencia de las máquinas de absorción y máquinas de compresión además de los factores de los que depende.

Antes de ello, se van a definir los parámetros de eficiencia de las máquinas de absorción y máquinas de compresión.

15

De acuerdo con la Norma Europea, EN 14511:2007:

COP( Coefficient Of Performance), eficiencia de calentamiento: Cociente entre la potencia calorífica total, y la potencia absorbida útil,

EER ( Efficiency Energy Ratio), eficiencia de enfriamiento: Cociente entre la potencia

frigorífica total, y la potencia absorbida útil, .

Para tener un valor más real del o , existe un parámetro promedio de la eficiencia

energética para tener en cuenta las horas de encendido y apagado y su funcionamiento a carga

parcial.

- Según la certificación de EUROVENT:

PARÁMETROS

Factor de carga (%) Temperatura del Aire Temperatura del Agua Pesos

100 35 30 3

75 30 26 33

50 25 22 41

25 20 18 23

Tabla 4 Parámetros del Factor de carga I

Siendo el factor de carga parcial la relación entre la potencia producida y la capacidad máxima.

Los pesos establecen el número de horas a dicha carga.

- Según la certificación ARI 550/590-2003:

PARÁMETROS

Factor de carga (%) Temperatura del Aire Temperatura del Agua Pesos

100 35 30 1

75 30 26 42

50 25 22 45

25 20 18 12

Tabla 5 Parámetros del Factor de carga II

16

Se establece un nuevo requisito europeo sobre eficiencia energética para equipos de aire acondicionado bombas de calor con potencias frigoríficas o caloríficas inferiores a 12 kW.

- Aparatos aire/aire

- Aparatos en los que el compresor es accionado eléctricamente

Dichos parámetros son el SEER y el SCOP.

'Rendimiento estacional en modo frío’ (SEER): rendimiento representativo de todo el periodo de refrigeración, calculado como la demanda energética de refrigeración para todo el periodo de refrigeración dividida por la energía eléctrica absorbida durante el mismo periodo, ambas en kWh/a.

'Rendimiento estacional en modo calor’ (SCOP) rendimiento representativo de todo el periodo de calefacción, calculado como la demanda energética de calefacción para todo el periodo de calefacción dividida por la energía eléctrica absorbida durante el mismo periodo, ambas en kWh/a .

En este estudio, será utilizado como parámetro de eficiencia termodinámica el y el .

17

3.2 Instalaciones Termosolares

Debido a que el objetivo del proyecto es comparar los distintos sistemas para producción de frio y calor, las instalaciones termosolares de alta temperatura no serán tenidas en cuenta. De modo que de ahora en adelante al mencionar instalaciones termosolares hará referencia a instalaciones de baja y media temperatura.

Para establecer la eficiencia de las instalaciones termosolares se ha realizado una revisión bibliográfica. La mayoría de la documentación encontrada se centra en el rendimiento del captador y no en el conjunto de la instalación por lo que en los apartados siguientes, se distinguirá entre el rendimiento del captador y el rendimiento de sistemas prefabricados.

Instalaciones Termosolares

Baja Temperatura

Instalaciones

Prefabricadas

Captadores Solares

Captador Placa Plana

Captadro Tubos de vacío

Media Temperatura

Instalaciones

Prefabricadas

Captadores Solares

Captador Parabolico Compuesto

Captador de Canal Parabólico

Captador Lineal de Fresnel

Figura 4 Clasificación sistemas termosolares en función de la temperatura del fluido de aportación

Figura 5 Clasificación sistemas termosolares de baja y media temperatura

18

Para establecer la eficiencia de los sistemas prefabricados y de los captadores se focaliza en el rendimiento de estos. Resaltar que al hablar del rendimiento del captador nos estamos refiriendo al rendimiento instantáneo.

Rendimiento captador

De acuerdo con (5), el funcionamiento térmico de cualquier captador solar térmico está

determinado por el llamado rendimiento global, definido como la relación entre la potencia

térmica que es capaz de proporcionar, o potencia térmica útil, , y la potencia procedente del sol

que se tome como referencia, , es decir:

( 1 )

La potencia térmica procedente del sol, no es sino el producto del área neta del captador que intercepta la radiación solar, ,y de la irradiancia solar que se tome como referencia, .

( 2 )

En estado estacionario la potencia térmica útil, , es el resultado del balance entre la potencia

energética absorbida por el receptor, , y la potencia que éste pierde hacia el ambiente,

.

( 3 )

No toda la potencia solar puede ser absorbida por el receptor. Existen una serie de pérdidas de

energía debidas tanto a la geometría y óptica del captador, como a las propiedades de los materiales

del propio receptor que hay que tener en cuenta. Se llama rendimiento óptico, , al factor de

corrección que da la potencia absorbida por el receptor a partir de la potencia solar considerada. Es

decir:

( 4 )

El receptor pierde energía hacia el exterior ya que, al incidir la radiación solar sobre él, se calienta, es

decir, aumenta su temperatura respecto a la temperatura ambiente. Así, cuanto mayor es la

diferencia de temperaturas entre el absorbente, , y el ambiente, , mayores serán las pérdidas de

energía. Las pérdidas del receptor también han de ser proporcionales al área de intercambio de esta

energía, es decir, al área del absorbente, . Al factor de proporcionalidad con este conjunto de

variables se le denomina coeficiente global de pérdidas del receptor, , y tiene en cuenta todos los

intercambios de energía entre el absorbente y el ambiente. De esta forma se puede escribir que:

( 5 )

19

( 6 )

Generalmente la curva de rendimiento que se da para todos los captadores, es con la radiación incidente en perpendicular, que en realidad solo ocurre en las horas centrales del día, por tanto no es del todo fiable. El parámetro IAM (modificador del ángulo de incidencia) es el que mide como cambia la capacidad de captación del captador con el ángulo con que incide la radiación y hay que multiplicarlo con los coeficientes de ganancia para obtener un valor realista del rendimiento de los paneles.

( 7 )

Rendimiento captadores planos

De acuerdo con (6) el rendimiento instantáneo de un captador solar se define como el cociente entre la cantidad de energía que se obtiene (calor obtenido en el fluido caloportador) y la energía solar incidente en un periodo de tiempo determinado.

( 8 )

Figura 7 Representación de las pérdidas del captador solar térmico con IAM

Figura 6 Representación de las pérdidas del captador solar térmico

20

Desarrollando las expresiones de , el rendimiento de un captador solar puede expresarse del

siguiente modo:

( 9 )

Siendo:

,

En la siguiente figura se muestra la curva de eficiencia teórica del captador para distintas

radiaciones.

Figura 8 Curva de eficiencia teórica del captador para distintas radiaciones

De acuerdo con (7), en la bibliografía se pueden encontrar diversas expresiones para la ecuación de rendimiento de un captador solar, por ejemplo:

( 10 )

Siendo:

21

La ecuación del rendimiento ( 9 ), es en realidad una simplificación del comportamiento real ya que

el coeficiente global de pérdidas del captador, no es constante pues es función de la temperatura

del fluido y, en consecuencia:

( 11 )

Sustituyendo ese valor en la ecuación del rendimiento:

( 12 )

La norma UNE-EN-12975-2 (de obligado cumplimiento en España según orden ITC/71/2007 de 22 de enero, BOE 26/1/2007) propone como ecuación del rendimiento del captador solar:

( 13 )

Siendo:

Según la normal el valor de debe utilizarse para representar la curva de segundo grado debe ser

800

.

Rendimiento de sistemas concentradores

De acuerdo con (8) el rendimiento de los captadores de concentración depende de una amplia gama de factores, no pudiéndose utilizar ningún método general que permita el cálculo de cualquiera de ellos en forma generalizada, por lo que hay que resolver cada problema como un caso particular.

De acuerdo con (9) en la actualidad, los captadores solares planos y los de vacío se están ensayando bajo la norma de certificación UNE EN 12975, para obtener sus parámetros térmicos. Los captadores con concentración para su uso en aplicaciones térmicas también se rigen por esta norma de ensayo, si bien, su uso no está generalizado.

22

3.2.1 Baja Temperatura

3.2.1.1 Sistemas prefabricados

En un estudio comparativo de sistemas solares térmicos ensayados en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla bajo la norma UNE 12976 (10), obtienen el rendimiento diario para distintos sistemas. En la Figura 10 muestra las principales características de los sistemas ensayados.

En la siguiente figura se muestran los resultados.

Donde , y son las incertidumbres correspondientes de los parámetros , y

respectivamente.

( 14 )

Con ello se puede calcular el rendimiento de la forma:

( 15 )

Figura 9 Resultados sistemas prefabricados

23

3.2.1.2 Captadores Solares Baja Temperatura

De acuerdo con (4) en los captadores solares de baja temperatura no se utiliza ningún dispositivo para concentrar los rayos solares. Según los materiales y técnicas de captación empleadas se pueden distinguir tres tipos de captadores, de menor a mayor complejidad técnica: captadores de polipropileno ó no vidriados, captadores de placa plana y captadores de tubos de vacío. Los dos captadores más utilizados son los de placa plana y los de tubos de vacío.

3.2.1.2.1 Captador de placa plana (FPC)

De acuerdo con (11) el captador solar de placa plana es el más común y se ha utilizado durante muchas décadas. Un captador de placa plana consiste en un absorbedor, una cubierta, un marco y comúnmente un aislamiento. Por lo general un vidrio templado bajo contenido de hierro se utiliza como cubierta. La superficie de absorción es el corazón de la placa solar y se hace típicamente de cobre o aluminio. El aislamiento se encuentra en la parte trasera y en los lados del captador para limitar las pérdidas de calor. Un bastidor de tubos está unido al absorbedor. La eficiencia térmica de este tipo de captadores normalmente varía entre un 40% a 60% para aplicaciones de baja temperatura. Disminuyendo el rendimiento considerablemente cuando las temperaturas superan los 60 °C. Generalmente estos captadores se usan para temperaturas de menos de 100 °C.

Figura 10 Características sistemas ensayados

24

De acuerdo con (12) los captadores de placa plana son adecuados para aplicaciones que no sobrepasen los 80 °C. Los beneficios de los FPCs se ven reducidos considerablemente bajo condiciones desfavorables, como días fríos, nubosos o ventosos.

En la Tabla 6 se muestran los coeficientes de la curva de rendimiento de distintos captadores de placa plana.

CAPATADORES PLACA PLANA

Referencia Tipo

(13) FPC-1 0.776 4.14 0.0145

FPC-2 0.791 3.94 0.0122

(14) FPC-3 0.818 3.47 0.0101

(15) FPC-4 0.83 6.634 -

(16) FPC-5 0.771 3.68 0.0127

(17) FPC-6 0.7023 - 0.6835

(18) FPC-7 0.804 7.91 -

FPC-8 0.76 4.50 -

Tabla 6 Distintos captadores de placa plana

3.2.1.2.2 Captador de tubos de vacío (ETC)

De acuerdo con (12, 19) los captadores de tubo de vació están formados por una serie de tubos que contienen en su interior un absorbedor de vidrio cubierto por un revestimiento selectivo de alta absorción, garantizando una mínima emisión de radiación solar. El vacío de los ECTs reduce las pérdidas por convección y conducción, pudiendo operar en condiciones que los FPCs presenta un pobre rendimiento debido a las pérdidas de calor.

Además, de acuerdo con (12) los ETCs son adecuados para aplicaciones cuya temperatura sobrepase los 80 °C.

Según (19) en el caso de los captadores de tubo de vacío directos, los tubos que conforman el captador se conectan a un captador principal por donde circula el fluido caloportador de la instalación. En el caso de los captadores tipo heat pipe, los tubos de vacío disponen de un intercambiador ubicado en el extremo del tubo donde el fluido caloportador confinado en este, cede el calor captado al fluido.

En la Tabla 7 se muestran los coeficientes de la curva de rendimiento de distintos captadores de tubo de vacío.

25

CAPATADORES DE TUBO DE VACÍO

Referencia Tipo

(20) ETC -1 0.779 1.07 0.0135

ETC-2 0.745 2.007 0.005

(21) ETC-3 0.718 0.974 0.005

(22) ETC-4 0.775 1.476 0.0075

(14) ETC-5 0.816 2.25 -

Tabla 7 Distintos captadores de tubo de vacío

3.2.2 Media Temperatura

3.2.2.1 Sistemas Prefabricados

No se ha encontrado documentación para sistemas prefabricados de media temperatura.

3.2.2.2 Captadores solares Media temperatura

De acuerdo con (4) los captadores de media temperatura hacen uso de los métodos de concentración con elementos ópticos (lentes y espejos), estos dispositivos, de diseño más complejo, son capaces de captar y concentrar la radiación solar, consiguiendo elevar la temperatura del fluido caloportador a temperaturas muy altas de entre 100 y 200ºC. Los captadores de media temperatura más utilizados son los cilíndrico-parabólicos.

3.2.2.2.1 Captador parabólico compuesto (CPC)

De acuerdo con (23) el captador parabólico compuesto principalmente consta de reflectores parabólicos que redirigen la radiación desde la apertura hasta el absorbente, como si se tratase de un embudo, es decir, todos los rayos incidentes son dirigidos al absorbedor. El absorbedor puede tener distintas configuraciones como cilíndrico o plano.

Además según (24) estas características se deben a que el área de pérdidas es menor al área de captación, logrando una minimización de las pérdidas y alcanzando un rendimiento cercano al 50%.

En la Tabla 8 se muestran los coeficientes de la curva de rendimiento de distintos captadores parabólicos compuestos.

CAPTADORES CILÍNDRICO PARABÓLICO

Referencia Tipo

(25) CPC-1 0.82 5.46 0

(26) CPC-2 0.645 3.16 0

Tabla 8 Distintos captadores parabólico compuestos

26

3.2.2.2.2 Captador de canal parabólico (PTC)

De acuerdo con (27, 28) , el captador de canal parabólico consiste en un conjunto de grandes espejos curvados, que concentran la luz del sol una línea focal. El sistema está provisto de un seguidor solar para asegurar la incidencia de la radiación correctamente. El seguidor puede ser en un eje o en dos ejes. Con el seguidor de 2 ejes la concentración será mayor y por tanto su rendimiento.

De acuerdo con (13), el PTC se utilizan en plantas de energía solar térmica siendo fiables y trabajando temperaturas en torno a los 400 °C y grandes aperturas. Sin embargo para otras aplicaciones posibles como calentamiento de procesos industriales y refrigeración solar, las temperaturas máximas de trabajo en torno a 180 °C. Las ventas de los PTC sobre los captadores solares tradicionales son sus pérdidas térmicas menores y por lo tanto mayor eficiencia en la temperatura de trabajo alcanzada, una superficie menor para un requisito de potencia dada, y no hay riesgo de alcanzar temperaturas peligrosas de estancamiento. La desventaja de los PTC es que su sistema de seguimiento solar aumenta los costes de la instalación y de mantenimiento. Además solo puede usar la radiación directa su instalación es geográficamente limitada. Teniendo en cuenta lugares geográficos donde el viento no sea inconveniente.

En la Tabla 9 se muestran los coeficientes de la curva de rendimiento de distintos captadores de tubo canal parabólico.

CAPATADORS DE CANAL PARABÓLICO

Referencia Tipo

(13)

PTC-1 0.6931 0.4755 0.003128

PTC-2 0.5897 0.9317 0

PTC-3 0.68 0.4 0.0015

(21) PTC-4 0.520 0.475 0.0031

Tabla 9 Distintos captadores de canal parabólico

3.2.2.2.3 Captador Lineal de Fresnel ( LFC)

De acuerdo con(29) la tecnología de concentradores lineales de Fresnel consiste en la utilización de una serie de espejos lineales que pueden rotar alrededor de su eje para dirigir los rayos reflejados hacia un receptor lineal situado por encima de ellos, que puede ser único o doble. Los espejos suelen ser planos o con una ligera curvatura consiste en la utilización de una serie de espejos.

De acuerdo con (30), los concentradores de Fresnel son útiles para temperaturas entre 100 y 250 ºC.

De acuerdo con (31), generalmente existen dos tipos de lentes, lentes-lineales de Fresnel y lentes-puntuales de Fresnel. Las lentes lineales de Fresnel se suelen utilizar para aplicaciones de baja y media concentración. En el presente los factores de eficiencia para los captadores de placa plana, tubos de vacío y cilindro parabólico han sido obtenidos, sin embargo para el concentrador de Fresnel rara vez ha sido investigado.

En la Tabla 10 se muestra la eficiencia de distintos captadores de Fresnel para diferentes concentraciones.

27

CAPTADORES DE FRESNEL

Ratio de concentración

Eficiencia térmica del colector de Fresnel (%)

Absorbedor rectangular Absorbedor redondo

Corriente Superficie selectiva Corriente Superficie selectiva

19.8 15.6-35.8 25-43.2 16.0-38.1 25.7-45.7

17.6 18.7-39.8 28.4-47.5 20.7-41.3 29-50.8

15.2 23.4-45 30.4-54.6 24.3-46.5 35-58.7

12.4 26.9-50.6 34.7-57.2 28.7-52.8 40.2-64.9

9.4 28.3-54.3 38.3-63 30.5-59.6 44.4-71.2

Tabla 10 Distintos captadores de Fresnel en función del ratio de concentración

En la Tabla 11 se muestran los coeficientes de la curva de rendimiento de distintos captadores de Fresnel.

CAPTADORES DE FRESNEL

Referencia Tipo

(32) LFC-1 0.67 0.056 0.000213

(33) LFC -2 0.557 0.967 -

(34) LFC-3 0.569 0.578 -

Tabla 11 Distintos captadores de Fresnel II

De acuerdo con (35) el rendimiento térmico de un captador solar se determina en parte por la

obtención de los valores de eficiencia instantánea para diferentes combinaciones de radiación

incidente, la temperatura ambiente, y la temperatura de entrada de fluido.

De acuerdo con (36) y (37) el elemento más importante de un sistema termosolar es el captador y el diseño del sistema significa esencialmente el diseño del sistema captador y la unidad de almacenamiento de calor.

28

En la Tabla 12 se muestran distintos captadores y un rango de temperatura indicativo. (29)

CAPTADORES COMERCIALES

Seguidor Captador Absorbedor Rango de temperaturas

indicativo (°C)

Estacionario

Placa plana (FPC) Plano 30-80

Tubos de vacío (ETC) Plano 50-200

Compuesto parabólico (CPC) Tubular 60-240

Un eje

Lineal de Fresnel (LFR) Tubular 60-250

Captador de canal parabólico (PTC) Tubular 60-300

Captador parabólico compuesto (CPC) Tubular 60-300

Tabla 12 Distintos captadores comerciales

29

3.3 Tecnología Fotovoltaica

La tecnología fotovoltaica convierte la radiación solar en electricidad directamente sin emisiones ni ruido. Esta conversión se produce en las células solares, las cuales convierten la luz solar en electricidad a través de un “efecto fotovoltaico”. La mayoría de las células fotovoltaicas en el mercado están hechas con silicio y estas puede ser monocristalinas (células fabricadas con finas capas de un cristal de silicona) o policristialinas( células hechas de un bloque de cristales de silicio). Sus rangos de eficiencia esta aproximadamente entre 12-17%. Estas células son situadas y conectadas en módulos encapsulados detrás de una cubierta de vidrio. Otro tipo de células fotovoltaicas, son finas células fabricadas a partir de finas capas de materiales fotosensibles colocados sobre un soporte de bajo coste como cristal, plástico o acero inoxidable. El incremento de células de capa fina ha incrementado durante los últimos años por su alta flexibilidad, fácil instalación y rendimientos por encima del 12%.(39)

Los rendimientos de un sistema de energía solar fotovoltaica cada vez son mayores, así como la disminución de su costo, todo esto debido a los avances tecnológicos y a la economía de escala, en realidad, la generación de energía a través de celdas fotovoltaicas ya es competitivo con las fuentes convencionales de energía. La eficiencia de la células varían entre un 6% estas son las que son basadas en silicio amorfo y llegan hasta el 44% cuando son basadas en una célula llamada multiunión. Las eficiencias en los módulos fotovoltaicos comerciales, basados en silicio monocristalino o policristalino, se encuentran entre el rango de 14 – 22%(40)

3.3.1 Las células solares de silicio cristalino

La eficiencia de las células de Si se puede dividir en cuatro etapas, con cada etapa correspondiente a nuevas soluciones en tecnología o estructura celular. En el comienzo de la “Era de los semiconductores”1948 el rápido progreso de la tecnología de silicio permitió la producción de células solares de silicio con una eficiencia del 15%, en la segunda etapa (1970), las células de Si de eficiencia 17% eran fabricados por logros en la microelectrónica. Los resultados más significativos han sido obtenidos en la tercera (1980) y en la cuarta etapa (2000+) consiguiéndose eficiencia en torno al 25%.(41)

3.3.2 Las células solares de silicio policristalino

Las mejoras en la eficiencia del silicio policristalino han hecho disminuir la presencia en el mercado de las células de silicio monocristalino. Tradicionalmente más caro que el silicio policristalino, el precio de ambos se ha aproximado en gran medida a día de hoy. Las células de silicio policristalino tienen una estructura no uniforme; se fabrican en moldes rectangulares. Hoy en día, la mayor parte de los paneles solares que se comercializan están formados por células de silicio policristalino. La eficiencia de estas células hasta hace unos años era sensiblemente más baja que la eficiencia de las de silicio monocristalino. Sin embargo el rendimiento del primero viene igualando, en los últimos tiempos a las segundas. Los paneles de silicio policristaino en 2010 poseían una eficiencia de entre 13-16% si bien se trata de valores que aumentan cada año.(42)

3.3.3 Las células solares de capa fina

Las células solares de capa fina vienen fabricándose desde la década de los noventa. Los materiales que se suelen usar como semiconductor son el silicio amorfo, el cobre-indio-diselenio, el teluro de cadmio y el cobre indio-galio-selenio. Las células de silicio amorfo poseen una estructura no cristalina. El silicio amorfo se puede depositar como una capa fina en diversos tipos de soportes, abriendo así la posibilidad de construir células (módulos fotovoltaicos) flexibles. Su coste de fabricación es relativamente bajo, pues el silicio amorfo no requiere un proceso de cristalización previo sino que basta extraer el oxígeno del óxido de silicio para obtenerlo. Uno de los problemas del silicio amorfo sin embargo, es su menor eficiencia con respecto al silicio monocristalino y policristalinao. Además las juntas de silicio amorfo se degradan al poco tiempo de exposición a la luz solar y su eficiencia se estabiliza en un valor inferior al inicial. Los paneles de capa fina poseen un rendimiento estabilizado en torno al 6%.(42)

30

En la Tabla 13 se muestra distintas instalaciones con los principales datos. (43)

Tipo Célula Autor Eficiencia del modulo

Tiempo de vida Perf. Ratio

Mono-Si Wilson and Young

12% 20 0.8

Kato and Murata

12.2% 20 0.81

Alesma and Wild-Scholten

14% 30 0.75

Multi-Si Phylipesen and Alsema

13% 25 0.75

Raugei and Bargigi

14% 20 0.75

Battisti and Corrado

10.7% 30 0.8

a-SI Lewis and Keoleian

5% 25 N/A

Alesma 7% 30 0.75

Jungbluth and Dones

6.5% 30 0.75

CdTe Alesma 6% N/A 0.75

Kato 10.3% 20 0.75

Fthenakis and Kim

9% 30 0.8

Tabla 13 Características de distintas Instalaciones Fotovoltaicas

En la tabla siguiente se muestran diferentes módulos fotovoltaicos y la eficiencia medida con:

1.5 AM ( 1000 W/m^2)

Temperatura de la célula de 25 .

CLASIFICACIÓN MODULOS FOTOVOLTAICOS

Tipo Eficiencia Área( )

Si ( Cristalino) 22.9 778 5.6 3.97

Si( Cristalino largo) 22.4 15775 69.57 6.341

Si ( Multicristalino) 18.5 14661 38.97 9.149

Si ( Capa fina policristalino)

18.2 661 25 0.320

GaAs ( Capa fina) 24.1 858.5 10.89 2.255

CdTe ( Capa fina) 16.1 7200 68.68 2.252

CiGS ( Capa fina) 15.7 9703 28.24 7.254

CiGSS ( Cd 13.5 3459 31.2 2.18

a-Si/a-SiGe/nc-SI ( triple)

10.9 14305 224.3 1015

Tabla 14 Clasificación módulos fotovoltaicos

31

En la Tabla 15, se muestra una previsión de eficiencia, en porcentaje, de diversas células fotovoltaicas en 2015.(44)

PREVISION CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Tecnología 2005 2010 2015

Silicio Monocristalino 14-18 16-22 22-25

Silicio Policristalino 16-16 16-18 20

Silicio de capa fina 15-16 16-18 20

Células de silicio con concentrador 24-36 28-34 38

Silicio Amorfo 6-9 10-12 14

Tabla 15 Evolución de eficiencia, en porcentaje, de diversas células fotovoltaicas

Hay un factor que influye negativamente en la producción de energía fotovoltaica que es la temperatura de las celdas. Cuanto mayor sea esta menor será su rendimiento. En la Figura 11, se presenta la variación de las curvas de módulos de Si para distintas temperaturas.(45)

Figura 11 Curva de modulos de Si para distitnas temperaturas

32

En la figura siguiente se muestra la variación de las curvas de potencia según la irradiación.

En la Figura 13 se muestra la evolución de la eficiencia de distintas células fotovoltaicas dado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables.(46)

Figura 12 Curvas de potencia según la irradiación

33

Figura 13 Evolución eficiencia células fotovoltaicas;

34

3.4 Máquinas de Absorción

3.4.1 Tipología

Las máquinas de absorción pueden clasificarse según los pares de sustancias que actúan como

refrigerante/absorbente, los más utilizados son:

- Agua / bromuro de litio ( )

- Amoniaco ( ) / agua ( ).

De acuerdo con (48), estadísticas en 2011 demuestran que la mayoría de los sistemas de absorción

son sistemas de simple efecto utilizando la mezcla Agua / bromuro de litio ( ) y

captadores de placa plana o tubo de vacío.

De acuerdo con (1, 49, 50) , en el caso de la mezcla Agua / bromuro de litio ( ) utiliza

como refrigerante agua y como absorbente el bromuro de litio. El bromuro de litio es una sal y tiene

una estructura cristalina en estado sólido. La posible cristalización puede ser debida, a un aumento

de la concentración o a una disminución de la temperatura de la disolución. Hay una temperatura

mínima para cada concentración de bromuro de litio por debajo de la cual la sal comienza a

cristalizar. El riesgo de la cristalización puede llevar a la interrupción de la máquina ya que se forma

escoria en los tubos. Lo cual bloquea completamente el paso. Para que no suceda esto, la

temperatura de la solución necesita ser elevada significativamente por encima del punto de

cristalización.

Por otro lado de acuerdo con (1, 49) el agua como refrigerante tiene un alto punto de congelación, por lo que la temperatura del agua en el evaporador está limitada a temperaturas por encima del punto de congelación al menos 5 °C. Tiene un coste elevado usar el este fluido pero esta mezcla tiene un alto COP, un calor de vaporización muy alto sobre (2489kj/kg a 5 °C) y bajas presiones de operación. Además el bromuro de litio es una solución no volátil y no tóxico. El generador necesita temperaturas entre 75 °C y 120 °C. Por lo que se suele utilizar captadores de placa, captadores parabólicos y captador de tubos que son fáciles de instalar y de operar.

De acuerdo con (1, 49) en el caso Amoniaco ( ) / agua ( ), el problema es que el agua es un

absorbente es muy volátil por lo que a la salida del generador no se habrán separado totalmente

y se necesitará una columna de rectificación para evitar que lleguen gotas de agua al

condensador y al llegar a la válvula de expansión se congelen. Además el amoniaco es tóxico y

corrosivo. Se necesitan mayores presiones de operación (por encima de 25 bares). Esta mezcla

necesita en el generador (125 °C -170 °C) por lo que necesita captadores parabólicos los cuales han

incrementado en los requisitos de mantenimiento.

Figura 14 Curva de Cristalización

35

La ventaja es que el punto de congelación de el amoniaco es de -77.7 °C a un bar) por lo que se

puede utilizar como refrigerante a muy bajas temperaturas en el condensador. Usándose por tanto

esta mezcla para aire acondicionado y aplicaciones de congelación.

Estas máquinas, según las etapas del proceso, también se pueden clasificar en:

- Simple efecto

- Doble efecto

- Triple efecto.

De igual modo existen diferentes tecnologías aun sin madurar, como los ciclos GAX.

3.4.2 Coeficiente de rendimiento del ciclo y temperatura de operación

En este apartado se fundamentará el EER de las distintas máquinas atendiendo a diferentes autores.

De acuerdo con (49), las máquinas de simple efecto Agua / bromuro de litio ( ) trabajan

con un EER en torno a 0.5-0.7 y con una temperatura de operación de entre unos 80 °C -110 °C. Para

las máquinas de doble efecto el EER aumenta hasta un 1.2 aunque requieren una mayor

temperatura en el generador. Las máquinas de triple efecto aunque no disponibles comercialmente

se estiman que pueden lograr un EER en torno a 1.4-1.5 requiriendo una temperatura en el

generador de unos 200-230 °C. Por último las máquinas de simple efecto que utilizan la mezcla

Amoniaco ( ) / agua ( ) tienen un EER inferior en torno a 0.5 y requieren una temperatura de

operación que varía entre 120-150°C .

Técnica de enfriamiento

Fluido Temperatura de operación

(°C)

Simple efecto

0.5-0.7 80-110

Doble efecto 1-1.2 130-160

Triple efecto 1.4-1.5 200-230

Simple efecto 0.5 120-150

Tabla 16 EER y Temperatura de operación según técnica de enfriamiento

Figura 15 Ciclos de Absorción. Simple Efecto. Doble Efecto. Triple Efecto

36

En la siguiente tabla se muestran EER`s de referencia para distintas tecnologías.(2)

Técnica de enfriamiento EER

(Temperatura de agua fría>0 º)

Temperatura de activación

(ºC)

Simple Efecto 0.6-0.7 >80

Doble Efecto 0.9-1.2 >150

Triple Efecto 1.5 >200

Tabla 17 EER y Temperatura de activación según técnica de enfriamiento

De acuerdo con (51) las tecnologías de absorción pueden proporcionar un EER entre 0.3-1.2. La elección de la máquina de refrigeración va a depender principalmente del rendimiento del captador solar. Captadores solares capaces de trabajar a 150 °C con buena eficiencia y se consiguen un EER de 1.2 para ciclos de doble efecto.

De acuerdo con (52) el EER de las máquinas de simple efecto varía entre 0.5-0.8 en cambio las de doble efecto pueden alcanzar un EER entre 1.1-1.4, aunque requieren una temperatura más elevada en torno a 120-170 °C.


Fluido

Temperatura de operación

(°C)

Simple efecto

0.5-0.8 -

Doble efecto 1.1-1.4 120-170

Tabla 18 EER y Temperatura de operación según técnica de enfriamiento

De acuerdo con (3, 19), en las máquinas ( la temperatura de operación requerida en el

generador oscila entre (80 -110 ). En cambio en máquinas las temperaturas típicas

de operación oscilan entre (90 -120 .En máquinas de doble efecto se consigue un aumento del

coeficiente de eficiencia energética (1-1.2) aunque la temperatura requerida en el generador es

mayor (130 - 160 . En máquinas de doble efecto no se puede trabajar con la mezcla ,

ya que introducir una nueva etapa incrementaría la temperatura de trabajo y el incremento de

presión.

De acuerdo con (3), existen ciclos mejorados para la mezcla donde se mejora el EER

hasta (0.8-1.7) aumentando la temperatura de operación requerida (170 - 220 ). Para la mezcla

máquinas de triple efecto que pueden conseguir un EER de hasta 1.6 con una

temperatura de operación requerida en el generador de (170 - 220 ).

37


Fluido

Temperatura de operación

(°C)

Simple efecto

0.6-0.8 80-110

Doble efecto 1-1.2 130-160

Triple efecto 1.4-1.6 170-220

Simple efecto

0.5-0.6 90-120

Ciclos GAX 0.8-1 170-220

Ciclo ramificado GAX(Existen varios ciclos )

1-1.7 170-220

Tabla 19 - EER y Temperatura de operación según Técnica de Enfriamiento (3)

De acuerdo con (19, 53), las máquinas de simple efecto tienen un EER que varía entre un 0,6-0.8 mientras que los de doble efecto tienen un EER en torno a 1.

De acuerdo con (53) las máquinas de triple efecto llegan a conseguir un EER de hasta 1.6.

De acuerdo con (13) los sistemas usados más comunes son de simple efecto Agua /

bromuro de litio ( ) trabajando con captadores de placa plana y tubos de vacío con un EER de

entre 0.5-0.8 y temperaturas de 75-95 º C. En términos generales el rendimiento en sistemas de

doble efecto aumenta aproximadamente hasta 1.1-1.4 con temperaturas de en torno a 140-180 º C.

De acuerdo con (54), recogiendo información de distintos proyectos de refrigeración en distintas partes de Europa. Documenta el EER de diferentes tecnologías de refrigeración. Concluyen que los sistemas de absorción de simple efecto tienen un rango de entre 0.5-0.73 operando con temperaturas entre 60-110 ºC. Las máquinas de doble efecto presentan un EER menor de 1.2.operando con temperaturas entre 130-165 ºC.

3.4.3 Evolución del coeficiente de rendimiento

El valor del EER va a depender de diferentes variables como la temperatura de entrada al generador, la temperatura de evaporación, la temperatura del condensador y la temperatura del absorbedor.

38

El EER aumenta al incrementar la temperatura de entrada al generador, existiendo una temperatura mínima límite para cada ciclo. El valor del EER es mayor al aumentar la temperatura de evaporación. En cambio al aumentar la temperatura del condensador el EER disminuye al igual que al aumentar la temperatura del absorbedor ver figura.(55) Notar que en la figura aparece en el eje vertical COP, ya que en muchos textos asocian el COP con el EER.

En la Figura 17 se muestra un ejemplo de enfriadoras de absorción de diferente tipología disponibles en el mercado. La representación no pretende ser exhaustiva.(57) (No todas solares)

Figura 16 Evolución del EER

Figura 17 Enfriadoras de absorción disponibles en el mercado, ordenadas su capacidad.

39

En la siguiente tabla se muestra diferentes sistemas de absorción.(58)

INSTALACIONES TERMOSOLARES CON CICLO DE ABSORCIÓN

Fluido de trabajo

Tipo de captador

Área Normalizada

EER

(°C)

(°C)

(°C)

ETC 5 11 0.427 -9 45-37 120

ETC 4.5 9.4 0.62 25-15.5 26.5-37.7 90-106

ETC 15.1 4.4 0.752 26 29.5-38 100

ETC 4.5 2.7 0.66 10.1 24 77.1

FPC 35 1.4 0.33

FPC+ETC 70 3.3 0.63

FPC 11.31 2.7 0.74 7.5 28 86

ETC 10 6.0 0.55 6 24 85

Tabla 20 Distintos Sistemas de Absorción

40

3.5 Máquinas de Compresión

3.5.1 Tipología

De acuerdo con (59), los sistemas de refrigeración solar con máquinas de compresión son muy limitados y pocos sistemas son encontrados en la literatura. Algunos de estos sistemas fueron diseñados para operaciones autónomas.

Debido a la amplitud de sistemas de refrigeración, se ha realizado una búsqueda de los rendimientos de enfriadoras de agua y rooftops con certificación Eurovent.

En la Tabla 21 y Tabla 22 se muestran la clasificación de las máquinas de acuerdo a su EER y COP dependiendo si están trabajando en modo refrigeración o calefacción y si están condensadas por aire o por agua.

Modo Refrigeración

EER

Class

Air

Cooled

Air

Cooled

ducted

Air

Cooled

Floor

Water

Cooled

Water

Cooled

Floor

Remote

Condenser

A ≥ 3.1 ≥ 2.7 ≥ 3.8 ≥ 5.05 ≥ 5.1 ≥ 3.55

B 2.9 - 3.1 2.5 - 2.7 3.65 - 3.8 4.65 - 5.05 4.9 - 5.1 3.4 - 3.55

C 2.7 - 2.9 2.3 - 2.5 3.5 - 3.65 4.25 - 4.65 4.7 - 4.9 3.25 - 3.4

D 2.5 - 2.7 2.1 -2.3 3.35 - 3.5 3.85 - 4.25 4.5 - 4.7 3.1 - 3.25

E 2.3 - 2.5 1.9 - 2.1 3.2 - 3.35 3.45 -- 3.85 4.3 - 4.5 2.95 - 3.1

F 2.1 - 2.3 1.7 - 1.9 3.05 - 3.2 3.05 - 3.45 4.1 - 4.3 2.8 - 2.95

G < 2.1 < 1.7 < 3.05 < 3.05 < 4.1 < 2.8

Tabla 21 Clasificación Eurovent de máquinas en modo refrigeración

Modo Calefacción

COP Class Air Cooled Air Cooled

Ducted

Air Cooled

Floor Water Cooled

Water Cooled

Floor

A ≥ 3.2 ≥ 3.0 ≥ 4.05 ≥ 4.45 ≥ 4.5

B 3.0 - 3.2 2.8 - 3.0 3.9 - 4.05 4.15 - 4.45 4.25 - 4.5

C 2.8 - 3.0 2.6 - 2.8 3.75 - 3.9 3.85 - 4.15 4.0 - 4.25

D 2.6 - 2.8 2.4 - 2.6 3.6 - 3.75 3.55 - 3.85 3.75 - 4.0

E 2.4 - 2.6 2.2 - 2.4 3.45 - 3.6 3.25 - 3.55 3.5 - 3.75

F 2.2 - 2.4 2.0 - 2.2 3.3 - 3.45 2.95 - 3.25 3.25 - 3.5

G < 2.2 < 2.0 < 3.3 < 2.95 < 3.25

Tabla 22 Clasificación Eurovent de máquinas en modo calefacción

41

A partir de las anteriores tablas se establece los rangos comunes de las máquinas enfriadoras o calefactoras de agua para climatización en la Tabla 23. Decir que existen máquinas con un EER y COP ligeramente superior a los máximos marcados.

RANGOS DE RENDIMIENTOS

Modo enfriamiento

Modo calefacción

EER COP

Enfriadoras de agua

Condensada con aire

1.7-3.8 2-4.05

Condensadas con agua

3-5.1 2.95-4.5

Rooftops

Condensados con aire

2-3 2.2-3.4

Condensados con agua

2.9-4.4 3.7-4.7

Tabla 23 Rangos de rendimiento modo frío y calor

Para las condiciones de certificación de Eurovent:

ENFRIADORAS DE AGUA

Condensadas con aire Refrigeración 12 7 = 35

Calefacción 40 45 = 7

Condensadas con agua Refrigeración 12 7

Calefacción 40 45

Tabla 24 Condiciones de certificación Eurovent para máquinas enfriadoras de agua

Roooftop:

ROOFTOPs

Interior Exterior

T Aire entrada °C T Aire entrada T Agua °C

Bulbo Seco Bulbo

Húmedo Bulbo Seco

Bulbo

Húmedo Entrada Salida

Refrigeración 27 19 35 24 30 35

Calefacción 20 15 max 7 6 20 7

Tabla 25 Condiciones de certificación Eurovent para rooftops

De acuerdo con (60), la eficiencia de un ciclo de compresión de vapor está limitada por el COP de un ciclo de Carnot. La segunda ley puede ser usada para aproximar el COP de una máquina real. De modo que:

( 16 )

42

( 17 )

( 18 )

Siendo:

( 19 )

43

4 ANÁLISIS DE DATOS

En este capítulo se procede analizar toda la información anterior para caracterizar las instalaciones solares, es decir, para dar los distintos márgenes de eficiencia de los ciclos y de cada tecnología.

4.1 Instalaciones Termosolares

En la Tabla 26 se muestran las distintas expresiones del rendimiento.

RENDIMIENTOS DE CAPTADORES

Rendimiento global

Rendimiento Placa Plana y Tubos de Vacío

Según la norma UNE-

12975

Captador Placa Plana y Tubos de Vacío

Captador Cilíndrico Parabólico

Captador Canal Parabólico

Captador Lineal de Fresnel

Tabla 26 Expresiones de rendimiento

Se va a utilizar la expresión según la Norma UNE, donde:

Se procede a realizar una comparación de los distintos captadores a partir de los datos encontrados.

En la tabla siguiente se muestran los coeficientes de los distintos captadores.

TABLA COMPARACIÓN DE CAPTADORES

Referencia Tipo

(13) FPC-1 0.776 4.14 0.0145

FPC-2 0.791 3.94 0.0122

(14) FPC-3 0.818 3.47 0.0101

(15) FPC-4 0.83 6.634 -

(16) FPC-5 0.771 3.68 0.0127

(17) FPC-6 0.7023 - 0.6835

(18) FPC-7 0.804 7.91 -

44

FPC-8 0.76 4.50 -

(20) ETC -1 0.779 1.07 0.0135

ETC-2 0.745 2.007 0.005

(21) ETC-3 0.718 0.974 0.005

(22) ETC-4 0.775 1.476 0.0075

(14) ETC-5 0.816 2.25 -

(13) CPC-1 0.644 0.749 0.005

(25) CPC-2 0.82 5.46 0

(26) CPC-3 0.645 3.16 0

(13)

PTC-1 0.6931 0.4755 0.003128

PTC-2 0.5897 0.9317 0

PTC-3 0.68 0.4 0.0015

(21) PTC-4 0.520 0.475 0.0031

(32) LFC-1 0.67 0.056 0.000213

(33) LFC -2 0.557 0.967 -

(34) LFC-3 0.569 0.578 -

Tabla 27 Comparación de Captadores

Representación curva de rendimiento de los captadores de placa plana.

Figura 18 Comparación captadores de placa plana

45

Representación curva de rendimiento de los captadores de tubos de vacío.

Representación curva de rendimiento de los captadores parabólicos compuestos.

Figura 19 Comparación captadores de tubos de vacío

Figura 20 Comparación captadores parabólicos compuestos

46

Representación curva de rendimiento de los captadores de canal parabólico.

Representación curva de rendimiento de los captadores lineal de Fresnel.

Figura 21 Comparación captadores canal parabólico

Figura 22 Comparación captadores lineales de Fresnel

47

De acuerdo con (38), la elección del tipo de captador adecuado depende principalmente de la temperatura de funcionamiento que se pretende así como de las condiciones climáticas. La eficiencia del captador solar disminuye a medida que aumente la temperatura del líquido o que disminuye la radiación solar disponible.

Para la comparación se ha realizado una media de los coeficientes de pérdidas para cada tipología, de modo que:

COMPARACIÓN CAPTADORES

Tipo

FPC 0.7815 5.2728 0.00707

ETC 0,7666 1,5554 0,0062

CPC 0,703 3,123 0,00166667

PTC 0,6207 0,57055 0,001932

LFC 0,59866 0,53366 0,000071

Tabla 28 Media de los coeficientes de los distintos captadores

Obteniendo las curvas de rendimiento aproximadas de cada tecnología.

+

Figura 23 Comparación captadores de baja y media temperatura

48

4.2 Instalaciones Fotovoltaicas

Atendiendo a los datos de la revisión bibliográfica, se ha considerado que el rendimiento global de la instalación fotovoltaica, , varía entre un 5 y 20% aproximadamente en función de la tecnología fotovoltaica (monocristalino la de mayor eficiencia y amorfo la de menor en tecnologías comerciales) y de la existencia o no de baterías.

Decir que no se han tenido en cuenta tecnologías no comerciales y/o en vía de desarrollo que algunas pueden alcanzar eficiencias en torno al 45%.


Atendiendo a la recopilación de datos de los diferentes autores mencionados anteriormente, en

primer lugar se va a establecer una diferenciación de las máquinas en función del propósito.

Estableciendo las máquinas de para aire acondicionado y conservación de medicamentos

y productos alimenticios. Y las máquinas de para la utilización en procesos industriales

de enfriamiento. Debido principalmente a la temperatura de refrigeración que puede alcanzar el

refrigerante en el evaporador.

Propósito

18-22 Proveer aire acondicionado

5-12 Conservación de medicamentos y productos alimenticios

-18 Para procesos de congelamiento industrial

Tabla 29 Propósitos Refrigeración

Posteriormente se van a establecer los rangos de temperaturas de operación y los EER comunes en

estas máquinas.

En las máquinas de simple efecto se muestra en la siguiente tabla los rangos de temperatura típicos.

Figura 24 Rango de temperaturas de operación en máquinas de simple efecto de Bromuro de Litio

50 60 70 80 90 100 110 120

Ref. 1

Ref. 2

Ref. 3

Temperatura operación (ºC)

Re

fere

nci

as

Simple Efecto BrLi

Ref. 1 (3, 56)

Ref. 2 (13)

Ref. 3 (54)

49

Por tanto se establece un rango de temperaturas de operación típicas entre 80-110 º C para

y un rango entre 90-170 ºC para en máquinas de simple efecto.

Figura 25 Rango de temperaturas de operación en máquinas de Simple Efecto de Amoniaco

De igual modo para las máquinas de doble efecto y triple efecto, se establece un rango de

temperaturas de operación entre 140-165 º C y 200-230 º C respectivamente.

Figura 26 Rango de temperaturas de operación en máquinas de doble efecto de Bromuro de Litio

Figura 27 Rango de temperaturas de operación en máquinas de triple efecto de Bromuro de Litio

70 90 110 130 150 170

Ref. 1

Ref. 2


Re

fere

nci

as

Simple Efecto NH3

110 130 150 170 190

Ref. 1

Ref. 2

Ref. 3

Ref. 4


Re

fere

nci

as

Doble Efecto BrLi

160 180 200 220 240

Ref. 1

Ref. 2


Re

fere

nci

as

Triple Efecto BrLi

Ref. 1 (3)

Ref. 2 (56)

Ref. 1 (3, 56)

Ref. 2 (54)

Ref. 3 (52)

Ref. 4 (13)

Ref. 1 (56)

Ref. 2 (3)

50

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7

Ref.1

Ref.2

EER

Re

fere

nci

as

Simple Efecto NH3

Se procede a elegir el rango de EER de la misma manera. El rango del EER para las máquinas de

simple efecto 0.6-0.75, para las de doble efecto 1-1.2 y para las de triple efecto 1.5 aproximadamente.

Figura 28 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de simple efecto de Bromuro de Litio

Figura 30 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de doble efecto de Bromuro de Litio

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Ref. 1

Ref.2

Ref. 3

EER

Re

fere

nci

as

Simple Efecto BrLi

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Ref.1

Ref.2

Ref.3

Ref.4

EER

Re

fere

nci

as

Doble Efecto BrLi

Ref. 1 (54, 56)

Ref. 2 (3, 19, 53)

Ref. 3 (52)

Ref. 1 (56)

Ref. 2 (3)

Ref. 1 (13)

Ref. 2 (3, 56)

Ref. 3 (52)

Ref. 4 (19, 53)

Figura 29 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de simple efecto de Amoniaco

51

Figura 31 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de triple efecto de Bromuro de Litio

Se procede a analizar las máquinas comerciales:

YAZAKI SC10

SIMPLE EFECTO

LIBR

CONDENSADO CON AGUA DE TORRE DE REFRIGERACIÓN

Temperatura del agua de entrada al condensador

(º C)

24 32

Temperatura de entrada al generador

( º C)

75 95 75 95

Temperatura de salida de agua refrigerada

( º C)

5 7-12 5 10-12 5 8 5 8

0.7 0.8 0.54 0.7 0.5 0.62 0.5 0.68

( º C) 34 42

( º C) 0 0

8.029 6.5

0.087 0.0996 0.06 0.087 0.0769 0.095 0.0769 0.104

Tabla 30 Características enfriadora YAZAKI SC10

1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7

Ref.1

Ref.2

Ref.3

Ref.4

COP

Re

fere

nci

as

Triple Efecto BrLi

Ref. 1 (56)

Ref. 2 (52)

Ref. 3 (53)

Ref. 4 (3)

52

TRANE ABTF

DOBLE EFECTO

LIBR

CONDENSADA CON AGUA DE TORRE DE REFRIGERACIÓN


( º C)

29.4


Vapor a 8,3KPa


6.7

1.2

34.4

0

7.930

0.151

Tabla 31 Características enfriadora ABTF

AGO CHILII ACC50

SIMPLE EFECTO

NH3

CONDENSADA CON AGUA DE TORRE DE

REFRIGERACIÓN


( º C)

25


( º C)

115


( º C)

-10

0.54

( º C) 35

( º C) -17

4.92

0.109

Tabla 32 Características enfriadora AGO CHILII ACC50

53

En el siguiente esquema se caracterizan las distintas máquinas de absorción dependiendo de su temperatura de operación y los valores de EER con que trabajan.

Figura 32 Clasificación Máquinas de Absorción

54

Una vez caracterizadas las instalaciones termosolares y las máquinas de absorción se procede a un

análisis conjunto de ambas.

Se sabe que el rendimiento de los captadores depende de la temperatura media del fluido en el

captador, y de la temperatura ambiente, . Se establece la envolvente de las curvas en la Figura

33 como la curva de rendimiento del captador.

Figura 33 Envolvente de las curvas de rendimiento

Matemáticamente se puede expresar de la forma:

Considerando las siguientes hipótesis:

- La temperatura media del fluido en el captador, , es igual a la temperatura de aporte a la

máquina de absorción

- Una temperatura ambiente, , de 25ºC.

55

Y considerando la clasificación de las máquinas de absorción (ver Figura 32 Clasificación Máquinas de

Absorción) en función de los rangos de temperatura del fluido de aporte de calor, , se establecen

los rendimientos del captador para dichos rangos.

Figura 34 Curva de rendimiento con rangos de temperatura de operación,

Matemáticamente, sustituyendo en las ecuaciones las correspondientes temperaturas , se

calcula el rendimiento térmico del captador,

Ya que el objetivo es establecer el rendimiento global de la instalación y no del captador se ha

considerado un coeficiente de 0.6-0.9 para tener en cuenta las pérdidas de la instalación (10%-40%)

debido a la gran casuística de instalaciones existentes en el mercado:

CÁLCULO ºC

Simple Efecto 80-110 55-85 0.55-0.63 0.33-0.57

Doble Efecto 140-165 115-140 0.5-0.52 0.33-0.47

Simple Efecto NH3 90-170 65-145 0.5-0.61 0.3-0.55

Tabla 33 Cálculo de Rendimientos en función de la temperatura de aportación

56


Se va a realizar un estudio para establecer el orden de magnitud del rendimiento de las máquinas de compresión actuales.

Primeramente se establecen los siguientes criterios de acuerdo con (61) :

Condensadores de aire:

- Incremento temperatura aire: de 5 a 6 ºC

- Temperatura de condensación: unos 10 -15ºC sobre la temperatura ambiente.

Condensadores de agua:

- Incremento de temperatura de 5 a 12ºC

- Temperatura de condensación 20 ºC sobre la temperatura de entrada del agua, o 5ºC sobre la de salida.

Saltos térmicos en el evaporador entre: 4 y 6ºC. Se ha elegido 5 .

Se procede a estimar el en máquinas refrigeradoras de agua, siendo la relación entre el coeficiente de eficiencia energética real y el de Carnot.

Para el modo de refrigeración condensado con aire, las condiciones dadas por Eurovent son las marcadas en rojo en la Figura 35 , la temperatura de entrada del aire exterior al condensador y las temperaturas del agua de entrada y salida del evaporador. Las marcadas en azul son los criterios establecidos.

Luego a partir de todo esto si , y la se

estiman .

Siendo:

Calculando el

En estas máquinas el rango de rendimiento

Calculando

57

De igual modo se procede a calcular los distintos tipos:

ENFRIADORAS DE AGUA

CONDENSADAS POR AIRE

=0ºC

=45ºC

=6.067

=50ºC

5.872

CONDENSADAS POR AGUA

= 40ºC

=6.825

=50ºC

6.21

Tabla 34 Calculo de enfriadoras de agua

Estimándose un rango de para las máquinas con mayor rendimiento de entre 0.62 y 0.74.

)

Figura 35 Representación temperaturas de intercambio

58

El siguiente objetivo es estimar el rendimiento de las máquinas de refrigeración ampliando el rango de las temperaturas de evaporación , y condensación .

Se ha seleccionado una enfriadora de la marca HITOP, en la Figura 36 se muestran los datos del catálogo:

Para una temperatura de salida del agua se estima una temperatura de evaporación

. El catálogo muestra las temperaturas de condensación, y el EER de manera

indirecta. Basta con dividir la potencia frigorífica entre la potencia absorbida para obtenerlo. De

modo que realizando los cálculos:

ENFRIADORA HITOP

30 50

20 40

8,47 5,19 0,61 5,21 3,19 0,61 -0,0008560

Tabla 35 Resumen datos obtenidos de la enfriadora HITOP

Se puede ver que apenas varía al modificar la temperatura de condensación, manteniendo

constante la temperatura de evaporación, . Además sigue estando entre los valores

anteriores calculados.

Para ampliar el rango de temperaturas de evaporación se ha considerado una refrigeradora de

cámaras para la conservación de productos congelados.

Figura 36 Catálogo enfriadora HITOP

59

En la Figura 37 se muestra una parte del catálogo del modelo BCH-NF-1096 de Baja

Temperatura.

Figura 37 Catálogo enfriadora baja temperatura BCH

Dada una temperatura del aire exterior se estima una temperatura de condensación

y dada una temperatura de la cámara se estima una temperatura de

evaporación

Calculando el

y comparándolo con el

De igual modo para el modelo HCH-FN :

Dada una temperatura exterior, , se estima una temperatura de condensación

y dada una temperatura de la cámara se estima una temperatura de

evaporación

Calculando el

y comparándolo con el

Como era de esperar a medida que la temperatura de evaporación, requerida es menor, el

va disminuyendo, alejándose de la máquina de Carnot.

60

Concluyendo por tanto:

- Al variar la temperatura de condensación, entre 30 y 50 º C, varía muy poco.

- Al condensar con agua se consiguen mejores rendimientos que al condensar con aire

aunque la relación con el ciclo de Carnot es prácticamente igual.

- Al disminuir la temperatura de refrigeración requerida, se aleja del ciclo de Carnot.

ENFRIADORAS DE AGUA

Condensadas con aire

=0ºC

=45ºC

=50ºC

Condensadas con agua

= 40ºC

=50ºC

ENFRIADORA DE CÁMARAS Condensadas con aire

Tabla 36 Resumen Enfriadoras

61

5 LÍMITES DE RENDIMIENTO

5.1 Sistemas Termosolares

Para establecer el rendimiento máximo de los captadores se va definir el índice de concentración

geométrico como la relación entre el área del captador y el área de apertura del concentrador

que capta la radiación solar.

En la figura siguiente se muestra el rendimiento del absorbedor para diferentes índices de concentración en función de la temperatura del absorberdor y el índice de concentración geométrico.

Se puede apreciar en la Figura 39 que el rendimiento máximodel absorbedor es en torno a 95%.

Luego se ha considerado como el rendimiento máximo en instalaciones termosolares, de

0.9- 0.95.

Figura 39 Curva de rendimiento o del absorbedor para diferentes índices de concentración

Figura 38 Sistema de captación

62

5.2 Instalaciones Fotovoltaicas

De acuerdo con (47) , la eficiencia máxima de las células fotovoltaicas, para sistemas sin concentración fotovoltaicos el rango aproximado es de 31% a 68.2% el cual depende de la tecnología de las células. Para sistemas fotovoltaicos con concentración depende de la tecnología de las células y los niveles de radiación solar. El rango aproximado es de 40,8% a 86.8 % para una concentración máxima (45900X) e infinitas células multifunción.

Por lo tanto se considera un rango de entre 0.8-0.86 el rendimiento máximo de las instalaciones fotovoltaicas, .

Figura 40 Límite de eficiencia en sistemas fotovoltaicos

63


5.3.1 Rendimiento máximo del ciclo de absorción para producción de frío

( 20)

Siendo:

( 21)

Siendo:

Con la definición de coeficiente de eficiencia energético del ciclo de abosrción:

( 22)

Figura 41 Ciclo de absorción para producción de frío

64

Sustituyendo ( 20) y ( 21) en ( 22) se obtiene la expresión:

( 23)

5.3.2 Rendimiento máximo del ciclo de absorción para producción de calor

( 24)

( 25)

Ahora el coeficiente de eficiencia energética se define como

( 26)

Sustituyendo ( 24) y ( 25) en ( 26) queda la expresión:

( 27)

Figura 42 Ciclo de absorción para producción de calor

65


5.4.1 Rendimiento máximo del ciclo de compresión para producción de frío

Para obtener el máximo rendimiento del ciclo de compresión , corresponde al proceso

reversible.

( 28)

Siendo:

( 29)

Siendo:

Se sabe que:

( 30)

Figura 43 Ciclo de compresión para producción de frío

66

263

269

275

0

10

20

30

288 290 292 294 296 298 300 302 304 306 308


( 31)

Se observa claramente en la Figura 44, que el aumenta cuando la temperatura de

condensación disminuye, y la temperatura de refrigeración, aumenta. Es decir que la

eficiencia máxima se alcanzará con temperaturas de condensación bajas y cuando se requiera un

proceso con poca refrigeración.

Figura 45 Evolución del coeficiente de eficiencia máximo del ciclo de

compresión para producción de frío en función de

Figura 44 Evolución del coeficiente de eficiencia máximo del ciclo de compresión para producción de frío

0

5

10

15

20

25

30

1 1,05 1,1 1,15 1,2

67

5.4.2 Rendimiento máximo del ciclo de compresión para producción de calor

Se procede de la misma manera que en el caso anterior:

( 32)

( 33)

Ahora el coeficiente de eficiencia energética se define como:

( 34)


( 35)

Se observa en la Figura 47 que el , va aumentando a medida que la temperatura de

condensación es menor, y la temperatura de evaporación es mayor, es decir que el

coeficiente de eficiencia máximo se alcanzara para temperaturas de evaporación mayores y cuando

se requiera un proceso con poca calefacción.

Figura 46 Ciclo de compresión para producción de calor

68

Figura 47 Evolución del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de compresión para producción de calor

69

6 ANÁLISIS COMPARATIVO PARA PRODUCCIÓN

DE FRÍO

Se presenta un análisis comparativo del área requerida usando un sistema termosolar frente a un sistema fotovoltaico para el mismo efecto de refrigeración y mismo emplazamiento.

En la Figura 48 , se ha representado el esquema básico de un circuito de refrigeración por compresión mecánica junto con un sistema solar fotovoltaico.

Los elementos básicos del circuito son el compresor, que aspira y comprime el vapor que sale del evaporador; el condensador en que se realiza el enfriamiento y condensación del vapor comprimido; la válvula de expansión, en la cual se expande el vapor que sale del condensador y que genera una mezcla liquido-vapor a baja presión; y el evaporador, en el que se vaporiza el vapor.

En el condensador se cede calor a un medio refrigerante, generalmente aire o agua.

En el evaporador se absorbe calor al medio frigorífico que se ha de mantener a baja temperatura.

El sistema fotovoltaico para la producción de electricidad puede funcionar utilizando baterías o sin ellas, afectando con ello a la eficiencia del sistema. La potencia eléctrica instantánea suministrada por la instalación es:

( 36)

Donde:

:

Figura 48 Ciclo de compresión con sistema fotovoltaico

70

En la Figura 49 se ha representado el esquema básico de un circuito de refrigeración por absorción junto con un sistema termosolar.

La idea básica de la absorción consiste en sustituir la compresión mecánica del vapor por una absorción de este en una disolución y la consiguiente compresión de la disolución. El coste energético es mucho menor. Para liberar el vapor de la disolución comprimida debe suministrarse calor. En la práctica la absorción del refrigerante se lleva a cabo en un recipiente llamado absorbedor, la disolución concentrada se bombea a otro recipiente llamado generador, en el que se hace una aportación de calor para liberar el refrigerante que en un estado de vapor pasará al condensador. La disolución resultante pasa de nuevo al absorbedor, después de perder presión mediante una válvula de expansión.

La potencia térmica instantánea de la instalación solar es:

( 37)

Donde:

:

Figura 49 Ciclo de Absorción con sistema termosolar

71

El análisis se realizará para los cuatros casos siguientes:

6.1 Caso 1. Situación Actual

Situación actual, en este caso se consideran los valores actuales de eficiencia de los ciclos de

compresión, , y absorción, así como los valores actuales de los rendimientos de los

sistemas fotovoltaicos, y termosolares, .

Relacionando ( 36) y ( 37) con la definición de coeficiente energético se obtiene la potencia de

refrigeración instantánea de cada instalación de la forma:

( 38)

( 39)

Siendo:

:

:

:

: )

:

Para el mismo efecto de refrigeración, resulta:

( 40)

Relacionado las ecuaciones ( 38) y ( 39):

( 41)

6.1.1 Consideraciones

- Se ha considerado que el rendimiento global de la instalación fotovoltaica, , no depende

de la temperatura de operación, y varía entre un 5 y 20% como se estableció en el

capítulo 4.3 Instalaciones Fotovoltaicas.

5-20 %

Dicho rango de rendimiento se fundamenta en la bibliografía encontrada de distintos módulos comerciales e instalaciones.

- Se han establecido dos condiciones de refrigeración que abarcan los tres propósitos de refrigeración propuestos.

72

Recordar en la tabla siguiente los propósitos prouestos anteriormente.

Propósito

18-22 Proveer aire acondicionado

0-12 Conservación de medicamentos y productos alimenticios

-18 Para procesos de congelamiento industrial

Tabla 37 - Finalidad de refrigeración (2, 3)

o Condición 1:

De acuerdo con el ánalis realizado en el capítulo 3, se ha considerado un rango de temperatura de

condensación, , entre 303 y 323 K, un rango de tempertarua de evaporación del refrigerante,

entre 268 y 273 K . Con estas condiciones de temperatura se cubrirá las aplicaciones de

climatización (aire acondicionado) y la conservación de medicamentos y productos alimenticios.

Condición 1

303-323 K

268-273 K

Tabla 38 Temperaturas Condición 1

Para estas condiciones de temperatura se ha diferenciado entre dos rangos de temperatura de operación diferentes.

a) Con un rango de temperatura de operación, , entre 80 y 110 .

Basado en el estudio realizado anteriormente, para este rango de temperatura se ha considerado un

coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 0.6 y 0.7 comunmente para

máquinas de simple efecto. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de compresión, , se ha

estimado apartir del coeficiente de eficiencia de Carnot, multiplicandolo por el

coeficiente =0.6 que fue objeto de estudio en capitulos anteriores.

El rango establecido del rendimiento de los captadores , en función de la temperatura de operación, es 0.55 y 0.63 como se establecio en el capitulo 4.1 . Este rendimiento ha sido multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6 y 0.9) para establecer el rendimiento de la instalación, tambien visto en 4.1.

0.6-0.7

3.52-6.06

0.33-0.567

Tabla 39 Eficiencias Condición A

73

b) Con un rango de temperatura de operación, , entre 140 y 165 .

Basado en el estudio realizado anteriormente para este rango de temperatura se ha considerado un

coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 1 y 1.2 comunmente en máquinas de

doble efecto. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de compresión, no cambia ya que las

temperaturas de condensación y refrigeración son las mismas

El rango establecido del rendimiento de los captadores, , en función de la temperatura de operación, es 0.5 y 0.52. Este rendimiento ha sido multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6 y 0.9) para establecer el rendimiento de la instalación, tambien visto en 4.1.

1-1.2

3.52-6.06

0.3-0.47

Tabla 40 Eficiencias Condición B

o Condición 2:



entre 256 y 273 K . Con estas condiciones de temperatura se cubrirá aplicaciones con

temperaturas de refigeración inferior , para congelación.

Con un rango de temperatura de operación, , entre 90 y 170 .


coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 0.5 y 0.6 comunmente en máquinas

de simple efecto con amoniaco como refrigerante. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de

compresión, se ha estemidao apartir del coeficiente de eficiencia de Carnot,

multiplicandolo por el coeficiente =0.4 que fue objeto de estudio en capítulos

anteriores.

El rango establecido del rendimiento de los captadores, , en función de la temperatura de operación, es 0.5 y 0.6. Este rendimiento ha sido multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6 y 0.9) para establecer el rendimiento de la instalación, tambien visto en 4.1.

0.5-0.6

1.92-4.04

0.3-0.55

Tabla 41 Eficiencias Condición 2

74

6.1.2 Análisis

Con los datos anteriores, se muestra la tabla siguiente a modo de resumen:

Caso 1

Condición 1 a

303 323 273 268 80-110 0,6 0,7 0,33 0,57 3,52 6,06

0,05 0,2

0,10 0,20 1,65 11,,34

b 140-165 1,0 1,2 0,3 0,47 3,52 6,06 0,17 0,34 1,5 9,36

Condición 2 303 323 256 273 90-170 0,5 0,6 0,3 0,55 1,93 4,04 0,12 0,31 1,5 10,98

Tabla 42 Resumen resultados Caso 1

En la Figura 51 se muestra la curva que representaría los puntos donde el área de captación

fotovoltaica, y termosolar, , requerida para obtener el mismo efecto frigorífico es la misma

.

Figura 51 Caso 1.-Evolución de en función de

para una relación de áreas

La curva representada en la separa dos regiones. La región inferior (amarilla) corresponde a situaciones donde el área ( requerida de paneles fotovoltaicos es menor que el área ( requerida de paneles termosolares para proporcionar el mismo efecto de refrigeración. La región superior corresponderá al caso contrario, es decir cuando requiere menor área ( de paneles termosolares para producir el mismo efecto.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion2

PV

T



75

Se puede ver que para la condición 1 y rangos de temperatura de operación, la superficie de color rojo que abarca las distintas regiones es muy parecida ,sin embargo, para temperatura de operación, cubre una mayor superficie de color verde de la región donde el área ( de captación termosolar requeridas es menor, debido a que el rendimiento del ciclo de absorción aumenta y en maquinas de compresión es prácticamente es el mismo.

Para la condición 2 igual que en el caso anterior cubre una mayor superficie azul de la región donde el área ( de paneles termosolares requerida es menor.como era previsible los sistemas termosolares

En la Figura 52 se muestra la relación de áreas, , en función de la relación de los

rendimientos de cada tecnología, , y la relación de la eficiencia de los ciclos, , que

se han establecido.

Conclusión: En este caso que se consideran los rendimientos actuales, los sistemas termosolares

abarcan un mayor rango donde el área requerida es menor, aunque se detectan zonas donde una

instalación fotovoltaica pudiera requerir menor superficie. Por ejemplo, si la relación de eficiencias

de los ciclos fuera, =0,2 y la relación de rendimientos energéticos, fuera 3.

0,10 0,12

0,14 0,16

0,18 0,20

0,22 0,24

0,26 0,28

0,30 0,32 0,34

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

1,65 3,3 4,95 6,6 8,25 9,9 11,55

Figura 52 Caso 1.-Evolución de la relación de áreas, , en función de las relaciones

y

76

6.2 Caso 2. Punto de vista del ciclo Termodinámico

En este caso se consideran los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares,

y fotovoltaicos, además se consideran la máxima eficiencia termodinámica en los ciclos de

compresión, y absorción, .

Relacionando ( 36) y ( 37) con la definición de coeficiente energético máximo, ,se obtiene la

potencia de refrigeración instantánea de cada instalación de la forma:

( 42)

( 43)

Siendo:

: )

:

:

:

:

Para el mismo efecto de refrigeración,

Relacionado las ecuaciones resulta:

( 44)


- Igual que en el caso anterior se ha considerado que el rendimiento global de la instalación

fotovoltaica, , no depende de la temperatura de operación, , y varía entre un 5 y 20%.

5-20 %

- Igual que en el caso anterior se ha establecido dos condiciones de refrigeración que abarcan los tres propositos de refrigeración propuestos.

77

o Condición 1:



, entre 268 y 273 K . Con estas condiciones de temperatura se cubrirá las aplicaciones de


Condición 1

303-323 K

268-273 K

Tabla 43 Temperaturas condición 1



El rango establecido del rendimiento de los captadores , en función de la temperatura de operación,

es 0.55 y 0.63. A este se rendimiento se ha multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6

y 0.9) para establecer el rendimiento de la instalación

0.33-0.57

Tabla 44 Rendimiento condición A



es 0.5 y 0.52. A este se rendimiento se ha multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6 y

0.9) para establecer el rendimiento de la instalación

0.3-0.47

Tabla 45 Rendimiento condición B

o Condición 2:




temperaturas de refigeración inferior .

78

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Condicion 1.A

Condicion 1 B

Condición 2.

Linea

Con un rango de temperatura de operación , entre 90 y 170 .


es 0.5 y 0.6. A este se rendimiento se ha multiplicado por un coeficiente con rango entre ( 0.6 y

0.9) para establecer el rendimiento de la instalación, .

0.3-0.55

Tabla 46 Rendimiento condición 2

6.2.2 Análisis

Con los datos anteriores:

Caso 2

Condición 1 a 303

303 323 323

353 383 0,79 0,91 0,3 0,57

0,05 0,2

1,65 11,34

b 413 438 0,69 0,78 0,3 0,47 1,5 9,36

Condición 2

303 323 363 443 0,68 0,88 0,3 0,55 1,5 10,98

Tabla 47 Resumen resultados obtenidos caso 2

En la Figura 53 se muestra para el caso 2 la curva que representaría los puntos donde el área de

captación fotovoltaica, y térmica, requerida para obtener el mismo efecto frigorífico es la

misma.



PV

T

79

Se puede comprobar que en ambos casos se requiere más superficie de captación solar fotovoltaica

que termosolar si se cumple que:

( 45)

Esta expresión demuestra que el área no depende de la temperatura de refrigeración, que

dependen del ratio entre la temperatura de condensación , y la temperatura de aportación, .

Se observa que para la condición 2 y condición 1B que el área por encima de la curva es mayor,

zona donde el área ( ) de superficie de captación fotovoltaica es mayor. Para la Condición 1A, el

área por encima de la curva es ligeramente inferior.


y

Luego se puede concluir que asumiendo los máximos rendimientos del ciclo de refrigeración el

rango de mejora en sistemas fotovoltaicos parece ligeramente mayor.

1,50

4,31

7,13

9,94

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0,77 0,78 0,80 0,81 0,83 0,84 0,86 0,87 0,89 0,90 0,92

80

6.3 Caso 3 Punto de vista de la tecnología solar

Desde un punto de vista de la tecnología solar, en este caso se consideran los valores actuales de

eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión, y absorción, y además

considerando el máximo rendimiento posible para las distintas tecnologías, .

Relacionando ( 36) y ( 37) con la definición de coeficiente energético, se obtiene la potencia de

refrigeración instantánea de cada instalación de la forma:

( 46)

( 47)

Siendo:

: )

:

:

:

:


Relacionando las ecuaciones ( 46) y ( 47) :

( 48)


- Se ha considerado que el rendimiento máximo global de la instalación fotovoltaica, ,

y el rendimiento máximo global de la instalación termosolar, con un rango de entre

80-86% y 90-95% respectivamente como se vio en el capítulo 4.

80-86%

90-95%

Tabla 48 Rendimientos máximos

- Igual que en caso anterior se ha establecido dos condiciones de refrigeración que abarcan los tres propositos de refrigeración propuestos.

81

o Condición 1:



, entre 268 y 273 K . Con estas condiciones de temperatura se cubrirá las aplicaciones de


Condición 1

303-323 K

268-273 K




Basando en el estudio realizado anteriormente para este rango de temperatura se ha considerado un

coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 0.6 y 0.7 comunmente para

máquinas de simple efecto. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de compresión, se ha

estimado apartir del coeficiente de eficiencia de Carnot, multiplicandolo por el

coeficiente =0.6 que fue objeto de estudio en capitulos anteriores.

0.6-0.7

3.52-6.06

Tabla 50 Eficiencias condición A

b) Con un rango de temperatura de operación , entre 140 y 165 .

Basando en el estudio realizado anteriormente para este rango de temperatura se ha considerado un

coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 1 y 1.2 comunmente en máquinas de

doble efecto. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de compresión, , no cambia ya que las

temperaturas de condensación y refrigeración son las mismas

1-1.2

3.52-6.06

Tabla 51 Eficiencias condición B

82

o Condición 2:


condensación , entre 303 y 323 K, un rango de tempertarua de evaporación del refrigerante,


temperaturas de refigeración inferior para congelación.

Con un rango de temperatura de operación, , entre 90 y 170 .


coeficiente de eficiencia para el ciclo de absorción, , entre 0.5 y 0.6 comunmente en máquinas

de simple efecto con amoniaco como refrigerante. Para el coeficiente de eficiencia del ciclo de

compresión, se ha estemidao apartir del coeficiente de eficiencia de Carnot,

multiplicandolo por el coeficiente =0.4 que fue objeto de estudio en capítulos

anteriores.

1-1.2

1.92-4.04

Tabla 52 Eficiencias condición 2

Con los datos anteriores se muestra la tabla siguiente a modo de resumen:

Caso 3

Condición 1 a

303 323 273 268 80-110 0,6 0,7

0.9 0.95

3,52 6,06

0,8 0,86

0,10 0,20

1,04 1,18 b 140-165 1,0 1,2 3,52 6,06 0,17 0,34

Condición 2 303 323 256 273 90-170 0,5 0,6 1,93 4,04 0,12 0,31


En la Figura 55, de igual modo que en el caso anterior, la curva mostrada representa los puntos

donde el área de captación fotovoltaica, y térmica, requerida para obtener el mismo efecto

frigorífico es la misma.

83



Como en el Caso 1 y Caso 2 la curva representada separa dos regiones. La región inferior

corresponde a situaciones donde el área ( requerida de paneles fotovoltaicos es menor que el

área ( requerida de paneles termosolares para proporcionar el mismo efecto de refrigeración. La

región superior corresponderá al caso contrario, es decir cuando requiere menor área ( de

paneles termosolares para producir el mismo efecto.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion2

84


y

Se observa que fijando los rendimientos máximos que podrían alcanzar ambas tecnologías, la

tecnología fotovoltaica requiere menor área de captación en todas las condiciones.

0,099 0,119

0,139 0,159

0,179 0,199

0,219 0,239

0,259 0,279

0,299 0,319 0,339

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0,450

85

6.4 Caso 4 Desde un punto de vista del ciclo termodinámico y tecnología solar simultáneamente

En este caso se considerará la máxima eficiencia termodinámica de los ciclos de absorción,

y compresión, así como el máximo rendimiento posible de las distintas tecnologías,

Relacionando ( 36) y ( 37) con la definición de coeficiente energético máximo, se obtiene

la potencia de refrigeración instantánea de cada instalación de la forma:

( 49)

( 50)

Siendo:

: )

:

:

:

:


Relacionando las ecuaciones ( 49) y ( 50) :

( 51)


- Se ha considerado que el rendimiento máximo global de la instalación fotovoltaica, ,

y el rendimiento máximo global de la instalación termosolar, con un rango de entre

80-86% y 90-95% respectivamente como se vio en el capítulo 4.

80-86 %

90-95%

Tabla 54 Rendimientos máximos

86

- Igual que en casos anteriore se ha establecido dos condiciones de refrigeración que abarcan los tres propositos de refrigeración propuestos.

o Condición 1:



entre 268 y 273 K. Con estas condiciones de temperatura se cubrirá las aplicaciones de


Condición 1

303-323 K

268-273 K





o Condición 2:




temperaturas de refigeración inferior .

A modo de resumen se muestra la siguiente tabla:

Caso 4 ( K ) ( K )

Condición 1 a

303 323 353 383 0,79 0,91

0,9 0,95 0,8 0,86 1,04 1,186 b 413 438 0,69 0,78

Condición 2 303 323 363 443 0,68 0,88


87

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Como en el Caso 2, se requiere más superficie de captación solar fotovoltaica que termosolar para

producir el mismo efecto de refrigeración si se cumple que:

( 52)

En la Figura 57, igual que en casos anteriores la curva separa las regiones donde el área requerida

para el mismo efecto de refrigeración es distinta. En la parte superior el área de captación solar ( m2)

es menor en sistemas termosolares.

Se observa que para las 3 condiciones está por debajo de la curva, concluyéndose que la tecnología

fotovoltaica presenta un mayor rango de mejora.

PV

T

Figura 57 Caso 4 Evolución de en función de


88


y

1,05

1,08

1,12

1,15

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,66 0,69 0,71 0,74 0,76 0,79 0,81 0,84 0,86 0,89 0,91

89

7 ANÁLISIS ECONÓMICO

En este capítulo se pretende realizar un análisis comparativo teniendo en cuenta el aspecto económico aunque de una forma básica y para que en un futuro se introduzca esta variable a la hora de tomar una decisión. Se estudiaran los cuatro casos que se propusieron al comienzo del proyecto.

Caso 1: Situación actual, en este caso se considera los valores actuales de rendimiento de los ciclos de compresión y absorción, así como los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares y fotovoltaicos.

Caso 2: Desde un punto de vista del ciclo termodinámico, en este caso se consideran los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares y fotovoltaicos además considerando la máxima eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión y absorción.

Caso 3: Desde un punto de vista de la tecnología solar, en este caso se consideran los valores actuales de eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión y absorción y además considerando el máximo rendimiento posible para las distintas tecnologías.

Caso 4: Desde un punto de vista del ciclo termodinámico y de la tecnología solar simultáneamente, en este caso se considerará la máxima eficiencia termodinámica de los ciclos de absorción y compresión, así como el máximo rendimiento posible de las distintas tecnologías.

Para realizar dicho análisis se han considerado una serie de hipótesis:

- No se ha tenido en cuenta :

o La inflación.

o El tipo de interés.

o El factor asociado a la durabilidad de las instalaciones.

o El factor asociado al almacenamiento de la energía en cada instalación.

o El valor residual de cada instalación.

o Ningún tipo de subvención.

- El coste de operación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos se estima del orden del 1% del coste de inversión.

- El coste de operación y mantenimiento de los sistemas termosolares se estima del orden del 3% del coste de inversión.

- La relación de costes maquinas de absorción y maquinas de compresión en un rango de 1-2.

Primeramente se establecerá los costes generales de cada instalación y posteriormente se distinguirá para cada caso.

De forma general el coste total de cada instalación viene dado por el coste de inversión, más el

coste de operación y mantenimiento, menos el valor residual de la instalación, . Siendo el

coste de inversión, el coste del sistema solar (fotovoltaico o termosolar), más el coste del

ciclo de refrigeración (máquinas de compresión o absorción), .

Matemáticamente:

( 53 )

90

( 54)

Donde:

De modo que para:

Sistemas fotovoltaicos con ciclos de compresión de vapor:

( 55)

( 56)

Sistemas termosolares con ciclos de absorción:

( 57)

( 58)

Matemáticamente según las hipótesis establecidas anteriormente:

-

- 0.01 *

-

-

91

Resulta:

( 59)

( 60)

Debido a la gran casuística existente en ambas tecnologías e incluso dentro de las propias

tecnologías solares se han estimado rangos de precios para aproximar el coste de inversión de cada

instalación. Dichos precios ( €/m2) se basan en fuentes directas de diferentes especialistas en la

materia.

Dada la dificultad de establecer una hipótesis para relacionar el coste de inversión de la tecnología y

el ciclo, se ha optado por considerar el coste de inversión de ambos ciclos iguales para poder

relacionar los costes totales.

Luego las expresiones utilizadas para la comparación serán:

( 61)

( 62

( 63)

Siendo:

Resaltar que estas expresiones no representarían el coste total de las instalaciones, habría que tener

en cuenta el coste de los ciclos de refrigeración.

92

En la Tabla 57 y la Tabla 58 se muestran los rangos de los precios de inversión de las instalaciones de

cada tecnología.

Para instalaciones termosolares:

Precios Termosolar

Canal Parabólico y Lineal de Fresnel

200-350

Tubo de vacío y Captador Plano

400-600

Tabla 57 Precio de instalaciones termosolares

Para instalaciones fotovoltaicas:

Precios Fotovoltaica

Panel fotovoltaico 2-3.5 350-540

150Wp/m^2

Tabla 58 Precio de instalaciones fotovoltaicas

Se procede a distinguir los distintos casos:

1. Caso 1: Situación actual, en este caso si consideran los valores actuales del rendimiento de

los ciclos de compresión y absorción, así como los valores actuales de los rendimientos de

los sistemas termosolares y fotovoltaicos.

En el capitulo anterior se dedujo la expresión:

( 64)

Relacionado ( 63) y ( 64) :

93

( 65)

En el apartado anterior, las curvas representadas dividían la gráfica en dos regiones. En la Figura 59

se establece el mismo criterio aunque se observa la existencia de tres curvas. La curva inferior está

referida al precio máximo de instalaciones fotovoltaicas y al precio mínimo de instalaciones

termosolares de acuerdo al rango de precios establecidos anteriormente.

Al contrario sucede con la curva superior, que está referida al precio máximo de instalaciones termosolares y al precio mínimo de instalaciones fotovoltaicas. Estableciéndose una región que garantiza la gran casuística de precios ya que teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares, el abanico de posibilidades aumenta

Figura 59 Caso 1Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares

2. Caso 2 Desde un punto de vista del ciclo termodinámico, en este caso se consideran los

valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares y fotovoltaicos además

considerando la máxima eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión y absorción

( 66)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Condicion 1.A

Condicion 2.B

Condicion2

Con Precios1

Con Precios2

94


( 67)

Figura 60 Caso 2 Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares

3. Caso 3 Desde un punto de vista de la tecnología solar, en este caso se consideran los valores

actuales de eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión y absorción y además

considerando el máximo rendimiento posible para las distintas tecnologías. y fotovoltaicos

además considerando la máxima eficiencia termodinámica en los ciclos

( 68)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Condicion 1.A Condicion 1 B Condición 2. Linea Con Precios1 Con Precios 2 Polinómica (Linea)

95

Relacionado ( 63) y ( 68):

( 69)


4. Caso 4 Desde un punto de vista del ciclo termodinámico y tecnología solar

simultáneamente, en este caso se considerará la máxima eficiencia termodinámica de los

ciclos de absorción y compresión, así como el máximo rendimiento posible de las distintas

tecnologías

( 70)


( 71)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion2

Con precios1

Con precios2

96


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion 2

Linea

Con Precios1

Con Precios2

97

8 ANÁLISIS EXERGÉTICO PARA PRODUCCIÓN DE

FRÍO

En este capítulo se pretende realizar un análisis comparativo de ambas tecnologías desde el punto de vista exergético.

Se define la eficiencia exergética de un sistema fotovoltaico, como:

( 72)

Donde:

: Superficie de recepción fotovoltaica

:

Se define la eficiencia exergética de un sistema termosolar, como:

( 73)

Donde:

: Superficie de captación termosolar

:

98

Se define la eficiencia exergética del ciclo de refrigeración por compresión, como:

( 74)

Donde:

: Potencia de refrigeración del ciclo de compresión

Se define la eficiencia exergética del ciclo de refrigeración por absorción, como:

( 75)

Donde:

: Potencia de refrigeración del ciclo de absorción

El rendimiento exegético global para la instalación fotovoltaica será el producto del rendimiento exergético de la tecnología y el rendimiento exergético del ciclo de compresión:

( 76)

( 77)

99

De igual modo para instalaciones termosolares:

( 78)

( 79)

Concluyendo por tanto , que para el mismo efecto de refrigeración, , desde el

punto de vista exergético los rendimientos globales son los mismos. Aunque como es lógico, siendo

en general mayor el rendimiento exergético de la instalación fotovoltaica que el de la instalación

térmica (sobre todo a baja temperatura).

100

9 ANÁLISIS COMPARATIVO PARA PRODUCCIÓN

DE CALOR

De igual forma que en el capítulo 6 se procede a la comparación de ambos sistemas para los distintos casos:

9.1 Caso 1. Situación Actual

Situación actual, en este caso se consideran los valores actuales de eficiencia de los ciclos de

compresión, y absorción, así como los valores actuales de los rendimientos de los

sistemas fotovoltaicos, y termosolares .

En sistemas fotovoltaicos, se sabe:

( 80)

( 81)

En sistemas termosolares, se sabe:

( 82)

( 83)

Relacionando las ecuaciones anteriores se obtiene la potencia de calefacción instantánea de cada

instalación de la forma:

( 84)

( 85)

Siendo:

: )

:

:

:

:

101

Para el mismo efecto de calefacción, resulta:

( 86)

Relacionado las ecuaciones( 84) y ( 85), se obtiene la expresión siguiente:

( 87)

En la Figura 63 se representa la curva donde el área de captación fotovoltaica, y termosolar, ,

requerida para obtener el mismo efecto de calefacción es la misma. Considerando que la eficiencia

energética para el ciclo de refrigeración, , es aproximadamente igual a la eficiencia energética

para el ciclo de calefacción,

Figura 63 Evolución de en función de


Obteniéndose el mismo resultado que en el capítulo 6, ya que los rendimientos de las tecnologías termosolar y fotovoltaica no varían.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion2

Potencial (Linea de tendencia At/Apv=1)

PV

T

102

9.2 Caso 2 Punto de vista del ciclo Termodinámico

En este caso se consideran los valores actuales de los rendimientos de los sistemas termosolares,

y fotovoltaicos, además se consideran las máximas eficiencias termodinámica en los ciclos de

absorción, y compresión, .

En instalaciones fotovoltaicas, se sabe:

( 88)

En instalaciones termosolares, se sabe:

( 89)

( 90)

Relacionando las ecuaciones anteriores c, se obtiene la potencia de calefacción instantánea de cada


( 91)

( 92)

Siendo:

: )

:

:

:

:

La expresión del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de compresión para producción de calor fue deducida en el capítulo 5, resultando:

( 93)

La expresión del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de absorción para producción de calor

fue deducida en el capítulo 5, resultando:

( 94)

103

Para la misma potencia de calefacción:

( 95)

Relacionando, ( 93) y ( 94) con ( 91)y ( 92) se obtiene la expresión:

( 96)

En Figura 64, como en el caso anterior ,se representa la curva donde el área de captación

fotovoltaica, y termosolar, , requerida para obtener el mismo efecto de calefacción es la

misma.

Figura 64 Evolución de en función de


Se observa que para las tres condiciones, ocupan una mayor aérea en la región superior de la curva

donde el área ( de captación solar de instalaciones termosolares requerida, para producir el

mismo efecto de calefacción es menor.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Condicion 1.A

Condicion 1 B

Condición 2.

Linea

PV

T

104

9.3 Caso 3 Punto de vista de la tecnología solar

Desde un punto de vista de la tecnología solar, en este caso se consideran los valores actuales de

eficiencia termodinámica en los ciclos de compresión, y absorción, y además

considerando el máximo rendimiento posible para las distintas tecnologías, .

En este caso, para instalaciones termosolares será:

( 97)

( 98)

En sistemas termosolares:

( 99)

( 100)

Relacionando las ecuaciones anteriores se obtiene la potencia de calefacción instantánea de cada


( 101)

( 102)

Siendo:

: )

:

:

:

:

Para el mismo efecto de calefacción, resulta:

( 103)

105

Relacionado las ecuaciones ( 101) y ( 102), se obtiene la expresión siguiente:



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Linea de tendencia At/Apv=1

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion2

( 104)

En la figura siguiente, como en los casos anteriores se representa la curva donde el área de captación


misma. Como en el caso 1, considerando que la eficiencia energética para el ciclo de refrigeración,

, es aproximadamente igual a la eficiencia energética para el ciclo de calefacción,

Obteniéndose el mismo resultado que para refrigeración ya que el rendimiento de las

tecnologías no varía.

PV T

106

9.4 Caso 4 Punto de vista del ciclo termodinámico y tecnología solar simultáneamente

En este caso se considerará la máxima eficiencia termodinámica de los ciclos de absorción,

y compresión, así como el máximo rendimiento posible de las distintas tecnologías,

En este caso para instalaciones fotovoltaicas:

( 105)

( 106)

En instalaciones termosolares:

( 107)

( 108)

Relacionando las ecuaciones anteriores, se obtiene la potencia de calefacción instantánea de cada


( 109)

( 110)

Siendo:

: )

:

:

:

:

La expresión del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de compresión para producción de calor fue deducida en el capítulo 5, resultando:

( 111)

La expresión del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de absorción para producción de calor

fue deducida en el capítulo 5, resultando:

( 112)

Para la misma potencia de calefacción:

107

( 113)

Relacionando ( 109) y ( 110)con ( 111) y ( 112) se obtiene la expresión:

( 114)

En la figura siguiente como en el caso anterior ,se representa la curva donde el área de captación


misma. Se observa como para las tres condiciones, los puntos se encuentran debajo de la curva.

Zona donde el área requerida de captación solar de sistemas fotovoltaicos es menor para la

producción del mismo efecto de calefacción.



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8

Condicion 1.A

Condicion 1.B

Condicion 2

Linea

PV

108

CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE TRABAJO

FUTURAS

Conclusiones

- Sin tener en cuenta el aspecto económico y considerando los rendimientos actuales tanto de las tecnología (termosolar y fotovoltaica) como la eficiencia energética del ciclo de refrigeración (máquinas de absorción y compresión) hay un mayor rango de instalaciones termosolares que requieren menor área que instalaciones fotovoltaicas para producir el mismo efecto de refrigeración.

- Considerando las máximas eficiencias tanto desde el punto de vista termodinámico como desde el punto de vista tecnológico, atendiendo a las hipótesis establecidas para establecer una aproximación se concluye que la fotovoltaica presentan un mayor rango de mejora y que incluso actualmente, bajo ciertas hipótesis, la fotovoltaica podría ser viable frente a la termosolar.

- Se puede concluir que la tendencia que muestran las instalaciones fotovoltaicas con máquinas de compresión es la de equiparse o superar por su margen de mejora tecnológica a las instalaciones termosolares con máquinas de absorción. Aunque en los resultados de este proyecto se observa que las instalaciones de tecnología fotovoltaica para refrigeración ya no está tan lejos de la tecnología termosolar, hay que recordar que el estudio se ha realizado sin tener en cuenta la acumulación de energía, ya que en instalaciones termosolares la acumulación no penaliza tanto el rendimiento como en sistemas fotovoltaicos que puede reducirse hasta la mitad. Ni tampoco la utilización de equipos auxiliares, ya que en máquinas de absorción el aumento de la temperatura de aportación supone una mejora del rendimiento. Por el contrario, hay otros factores como son la durabilidad y la tendencia de costes que podrían hacer más viable las instalaciones fotovoltaicas que las térmicas.

Líneas de trabajo futuras

- Se considera importante abrir líneas de trabajo futuras atendiendo a un análisis económico más detallado, un análisis más profundo atendiendo a diversos factores como la acumulación de energía, durabilidad, análisis de ciclo de vida, utilización de equipos auxiliares…etc.

- Además, como el proyecto se ha centrado en sistemas para la producción de frío, se propone realizar un estudio de mercado detallado y actualizado de sistemas para la producción de calor.

109

REFERENCIAS

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5. JAVIER CAÑADA RIBERA. MANUAL DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. DISEÑO Y CÁLCULO DE INSTALACIONES. Universidad Politécnica de Valencia, 2008 ISBN 9788483633373.

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7. Propuesta De Documento Reconocido De Certificaciín Energética De Edificios - SICAR_02_PropuestaDocumentoReconocido.Pdf. Available from:http://www.minetur.gob.es/energia/desarrollo/EficienciaEnergetica/CertificacionEnergetica/propuestaNuevosReconocidos/Documents/SICAR_02_PropuestaDocumentoReconocido.pdf.

8. VERA MEDINA, J., LILLO BRAVO, I. and Universidad de Sevilla. Estudio Comparativo De Sistema[s] Solares Térmicos Ensayados Por La UNE 12976. S.l.: , 2011.

9. KUMAR, R. and ROSEN, M.A. A Critical Review of Photovoltaic–thermal Solar Collectors for Air Heating. Applied Energy, 11, 2011, vol. 88, no. 11. pp. 3603-3614 ISSN 0306-2619.

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Índice de Figuras

Figura 1.- Clasificación técnicas de enfriamiento. ................................................................................................... 11 Figura 2 Esquema sistema de refrigeración fotovoltaico ....................................................................................... 12 Figura 3 Esquema sistema de refrigeración termosolar ......................................................................................... 12 Figura 4 Clasificación sistemas termosolares en función de la temperatura del fluido de aportación ............... 17 Figura 5 Clasificación sistemas termosolares de baja y media temperatura ........................................................ 17 Figura 6 Representación de las pérdidas del captador solar térmico .................................................................... 19 Figura 7 Representación de las pérdidas del captador solar térmico con IAM ..................................................... 19 Figura 8 Curva de eficiencia teórica del captador para distintas radiaciones ....................................................... 20 Figura 9 Resultados sistemas prefabricados ........................................................................................................... 22 Figura 10 Características sistemas ensayados ........................................................................................................ 23 Figura 11 Curva de modulos de Si para distitnas temperaturas ............................................................................ 31 Figura 12 Curvas de potencia según la irradiación ................................................................................................. 32 Figura 13 Evolución eficiencia células fotovoltaicas; .............................................................................................. 33 Figura 14 Curva de Cristalización ............................................................................................................................. 34 Figura 15 Ciclos de Absorción. Simple Efecto. Doble Efecto. Triple Efecto ............................................................ 35 Figura 16 Evolución del EER ...................................................................................................................................... 38 Figura 17 Enfriadoras de absorción disponibles en el mercado, ordenadas su capacidad. ................................. 38 Figura 18 Comparación captadores de placa plana ............................................................................................... 44 Figura 19 Comparación captadores de tubos de vacío ........................................................................................... 45 Figura 20 Comparación captadores parabólicos compuestos ............................................................................... 45 Figura 21 Comparación captadores canal parabólico ............................................................................................ 46 Figura 22 Comparación captadores lineales de Fresnel ......................................................................................... 46 Figura 23 Comparación captadores de baja y media temperatura ....................................................................... 47 Figura 24 Rango de temperaturas de operación en máquinas de simple efecto de Bromuro de Litio ............... 48 Figura 25 Rango de temperaturas de operación en máquinas de Simple Efecto de Amoniaco .......................... 49 Figura 26 Rango de temperaturas de operación en máquinas de doble efecto de Bromuro de Litio ................. 49 Figura 27 Rango de temperaturas de operación en máquinas de triple efecto de Bromuro de Litio ................. 49 Figura 28 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de simple efecto de Bromuro de Litio ................... 50 Figura 30 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de doble efecto de Bromuro de Litio .................... 50 Figura 29 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de simple efecto de Amoniaco .............................. 50 Figura 31 Coeficiente de eficiencia energética en máquinas de triple efecto de Bromuro de Litio .................... 51 Figura 32 Clasificación Máquinas de Absorción ...................................................................................................... 53 Figura 33 Envolvente de las curvas de rendimiento ................................................................................................ 54 Figura 34 Curva de rendimiento con rangos de temperatura de operación, ................................................... 55 Figura 35 Representación temperaturas de intercambio ....................................................................................... 57 Figura 36 Catálogo enfriadora HITOP ...................................................................................................................... 58 Figura 37 Catálogo enfriadora baja temperatura BCH .......................................................................................... 59 Figura 38 Sistema de captación ................................................................................................................................ 61 Figura 39 Curva de rendimiento o del absorbedor para diferentes índices de concentración ............................. 61 Figura 40 Límite de eficiencia en sistemas fotovoltaicos ........................................................................................ 62 Figura 41 Ciclo de absorción para producción de frío ............................................................................................. 63 Figura 42 Ciclo de absorción para producción de calor .......................................................................................... 64 Figura 43 Ciclo de compresión para producción de frío .......................................................................................... 65 Figura 44 Evolución del coeficiente de eficiencia máximo del ciclo de compresión para producción de frío ..... 66 Figura 45 Evolución del coeficiente de eficiencia máximo del ciclo de .................................................................. 66 Figura 46 Ciclo de compresión para producción de calor ....................................................................................... 67 Figura 47 Evolución del coeficiente de eficiencia máxima del ciclo de compresión para producción de calor ... 68 Figura 48 Ciclo de compresión con sistema fotovoltaico ........................................................................................ 69 Figura 49 Ciclo de Absorción con sistema termosolar ............................................................................................ 70 Figura 51 Caso 1.-Evolución de en función de ............................................................. 74 Figura 50 Caso 1.-Evolución de en función de ............................................................. 74 Figura 52 Caso 1.-Evolución de la relación de áreas, , en función de las relaciones ... 75 Figura 53 Caso 2.-Evolución de en función de ......................................................................... 78 Figura 54 Caso 2.-Evolución de la relación de áreas, , en función de las relaciones ............... 79

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Figura 55 Caso 3.-Evolución de en función de ........................................... 83 Figura 56 Caso 3.-Evolución de la relación de áreas, , en función de las relaciones .... 84 Figura 57 Caso 4 Evolución de en función de ......................................................... 87 Figura 58 Caso 4.-Evolución de la relación de áreas, , en función de las relaciones ............... 88 Figura 59 Caso 1Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares . 93 Figura 60 Caso 2 Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares 94 Figura 61 Caso 3 Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares 95 Figura 62 Caso 4 Análisis comparativo teniendo en cuenta el precio de inversión de las instalaciones solares96 Figura 63 Evolución de en función de ......................................................................... 101 Figura 64 Evolución de en función de ............................................................................... 103 Figura 65 Caso 3 Evolución de en función de .......................................... 105 Figura 66 Caso 4 Evolución de en función de ................................................ 107

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Índice de Tablas

Tabla 1 Clasificación Instalaciones ........................................................................................................................... 13 Tabla 2 Clasificación máquinas de absorción comunes .......................................................................................... 14 Tabla 3 Clasificación de los compresores atendiendo a su principio de funcionamiento ..................................... 14 Tabla 4 Parámetros del Factor de carga I ................................................................................................................ 15 Tabla 5 Parámetros del Factor de carga II ............................................................................................................... 15 Tabla 6 Distintos captadores de placa plana ........................................................................................................... 24 Tabla 7 Distintos captadores de tubo de vacío ........................................................................................................ 25 Tabla 8 Distintos captadores parabólico compuestos ............................................................................................ 25 Tabla 9 Distintos captadores de canal parabólico .................................................................................................. 26 Tabla 10 Distintos captadores de Fresnel en función del ratio de concentración ................................................. 27 Tabla 11 Distintos captadores de Fresnel II ............................................................................................................. 27 Tabla 12 Distintos captadores comerciales ............................................................................................................. 28 Tabla 13 Características de distintas Instalaciones Fotovoltaicas ........................................................................ 30 Tabla 14 Clasificación módulos fotovoltaicos .......................................................................................................... 30 Tabla 15 Evolución de eficiencia, en porcentaje, de diversas células fotovoltaicas .............................................. 31 Tabla 16 EER y Temperatura de operación según técnica de enfriamiento .......................................................... 35 Tabla 17 EER y Temperatura de activación según técnica de enfriamiento ......................................................... 36 Tabla 18 EER y Temperatura de operación según técnica de enfriamiento .......................................................... 36 Tabla 19 - EER y Temperatura de operación según Técnica de Enfriamiento (3) ................................................. 37 Tabla 20 Distintos Sistemas de Absorción ............................................................................................................... 39 Tabla 21 Clasificación Eurovent de máquinas en modo refrigeración ................................................................... 40 Tabla 22 Clasificación Eurovent de máquinas en modo calefacción ..................................................................... 40 Tabla 23 Rangos de rendimiento modo frío y calor ................................................................................................ 41 Tabla 24 Condiciones de certificación Eurovent para máquinas enfriadoras de agua......................................... 41 Tabla 25 Condiciones de certificación Eurovent para rooftops .............................................................................. 41 Tabla 26 Expresiones de rendimiento ...................................................................................................................... 43 Tabla 27 Comparación de Captadores ..................................................................................................................... 44 Tabla 28 Media de los coeficientes de los distintos captadores ............................................................................ 47 Tabla 29 Propósitos Refrigeración............................................................................................................................ 48 Tabla 30 Características enfriadora YAZAKI SC10 ................................................................................................... 51 Tabla 31 Características enfriadora ABTF ................................................................................................................ 52 Tabla 32 Características enfriadora AGO CHILII ACC50 .......................................................................................... 52 Tabla 33 Cálculo de Rendimientos en función de la temperatura de aportación ................................................. 55 Tabla 34 Calculo de enfriadoras de agua ................................................................................................................ 57 Tabla 35 Resumen datos obtenidos de la enfriadora HITOP .................................................................................. 58 Tabla 36 Resumen Enfriadoras ................................................................................................................................. 60 Tabla 37 - Finalidad de refrigeración (2, 3) ............................................................................................................. 72 Tabla 38 Temperaturas Condición 1 ........................................................................................................................ 72 Tabla 39 Eficiencias Condición A .............................................................................................................................. 72 Tabla 40 Eficiencias Condición B ............................................................................................................................... 73 Tabla 41 Eficiencias Condición 2 ............................................................................................................................... 73 Tabla 42 Resumen resultados Caso 1 ....................................................................................................................... 74 Tabla 43 Temperaturas condición 1 ......................................................................................................................... 77 Tabla 44 Rendimiento condición A ........................................................................................................................... 77 Tabla 45 Rendimiento condición B ........................................................................................................................... 77 Tabla 46 Rendimiento condición 2 ........................................................................................................................... 78 Tabla 47 Resumen resultados obtenidos caso 2 ..................................................................................................... 78 Tabla 48 Rendimientos máximos ............................................................................................................................. 80 Tabla 49 Temperaturas condición 1 ......................................................................................................................... 81 Tabla 50 Eficiencias condición A ............................................................................................................................... 81 Tabla 51 Eficiencias condición B ............................................................................................................................... 81 Tabla 52 Eficiencias condición 2 ............................................................................................................................... 82 Tabla 53 Resumen resultados obtenidos caso 3 ..................................................................................................... 82 Tabla 54 Rendimientos máximos ............................................................................................................................. 85 Tabla 55 Temperaturas condición 1 ......................................................................................................................... 86 Tabla 56 Resumen resultados obtenidos caso 4 ..................................................................................................... 86

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Tabla 57 Precio de instalaciones termosolares ....................................................................................................... 92 Tabla 58 Precio de instalaciones fotovoltaicas ........................................................................................................ 92

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