UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE...

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

INGENIERÍA

GRADO EN TECNLOGÍAS INDUSTRIALES

ALMACENAMIENTO CON AMONIACO EN

INSTALACIONES DE FRÍO CON ENERGÍA

SOLAR FOTOVOLTAICA

Trabajo fin de grado

Departamento de Ingeniería Energética

Autora: María de los Angeles Bobadilla Belloso

Tutores: Isidoro Lillo Bravo

Juan Francisco Coronel Toro

Sevilla, Abril 2016

Trabajo fin de grado

Grado en ingeniería en tecnologías industriales

Almacenamiento con amoniaco en instalaciones de

frío con energía solar fotovoltaica.

Autora:

María de los Angeles Bobadilla Belloso

Tutores:

Isidoro Lillo Bravo

Juan Francisco Coronel Toro

Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla. 2016

I

RESUMEN

En este trabajo se analiza la influencia de la alternativa de almacenamiento, para la

producción de frio, con energía solar fotovoltaica.

En primer lugar se analiza un llamado caso base. En este apartado se estudia el ciclo de

compresión mecánica simple. El compresor es alimentado con energía solar fotovoltaica y

cuando la demanda de sol es inexistente, se utilizan baterías, para así satisfacer el consumo

de energía que requiere el compresor.

En segundo lugar se estudia la alternativa de almacenamiento. Esta alternativa consiste en la

introducción de un deposito entre la salida de la válvula de expansión y la entrada del

evaporador .Durante el día el funcionamiento del ciclo es igual que el del caso base, con la

diferencia que el depósito se va llenando de amoniaco (refrigerante). Durante la noche el

evaporador es alimentado con el refrigerante que hay almacenado en el depósito. Una vez

que pasa por el evaporador dicho vapor es almacenado en el depósito. Dependiendo del

consumo que se quiere tener cuando no hay Sol, el depósito será de una dimensión u otra.

Una vez analizadas estas alternativas se estudia la parte fotovoltaica de la instalación. Se hace

una comparativa entre el uso de baterías y la alternativa de almacenamiento. En este estudio

solar se diferencian tres aplicaciones, producción de frío (Tevap=268K), climatización

(Tevap=283K) y congelación (Tevap= 250K).

Finalmente, se hace un estudio económico donde se presentan ambas comparativas.

II

ÍNDICE

Resumen

Índice I

Índice de ilustraciones II

Índice de tablas VII

Notaciones IX

1 INTRODUCCIÓN 1

2 OBJETIVO 3

3 METODOLOGÍA 5

3.1 Análisis bibliográfico 5

Introducción 5

Avances en las bombas de calor 12

Almacenamiento de energía eléctrica: baterías 15

Almacenamiento de frío: Agua fría 21

Almacenamiento de frío: Cambio de fase 22

Utilización de fluidos de cambio de fase dentro del ciclo 28

Energía solar y producción de frío 38

4 Estudio teórico 43

4.1 Caso base 43

Descripción general 43

Modelo matemático 44

Simulación del caso base 46

4.2 Alternativa de almacenamiento. 55

Objetivo 55

Descripción general 55

Modelo matemático 57

Simulación de la alternativa de almacenamiento 59

Cálculo del volumen específico del depósito 66

Beneficios e inconvenientes del almacenamiento. 67

III

Análisis del proceso 68

4.3 Influencia de la acumulación en instalaciones fotovoltaicas 68

Ciclo de compresión mecánica simple y energía solar fotovoltaica 68

Alternativa de almacenamiento y energía solar fotovoltaica. 75

5 Análisis de resultados 82

5.1 Resultado del estudio de gráficas en 3D 82

EER y EER de Carnot 82

5.2 Estudio del sistema acoplado con fotovoltaica, uso de baterías. 84

5.3 Análisis de la reducción de superficie de la instalación fotovoltaica para diferentes

condiciones: 87

6 Estudio económico 93

7 Conclusiones 108

8 Bibliografía 109

IV

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Instalación de refrigeración accionada por energía fotovoltaica mediante baterías ................ 3

Instalación de refrigeración accionada por energía solar fotovoltaica mediante

almacenamiento de energía térmica ........................................................................................... 3

Ciclo de Carnot en la región bifásica .......................................................................................... 7

Ciclo de Rankine de refrigeración y bomba de calor ................................................................ 7

Esquema del ciclo de compresión mecánica simple ................................................................. 8

Diagrama p-h del ciclo de compresión mecánica del refrigerante R22 .................................. 9

Refrigeración escalonada con derivación separada para saturar la salida de la primera etapa

..................................................................................................................................................... 11

Refrigeración escalonada de la extracción de la primera etapa .............................................. 11

Refrigeración escalonada con mezclado total inter-tapa ......................................................... 11

Clasificación de las tecnologías de mejora de las bombas de calor ....................................... 12

Ciclo de doble etapa con intercooler ........................................................................................ 13

Componentes básicos y principio de operación de sistema de almacenamiento por baterías

..................................................................................................................................................... 16

Comparación de la energía especifica según el tipo de baterías ............................................. 17

Eficiencia y vida útil según diferentes tipologías de batería, con una profundidad de

descarga del 80% ....................................................................................................................... 18

Principales materiales orgánicos empleados como fluido de cambio de fase en

almacenamiento ......................................................................................................................... 25

Principales materiales inorgánicos empleados como fluido de cambio de fase en

almacenamiento ......................................................................................................................... 25

PCM comerciales disponibles en el mercado .......................................................................... 26

Intercambiador PCM integrado en sistema de refrigeración, en diferentes puntos del ciclo 29

Comparación del COP entre sistema básico y el sistema añadiéndole el PCMA ................. 30

V

Presiones en condensador y evaporador, comparando entre ciclo básico y ciclo con PCMA

..................................................................................................................................................... 31

Temperaturas antes de la válvula, comparando entre el ciclo básico y el ciclo con PCMA 31

Comparación del COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMB ........................................ 32

Temperaturas antes de la válvula, comparando entre el ciclo básico y el ciclo con PCMB . 32

Comparación del COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMC ........................................ 33

Comparación sin PCM del COP obtenido experimentalmente y el COP calculado mediante

la simulación dinámica .............................................................................................................. 34

Comparación del COP con PCM obtenido experimentalmente y el objeto a través de la

simulación dinámica .................................................................................................................. 34

Variación del COP y del subenfriamiento con PCMB según diferentes temperaturas de

cambio de fase a lo largo del tiempo ........................................................................................ 36

Presiones de condensación del sistema con PCMA y el sistema base ................................... 37

Esquema de principio del sistema PV/T analizado por Hainan Hu ....................................... 40

Esquema de principio dispositivo experimental estudiado por Hongbing Chen .................. 41

Efecto de la radiación solar en el COP, potencia del compresor y capacidad del condensador

del sistema .................................................................................................................................. 41

Efecto de la radiación solar sobre el panel, en cuanto a la eficiencia eléctrica y la potencia 42

Esquema del ciclo de compresión mecánica simple ............................................................... 43

Diagrama del ciclo de compresión mecánica simple .............................................................. 44

Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de condensación .................................... 49

Evolución del Qcomp respecto de la temperatura de condensación ..................................... 49

Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de condensación ....... 50

Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de evaporación ....................................... 52

Evolución del Qcomp respecto de la temperatura de evaporación ........................................ 52

VI

Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación ......... 53

Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y de condensación ............. 54

Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y de condensación

..................................................................................................................................................... 55

Esquema de principio de la alternativa durante el día ............................................................ 56

Esquema de principio de la alternativa durante la noche ........................................................ 57

Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de condensación .................................... 61

Evolución del Qcomp respecto de la temperatura de condensación ..................................... 62

Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de condensación ....... 62

Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de evaporación ....................................... 64

Evolución del Qcomp respecto de la temperatura de evaporación ........................................ 65

Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación ......... 65

Depósito de R-717 .................................................................................................................... 66

Esquema de principio del caso base con sistema de energía fotovoltaica acoplado ............. 67

Esquema de principio de la alternativa con sistema fotovoltaico .......................................... 70

Evolución de la reducción de la superficie del campo solar según la temperatura de

condensación, para la aplicación de climatización, respecto una temperatura de

condensación de 313K .............................................................................................................. 78


condensación, para la aplicación de frío, respecto una temperatura de condensación de

313K ......................................................................................................................................... 79


condensación, para la aplicación de congelación ,respecto una temperatura de condensación

de 313K ..................................................................................................................................... 81

Variación del coste del campo solar y coste de las baterías. Climatización .......................... 97

Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Climatización ............................. 98

VII

Variación del coste de las baterías y coste campo solar. Climatización ............................... 98

Variación del coste de las baterías y del coste del depósito. Climatización ......................... 99

Variación del coste del depósito y del coste del campo solar. Climatización ...................... 99

Variación del coste del depósito y del coste de las baterías. Climatización ....................... 100

Variación del coste del refrigerante. Climatización ............................................................. 100

Variación del coste del campo solar y coste de las baterías. Frío ......................................... 101

Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Frío ........................................... 101

Variación del coste de las baterías y coste campo solar. Frío .............................................. 102

Variación del coste de las baterías y del coste del depósito. Frío ........................................ 102

Variación del coste del depósito y del coste del campo solar. Frío ..................................... 103

Variación del coste del depósito y del coste de las baterías. Frío ........................................ 103

Variación del coste del refrigerante. Frío .............................................................................. 104

Variación del coste del campo solar y coste de las baterías. Congelación ........................... 104

Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Congelación ............................. 105

Variación del coste de las baterías y coste campo solar. Congelación ................................ 105

Variación del coste de las baterías y del coste del depósito. Congelación .......................... 106

Variación del coste del depósito y del coste del campo solar. Congelación ....................... 106

Variación del coste del depósito y del coste de las baterías. Congelación .......................... 107

Variación del coste del refrigerante. Congelación ................................................................ 107

VIII

ÍNDICE DE TABLAS

Energía específica en Wh/kg según el tipo de batería ............................................................. 16

Parámetros principales del ciclo del caso base por kW de frío ............................................... 47

Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de condensación ... 48

Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de evaporación ..... 51

Parámetros principales del ciclo del caso base por kW de frío ............................................... 59

Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de condensación ... 60

Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de evaporación ..... 64

Parámetros principales del caso base con instalación fotovoltaica, para aplicación

climatización y según diferentes energías de panel ................................................................. 73

Parámetros principales del caso base con instalación fotovoltaica, para aplicación frío y según

diferentes energías de panel ...................................................................................................... 74

Parámetros principales del caso base con instalación fotovoltaica, para aplicación

congelación y según diferentes energías de panel ................................................................... 75

Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto la temperatura

de condensación, para climatización y energía del panel de 5 kWh/m2día ........................... 77


de condensación, para frío y energía del panel de 5 kWh/m2día ............................................ 79


de condensación, para congelación y energía del panel de 5 kWh/m2día .............................. 80

Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y condensación .................. 82

Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y condensación . 83

Parámetros característicos del estudio acoplado con fotovoltaica, uso de baterías.

Climatización ............................................................................................................................. 85

Parámetros característicos del estudio acoplado con fotovoltaica, uso de baterías. Frío ...... 86

IX

Parámetros característicos del estudio acoplado con fotovoltaica, uso de baterías. congelación

..................................................................................................................................................... 87

Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto de la

temperatura de condensación. Climatización .......................................................................... 89


temperatura de condensación. Frío ........................................................................................... 90


temperatura de condensación. Congelación ............................................................................. 91

Coste de los elementos de ambas alternativas. Inversión inicial ............................................ 95

X

NOTACIONES

Tcond: Temperatura de condensación

Tevap: Temperatura de evaporación

Ecomp: Energía que necesita el compresor

ΔS: Reducción del campo solar

Capbat: Capacidad de la batería

Enetabat: Energía neta de la batería

Tambat: Tamaño de la batería

Almacenamiento con amoniaco en instalaciones de frío con energía solar fotovoltaica

1

1 INTRODUCCIÓN

Las instalaciones fotovoltaicas aisladas para cubrir las necesidades eléctricas sin tener que

utilizar la energía eléctrica de la red. Uno de los mayores inconvenientes de estas instalaciones

es el almacenamiento de energía

En multitud de ocasiones la demanda y la oferta no coinciden con el tiempo, esto es debido

principalmente al carácter fluctuante y diurno de la energía solar. Esto hace que, para poder

satisfacer las necesidades eléctricas en momentos sin energía solar se necesiten unidades de

almacenamiento que abastezcan la demanda.

La forma de almacenamiento más extendida en todas las instalaciones fotovoltaicas es la

batería, almacena la energía necesaria para satisfacer el consumo demandado cuando no hay

Sol, tiene como gran inconveniente una baja eficiencia.

Esta baja eficiencia hace que se pierda una gran cantidad de energía y se intente, por un lado,

investigar en la mejora de las baterías y su viabilidad, y por el otro, buscar nuevas formas de

almacenamiento, que no almacenen energía eléctrica, y presenten una eficiencia mayor.

Dentro de estas formas de almacenamiento se sitúan el almacenamiento de la energía

mecánica o la energía térmica.

Un claro ejemplo del almacenamiento de energía mecánica lo protagonizan las instalaciones

de bombeo. En este tipo de instalaciones se opta por almacenar agua en lugar de almacenar

energía eléctrica en baterías.

Se almacena el agua a una determinada altura, y cuando se produce la demanda de energía,

se aprovecha la energía mecánica del agua. De esta forma las instalaciones de bombeo ganan

eficiencia y viabilidad.

Otra alternativa importante en cuanto al almacenamiento de energía, es el almacenamiento

de energía térmica, muy extendido en las instalaciones solares de media/alta temperatura.

El almacenamiento térmico puede realizarse bien mediante un fluido intermedio, como puede

ser un fluido de cambio de fase, o por medio de agua líquida, o bien se puede almacenar el

propio refrigerante en unas condiciones determinadas del ciclo. El refrigerante se almacena


2

en estado líquido, pero una vez que pasa por el evaporador, ese vapor es acumulado en el

mismo depósito. Este hecho hace que el depósito sea muy grande ya que el volumen

específico del refrigerante a la temperatura de evaporación es alto.

Al almacenar el refrigerante directamente se elimina la ineficiencia de las propias baterías. El

refrigerante se almacena en un depósito situado entre la válvula de expansión y e evaporador

del circuito de compresión mecánica simple. En este estudio se analizan las ventajas e

inconvenientes que éste tipo de almacenamiento puede tener frente al almacenamiento de

energía mediante baterías. En definitiva se reduce a un análisis de energía térmica frente a

energía química (baterías).


3

2 OBJETIVO

El objetivo del presente proyecto es comparar las posibilidades de almacenamiento

energético en una instalación de refrigeración de compresión mecánica simple accionada

mediante energía solar fotovoltaica, mediante dos alternativas diferentes. Una es mediante el

uso de baterías, como describe la ilustración 2.1 y otra es mediante la introducción de un

depósito a la salida de la válvula de expansión, ilustración 2.2.

Ilustración 2.1. Instalación de refrigeración accionada por energía fotovoltaica mediante

baterías

Ilustración 2.2. Instalación de refrigeración accionada por energía fotovoltaica mediante

almacenamiento de energía térmica.


4

La alternativa al almacenamiento de energía con baterías:

Se introduce un depósito en el punto 4 del ciclo de compresión mecánica simple, del cual sale

un conducto que va hacia el evaporador y vuelve a dicho depósito, es decir, una recirculación

del refrigerante. Por la parte superior del depósito sale otro conducto que es la aspiración del

compresor.

Se llevará a cabo un estudio de dicha alternativa, en cuanto a sus parámetros más

característicos, según las condiciones de funcionamiento, y se estudiará también el posible

campo de aplicación.

Como resultado del proyecto se pretende conocer las ventajas e inconvenientes de esta

alternativa frente al uso de baterías en la instalación fotovoltaica.

Finalmente, se hace un estudio económico de ambas alternativas.


5

3 METODOLOGÍA

3.1 Análisis bibliográfico

Introducción

REFRIGERACIÓN

Refrigerar suele ser sinónimo de enfriar, pero se va a llevar a cabo una clara distinción entre

ambas ideas reservando la refrigeración para cuando el enfriamiento ocurre a temperaturas

por debajo de la atmosférica (en ambos casos se trata de extraer calor del sistema, pero la

refrigeración así entendida requiere el aporte de exergía del exterior, mientras que el

enfriamiento se podría conseguir simplemente dejando el sistema caliente en contacto con la

atmósfera).

La termodinámica enseña muchos procedimientos para lograr disminuir la temperatura de un

sistema por debajo de la del ambiente, enseñando también que en todos los casos hace falta

un aporte de exergía para mantener esa condición de desequilibrio frente a la tendencia natural

a la uniformización de la temperatura. Además la termodinámica enseña a calcular el valor

mínimo de esa exergía necesaria. Los procesos termodinámicos más usados para disminuir

la temperatura si transmisión de calor a un foco frío son:

Disminución de la presión de vapor de un líquido volátil (aunque el mecanismo es

igual para líquidos poco volátiles y para sólidos, el efecto refrigerante sería pequeño).

Expansión brusca de un gas o vapor (sobre todo si en ella se realiza trabajo). Si un

gas encerrado a presión en un dispositivo cilindro-émbolo sufre una expansión brusca

(la cual se considerará adiabática), realizando un trabajo contra una carga (o

simplemente acelerando el émbolo contra la presión atmosférica), su energía interna

y, por tanto, su temperatura, habrá de disminuir para compensar el balance energético.

Mezclado endotérmico de sustancias apropiadas: por ejemplo, al mezclar hielo y sal,

ambos a 0ºC, la mezcla puede disminuir su temperatura hasta -21ºC, si las

proporciones son adecuadas y la transmisión de calor al ambiente es despreciable.

Efecto Peltier, que es un flujo cruzado debido al acoplamiento de un gradiente térmico

con un gradiente de potencial eléctrico de la misma dirección.


6

De entre todos los sistemas de refrigeración, los sistemas de refrigeración fundamentales

son los sistemas de compresión mecánica y los sistemas de absorción, siendo éstos

últimos bastantes minoritarios respectos de los primeros, por tener una eficiencia menor.

El uso de los sistemas de absorción está justificado cuando tenemos una fuente de calor

gratuita (por ejemplo en caso de la energía solar).

Es importante resaltar que en la refrigeración no existe una transmisión de calor desde

una temperatura baja a una alta; lo que realmente ocurre es que el foco frío cede calor a

un fluido de trabajo que está todavía más frío y este fluido de trabajo sufre una

transformación termodinámica (normalmente adiabática) que le hace pasar a una

temperatura superior a la de la fuente caliente, y allí también cede calor a esta.

Los principales sectores demandantes de la tecnología frigorífica son el sector comercial,

sector doméstico y sector transporte. Entre los usos más extendidos se encuentran: el

confort humano y ambiente controlado (aire acondicionado), preparación y conservación

de alimentos, procesos industriales, fabricación de hielo, etc.

Además durante las últimas décadas se han extendido las aplicaciones criogénicas (el

nitrógeno líquido es uno de los consumibles corrientes en laboratorios industriales,

hospitales y centros de investigación).

FRIGORÍFICO DE COMPRESIÓN DE VAPOR

El coste energético mínimo para evacuar desde T2 a T1>T2 será el correspondiente a un

proceso que no aumente la entropía del universo. Si el fluido de trabajo evoluciona

cíclicamente, no varía su entropía en un ciclo, se tendrá ΔSuniv=Q1/T1- Q2/T2=0, y como

por el balance energético será W=Q1- Q2, se deduce que la máxima eficiencia energética

será: ηefrig=T2/ (T1-T2) si lo que interesa en la acción frigorífica y ηebomba=T1/ (T1-T2) si lo

que interesa es la acción como bomba. Como la mejor aproximación a un intercambio de

calor isotermo es un cambio de fase de una sustancia pura, se tratará de aproximar todo

lo posible al ciclo de Carnot, el cual deberá ser lo más ancho posible dentro de la región

bifásica para disminuir el tamaño del equipo. Dicho ciclo queda representado en la

Ilustración 3.1:


7

Ilustración 3.1: Ciclo de Carnot en la región bifásica de una sustancia pura.

Sin embargo subsisten dos problemas: por un lado, la compresión isentrópica es

impracticable porque al ser rápida calentaría mucho la fase vapor y muy poco las gotitas de

líquido y habrá transmisión de calor entre ellas (además del daño del compresor por el

impacto de las gotitas), por lo que en la práctica se hace la compresión con vapor seco. En

segundo lugar, el trabajo que se obtendría en la expansión isentrópica es muy pequeño al ser

la densidad alta, así que se hace una expansión isentálpica y el ciclo de Rankine de un

refrigerador simple quedaría como el de la ilustración 3.2, donde ya se tiene en cuenta el

efecto del rendimiento adiabático del compresor y se hace aumentar la entropía de

compresión. Conviene que la pendiente dT/dS de la curva de vapor saturado sea casi vertical

para disminuir el trabajo de compresión, incluso algo inclinada a la derecha para compensar

el aumento de entropía en el compresor.

Ilustración 3.2 Ciclo de Rankine de refrigeración y bomba de calor


8

El esquema de principio de un ciclo de compresión mecánica simple queda definido por

lailustración 3.3:

Ilustración 3.3 Esquema del ciclo de compresión mecánica simple

Se encuentran cuatro tramos fundamentales:

1-2 El vapor sobrecalentado se comprime hasta la presión de condesación con

aporte de trabajo por parte de una fuente externa.

2-3 El refrigerante condensa y se cede calor al foco caliente

3-4 Se produce una expansión isoentálpica

4-1 Se produce la evaporación del refrigerante absorbiendo calor de un foco

frío.

En refrigeración se suele utilizar el diagrama p-h de la sustancia de trabajo, con la escala p

logarítmica y la escala en h lineal.


9

Ilustración 3.4 Diagrama p-h del ciclo de compresión mecánica del refrigerante R22

Las características deseables para un fluido refrigerante son: la presión de vapor a la

temperatura fría debe ser superior a la atmosférica para que no entre aire en el circuito, pero

a la temperatura caliente no debe ser muy alta. La temperatura de congelación y la viscosidad

deben ser bajas, pero la entalpía de cambio de fase, la capacidad térmica, la conductividad

térmica y la estabilidad química deben ser altas, y el precio bajo.

ELEMENTOS DEL CICLO DE COMPRESIÓN MECÁNICA SIMPLE

Los elementos que componen un frigorífico de compresión de vapor son cuatro: compresor,

condensador, válvula de expansión (y dispositivo de control asociado) y el evaporador.

A continuación se llevará una descripción general de las características de los diferentes

elementos del ciclo.

COMPRESOR

Los compresores son máquinas que elevan la presión de un fluido. Aunque siempre se puede

considerar como sistemas termodinámicos de volumen de control con una entrada de un

fluido a baja presión y una salida de fluido a alta presión, internamente pueden funcionar

como sistemas termodinámicos de masa de control.

CONDENSADOR

El condensador es el cambiador de calor donde el fluido de trabajo evacúa calor al ambiente,

desprendiéndose de la entropía que absorbió de la carga fría más toda la generada en su


10

circuito.

Tipología:

Condensadores de aire: supone la solución más simple aunque es poco eficiente

porque el aire tiene muy poca transmitancia térmica y aumentarla forzando el flujo

de aire es costoso y genera ruido; en cualquier caso, convendría poner aletas en el

lado del aire para aumentar su transmitancia.

Condensadores de agua: la eficiencia ya es grande, pero surge el problema qué hacer

con el agua; tirarla es prohibitivo excepto en las proximidades de un río, y reciclarla

exige otro intercambiador de calor agua-aire, lo que encarece la instalación y obliga

a que el condensador opere a una temperatura algo mayor para compensar el salto

térmico en el cambiador agua-aire.

VÁLVULA DE EXPANSIÓN

La válvula consiste en un estrangulamiento en el circuito del refrigerante que permite

mantener la diferencia de presión entre el condensador y el evaporador. En ella también van

ligados los dispositivos de autorregulación necesarios para mantener la densidad a la entrada

del compresor constante frente a las variaciones del flujo de calor de la carga.

EVAPORADOR

El evaporador es un intercambiador de calor donde el fluido refrigerante entra con una

fracción másica de vapor muy pequeña, recibe el calor de la carga, y debe salir completamente

seco o incluso un poco sobrecalentando para asegurarse de que en ningún caso entrarán

gotitas en el compresor (que podrían dañarlo por erosión e incluso por sobrepresión debido a

los pequeños espacios muertos en los del émbolo)

VARIACIONES SOBRE EL CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR

Una mejora importante del ciclo radica en el subenfriamiento del líquido antes de entrar en

la válvula con el vapor antes de entrar al compresor. Al introducirlo, y esperando un muy

pequeño incremento de trabajo del compresor, se consiguen dos beneficios: el más importante

es el incremento de calor evacuado en el evaporador, y el otro es que ya no hace falta poner

separadores ciclónicos para asegurarse de que no entran gotas al compresor arrastradas por el

vapor saturado, pues ahora estará sobrecalentado.


11

Dado el gran salto de presiones asociado a las temperaturas del condensador y el evaporador,

convendría hacer la compresión escalonada con enfriamiento intermedio para disminuir el

trabajo necesario. Debido a que las temperaturas intermedias involucradas estarán por debajo

de la atmosférica, es necesario combinarla con un escalonamiento en la expansión hasta una

presión intermedia en la que se extrae vapor o vapor más líquido para enfriar la salida del

primer escalón de compresión (primera etapa).

A continuación se muestran los esquemas de principio y diagramas T-s de las típicas:

A)

Ilustración 3.5: Refrigeración escalonada con derivación separada para saturar la salida de la

primera etapa.

B)

Ilustración 3.6 Refrigeración escalonada con extracción del vapor de la primera etapa

C)

Ilustración 3.7 Refrigeración escalonada con mezclado total inter-tapa.


12

Avances en las bombas de calor

(K.J Chua, S.K.Chou, W.M.Yang, 2010) K.J.Chua et al. llevan a cabo una revisión que

pretende hacer un resumen de los últimos avances que se han llevado a cabo en el campo de

las bombas de calor, tanto desde el punto de vista de la mejora del propio ciclo, como el de

la búsqueda de las nuevas aplicaciones.

Se presentan las bombas de calor como uno de los mejores métodos para evitar la

contaminación directamente relacionada con la emisión de CO2, al ser un elemento capaz de

aprovechar calor residual.

La clasificación de los desarrollos recientes en las tecnologías de bomba de calor viene dado

por la ilustración 3.8:

Ilustración 3.8. Clasificación de las tecnologías de mejora de las bombas de calor

De entre todas las nuevas tecnologías las más representativas son:

a) Mejora de la eficiencia del ciclo

Ciclos multietapa: en estos ciclos se tienen dos o más etapas de compresión

conectadas en serie. Si se compara con un ciclo simple, estos ciclos tienen

uan menos tasa de compresión y una mayor eficiencia en cada etapa, mejor

efecto de producción de frío, menor temperatura de descarga en la etapa de

alta presión y una mayor flexibilidad.

También supone una opción muy importante en cuanto a la mejora del COP

cuando se está operando en condiciones extremas de frío.


13

La ilustración 3.9 muestra una de las configuraciones posibles:

Ilustración 3.9. Ciclo de doble etapa con intercooler

Nuevos refrigerantes: R-22 es probablemente el refrigerante más utilizado en

las bombas de calor y producción de frío. Para buscar otros refrigerantes es

importante conocer las propiedades termodinámicas de los mismos.

Últimas investigaciones han conducido al desarrollo de nuevas mezclas de

refrigerantes, denominadas: R404A, R407C, R410A, R433A, R170/R290.

R410A: se ha evaluado una eficiencia en aplicaciones de aire

acondicionado sobre un 12% mayor que el R22.

Tiene también la ventaja de reducir el tamaño de los intercambiadores

de calor, particularmente del evaporador y el condensador, llevando

a cabo una mejor transferencia de calor.

R433A: investigaciones muestran un COP en torno al 4.9-7.6%

mayor que el R22.

R170/R290: mejora el COP hasta el 6%.

b) Sistemas híbridos

Híbrido solar: La integración de la energía solar con la tecnología de las

bombas de calor supone una gran mejora en la eficiencia. Se trata de un

sistema cuya fuente de calor es una fuente natural: energía solar. Estas


14

aplicaciones incluyen producción de agua caliente, almacenamiento de calor

y secado.

Se han producido grandes desarrollos en el aporte de energía solar

fotovoltaica y bombas de calor, debido al gran interés en emplear energías

renovables para la mejora de los procesos de bombas de calor.

Hay un novedoso sistema llamado PhotovoltaicThermal (PVT) el cual

incorpora un evaporador en el propio panel fotovoltaico generando una placa

evaporador-colector. En este sistema, una parte de la energía solar es

convertida en electricidad y el resto en forma de calor. La electricidad

generada sirve para aumentar la potencia del compresor. El COP también

aumento debido a la absorción de energía solar.

c) Nuevas tecnologías:

Geotérmica: también es una tecnología muy interesante de aplicar en el casi

de las bombas de calor operando de la siguiente maniera:

Durante el invierno, mueven el calor desde la tierra a los edificios y en verano

bombean el calor desde los edificios y lo descargan a la tierra.

La temperatura constante de la tierra es lo que hace a este sistema muy

eficiente, cómodo y con tecnologías de aplicación bastante conocidas hoy en

día.

Debido a su gran eficiencia y bajo impacto medioambiental se la dedicado

gran atención en países grandes consumidores de energía, como China.

Conclusiones: con la gran cantidad de calor disponible en varias fuentes naturales y calor

residual generado en varios procesos industriales, las bombas de calor son una tecnología

indispensable que contribuye hacia un medio ambiente más limpio.

En los siguientes apartados se analizan las distintas formas de almacenamiento del sistema,

bien por baterías, lo que supone un almacenamiento eléctrico, o bien un almacenamiento

térmico, mediante fluidos de cambio de fase (PCM) o agua líquida.


15

Almacenamiento de energía eléctrica: baterías

Las baterías suponen un método directo de almacenamiento de energía eléctrica, con la gran

desventaja de su bajo rendimiento. En este caso se pretende evitar el almacenamiento directo

con baterías para buscar otras formas de almacenamiento, principalmente en forma de

energía térmica, que proporcionen un mayor rendimiento al proceso.

(Mohammed Yekini Suberu, 2014)Mohammed Yekini Suberu etal. Realizan una revisión

de los sistemas de almacenamiento para energías renovables, centrándose en la disminución

de la intermitencia de estas energías mediante el almacenamiento.

Las baterías son una forma de almacenamiento electroquímico. Dependiendo de la

capacidad de potencia de cada una, unas son utilizadas para alto voltaje mientras que otras

para bajo voltaje. El sistema de almacenamiento por baterías es el sistema más ampliamente

utilizado en las aplicaciones actuales.

Básicamente las baterías pueden ser clasificadas en almacenamiento interno de baja

temperatura y almacenamiento externo de alta temperatura. Ejemplos de baterías de baja

temperatura son las de plomo ácido (PbO2), níquel-cadmio (NiCd), ión litio y níquel-

hidruro metálico (NiMH).

Los ejemplos de alta temperatura serían las de sulfuro sódico (NaS), cloruro de níquel- sodio

(NaNiCl) y baterías de flujo.

La siguiente tabla muestra la energía específica de las baterías según su tipología:


16

Tabla 3.1Energía específica en Wh/kg según el tipo de batería

La descripción del principio de funcionamiento de las baterías está reflejada en la siguiente

ilustración:

Ilustración3.10 Componentes básicos y principio de operación de sistema de

almacenamiento por baterías

Tipo debatería Energía específica

Plomo ácido (tipo inundada) 25 Wh/kg

Plomo ácido (válvulareguladora) 30 – 50 Wh/kg

Níquel-cadmio (NiCd) 45 – 80 Wh/kg

Súlfuro sódico (NaS) 100 Wh/kg

Ión litio 100-190 Wh/kg

Vanadio redox 30-50 Wh/kg

Bromo-Zinc 70 Wh/kg


17

Ilustración 3.11 Comparación de la energía especifica según el tipo de baterías.

En la ilustración 3.11 se puede apreciar cómo varía la densidad energética según el tipo de

batería que se tenga.

A continuación se realiza una descripción general de los principales tipos de baterías que se

encuentran en el mercado, donde las más destacadas son:

Ión litio: tienen aplicaciones tanto para baja como para alta potencia así como para

elementos electrónicos portables y herramientas de telecomunicación. Su gran uso se

basa en su alta densidad energética y eficiencia.

Las baterías de ión-litio contemporáneas han sido desarrolladas para durar hasta 3000

ciclos completos de descarga. Otra importante característica es su rápida carga y

descarga y su alta energía específica.

Otros aspectos importantes que las hacen muy aptas para su uso son el bajo porcentaje

de autodescarga, la variedadde tamaños y formas y su bajo peso con alta densidad

energética. A su vez resulta segura desde el punto de vista medioambiental.

Entre desventajas más importantes se encuentra el coste de producción, ya que

depende del tiempo de vida y la seguridad del aparato.

En estos momentos las investigaciones se están centrando en el desarrollo de circuitos


18

de protección más eficientes.

Sulfuro sódico: se caracteriza por ser baratas, con alta densidad energética, mejor

eficiencia y una mejora en la capacidad de almacenamiento por utilizar sustancias

líquidas activas. Resultan muy económicas debido a los asequibles materiales de

construcción, los cuales tienen una gran facilidad para ser reciclados para su posterior

reutilización. Requieren de poco mantenimiento.

Aproximadamente se pueden llegar a los 2500 ciclos. Se utiliza en numerosas áreas

como regulación de voltaje, estabilización de potencia etc.

Plomo ácido: es el primer tipo de baterías recargable que existen a nivel doméstico y

en algunas aplicaciones comerciales. El uso de estas baterías en ciertas aplicaciones

comerciales queda limitado por la disponibilidad de otras clases de baterías de alta

eficiencia en el mercado.

En numerosos campos de aplicación aún está muy extendida debido a su bajo coste,

alta fiabilidad, por ser una tecnología muy madura y por su rápida respuesta

especialmente en automóviles.

También resulta interesante en aplicaciones donde el peso no sea considerado como

un aspecto restrictivo. Requieren, a su vez, de un cierto mantenimiento.

Níquel cadmio: pertenece a la familia de baterías recargables, con un buen ciclo de

vida, una alta densidad energética, muy buen desarrollo a baja temperatura y con

unas amplias posibilidades de tamaños y ratios. Se trata de unas baterías robustas y

buenas sustitutas delas de plomo ácido, así como con un nivel alto de madurez en

cuanto a su tecnología. Uno de sus mayores problemas radica en el alto coste del

cadmio y los materiales de níquel usados en su construcción. También, hay que

destacar que tanto el cadmio como el níquel resultan duramente tóxicos y con gran

impacto en la salud de los humanos.

Otro aspecto a destacar es la necesidad de cargar y descargar completamente la

batería, ya que podría tener problemas de no hacerlo de esa forma, además de la alta

autodescarga que presenta en comparación con el resto.

A pesar de todas estas desventajas, las baterías de níquel cadmio presentan un gran

rango de aplicación, como puede ser en elementos electrónicos, sistemas de


19

operación de aviación, vehículos eléctricos o luces de emergencia. Esto es debido a

las grandes ventajas que presentan:

Buenas características respecto al ciclo de vida (más de 3500 ciclo)

combinado con sus bajos requerimientos de mantenimiento.

Son altamente robustas.

Capaces de resistir altas corrientes de descarga.

Cloruro de níquel-sodio: estas baterías fueron desarrolladas en principio para los

vehículos eléctricos y los vehículos híbridos. Comúnmente conocida como batería

ZEBRA. Estas baterías tienen una mayor capacidad debido a la alta conductividad

iónica del eléctrico. Han sido utilizadas también en otras aplicaciones como

aplicaciones militares o de telecomunicación

Batería de flujo: son también conocidas como baterías redox. Resultan ser baterías

recargables. Tienen una capacidad muy importante que es la pueden descargar por

completo sin que esto produzca ningún efecto negativo en la misma. Además estas

descargas completas se pueden repetir en numerosas ocasiones. Son muy interesante

en amplias aplicaciones pero que están restringidas por su alto coste de adquisición

así como su coste de operación y mantenimiento.

Cetin E. Yilanci A. et al realizan un análisis de los factores más importantes de la selección

de baterías para su integración en sistemas renovables.

Factores para la selección del tipo de batería integrada en sistemas con energías

renovables

Aspectos económicos, eficiencia y vida útil

Los factores más importantes de las baterías son la vida útil y la eficiencia. Cuanto más baja

sea la eficiencia y la vida del sistema de almacenamiento, menos económico resultará para su

uso.

En la siguiente ilustración se representa la eficiencia y vida útil con un 80% de profundidad

de descarga (DoD):


20

Ilustración 3.12 Eficiencia y vida útil según diferentes tipologías de batería, con una

profundidad de descarga del 80%.

Tanto las baterías de ión litio, ZEBRA, de flujo y de plomo ácido, tienen una eficiencia

suficiente como para ser utilizadas en aplicaciones comerciales y domésticas para

almacenamiento de energía eléctrica.

A. Chakraborty estudia las mejoras que se están produciendo en la tecnología de electrónica

de potencia, y dónde los avances en este campo están influenciando en gran medida a los

sistemas de producción de energía, como son los sistemas eólicos, hidráulicos, biogás y

también al almacenamiento eléctrico.

Numerosos factores son los que determinan la selección del tipo de almacenamiento para el

consumo de energía. Coste, eficiencia, densidad energética así como madurez tecnológica,

son aspectos muy importantes para la selección de un tipo u otro.

Se están llevando a cabo un gran número de investigaciones en el área de la tecnología de

materiales aplicada a los sistemas de almacenamiento para reducir los costes y el aspecto del

tamaño físico.


21

Almacenamiento de frío: Agua fría

El almacenamiento de frío mediante agua fría supone el sistema más básico utilizado, dónde

simplemente se genera agua fría que se almacena en tanques aislados para luego ser

utilizada. Se suele utilizar agua por sus ventajas y a sabidas, es un fluido barato, abundante

y cuya tecnología es muy conocida.

El gran inconveniente del almacenamiento por agua fría es que sólo se aprovecha el calor

sensible, almacenando mucha menos energía por unidad de volumen en comparación con

los sistemas de cambio de fase.

N. Sagara lleva a cabo una evaluación del comportamiento de una bomba de calor

incorporando un sistema de tanques de almacenamiento de agua instalado en un edificio de

oficinas, donde los tanques funcionan por estratificación con dos partes diferenciadas,

conectadas por un conducto, lo que hace al sistema adquirir características diferentes del

resto de tanques convencionales.

Objetivo: Recortar el pico de consumo diario de energía desplazando el consumo hacia la

noche, mediante almacenamiento de frío.

El tanque de almacenamiento es de agua fría estratificada, el cual está dividido en dos zonas,

una zona a la izquierda y otra a la derecha. Su funcionamiento tiene dos etapas claramente

diferenciadas:

Noche: el agua a mayor temperatura (15ºC) es bombeada hacia la bomba de calor y

es enfriada hasta unos 6ºC, descargándose lentamente al final de la parte izquierda.

Cuando está completamente lleno, el agua fría va hacia la parte de la derecha. Ambas

partes quedaran llenas de agua fría.

Día: es el proceso contrario, el agua caliente entra en la parte derecha. El flujo sigue

la dirección contraria.

En estos casos hay muy poca mezcla de agua fría y caliente debido a la diferencia de

densidades y a la escasa comunicación entre ambas partes del tanque. Al comparar

con una estratificación normal, en este caso aumentamos la capacidad de

almacenamiento de frío.

Se encuentra localizado bajo tierra y aislado con una capa de poliestirenogoma


22

espuma con paredes y tapas aisladas. En modo calefacción el sistema no se usa.

Se lleva a cabo un análisis de cómo varían las temperaturas cuando el tanque no se usa,

obteniendo las siguientes conclusiones:

El más rápido incremento de temperatura es en los primeros meses. Cuando el

sistema se vuelve a poner en funcionamiento (modo refrigeración) ha habido un

incremento de la temperatura en torno a 6ºC.Esto nos demuestra que es muy eficiente

usarlo también sólo en verano.

Hay un incremento de potencia consumida, aunque este incremento es muy ligero.

Definen una serie de ratios para medir la eficiencia del sistema:

o Factor de utilización del calor almacenado:

Nos mide la energía aportada por los tanques respecto de la energía

total. Se obtienen unos valores en torno al 83%.

o Factor de ganancia de los tanques

Se trata de cuánto aumenta la temperatura de los tanques en el modo

de no funcionamiento. Resultados del 8%.

o Peak Shaving Factor

Establece una relación entre la electricidad consumida por el

sistema de 22h-8h y la electricidad consumida en las horas punta:

8h-22h. Los resultados son muy positivos y se sitúan en torno al

78%.

Almacenamiento de frío: Cambio de fase

El almacenamiento con cambio de fase tiene el gran atractivo del aprovechamiento del calor

latente y también del posible calor sensible, resultando más ventajoso que los fluidos en

estado líquido. La gran dificultad radica en la inestabilidad de ciertos fluidos en cambio de

fase y la posible degradación de sus propiedades con el uso.

A priori el sistema más utilizado es el almacenamiento de hielo, por las ventajas

anteriormente comentadas del agua, pero cada vez se está incurriendo más en el


23

almacenamiento de otros fluidos de cambio de fase que pueden presentar muy buenas

propiedades.

Saito Takamoto estudia mediante experiencias la aplicación del almacenamiento de hielo en

las bombas de calor.

Las razones principales recogidas para usar ese almacenamiento de frío mediante hielo son:

Se prefiere un circuito cerrado debido a la energía necesaria en el transporte de

agua fría/caliente.

Disminuye la energía de carga, disminuyendo también el tamaño de las tuberías.

Aumento de la eficiencia.

Se utiliza un sistema que almacena tanto frío como calor, siendo el

almacenamiento de frío mediante hielo.

Se utiliza un sistema que almacena tanto frío como calor, siendo el almacenamiento de frío

mediante hielo

E. Oróetal. Plantean una revisión de los materiales de cambio de fase (PCM) para

aplicaciones de almacenamiento de frío.

En este artículo se hace una revisión de los diferentes materiales utilizados para aplicaciones

de almacenamiento de frío, características principales que deben tener y las tipologías de

materiales y disposiciones.

El almacenamiento térmico es uno de los métodos más adecuados para corregir el hueco

entre la demanda y el suministro de energía, por ello es una tecnología muy atractiva. El uso

de PCM nos proporciona una mayor capacidad de almacenamiento además de un

comportamiento más isotérmico durante la carga y la descarga respecto del almacenamiento

sensible, mediante agua líquida, por ejemplo.

Materiales de cambio de fase para almacenamiento de frío

El almacenamiento de calor latente resulta particularmente atractivo debido a su habilidad

para proporcionar alta densidad energética almacenada por unidad de masa en procesos casi

isotérmicos.

Las principales características solicitadas a los materiales son:


24

1) Termodinámica

Temperatura de fusión dentro del rango deseable.

Alto calor latente de fusión por unidad de volumen

Alto calor específico para proporcionar también una significativa cantidad de

calor sensible.

Alta conductividad térmica, tanto en fase líquida como en sólida.

Poco cambio de volumen durante la transformación y escasa presión de vapor a

la temperatura de operación.

2) Química

No degradación después de un alto número de ciclos (congelación-fusión).

No corrosivo.

No tóxico.

3) Económicas

Abundante

Disponible

Fácil reciclaje y tratamiento

Poco impacto medioambiental

Coste admisible

Los principales materiales para cambio de fase se dividen en dos grupos principales:

ORGÁNICOS: dentro de los cuales se encuentran los eutécticos y los compuestos,

subdividiéndose a su vez en parafinas y ácidos grasos.

Los principales materiales orgánicos utilizados son:


25

Ilustración 3.13 Principales materiales orgánicos empleados como fluido de cambio de fase en

almacenamiento.

INORGÁNICOS: encontramos eutécticos y compuestos, siendo los eutécticos

principalmente sales.

Los compuestos inorgánicos tienen un alto calor latente por unidad de masa y

volumen y son más baratos en comparación con los compuestos orgánicos. Además

son inflamables. Aunque van a sufrir una mayor descomposición y subenfriamiento,

lo cual afecta a sus propiedades de cambio de fase. Los principales compuestos

inorgánicos utilizados quedan reflejados en la Ilustración3.14

Ilustración 3.14 Principales compuestos inorgánicos empleados como fluido de cambio de fase

en almacenamiento.

Los materiales parafinas y no parafinas orgánicos son muy eficientes para el

almacenamiento de frío, constituyendo una alternativa potente frente al almacenamiento de

agua fría para aplicaciones de acondicionamiento.


26

Los PCM comerciales disponibles en el mercado son:

Ilustración 3.15 PCM comerciales disponibles en el mercado

(T.KumanoAsaoka,2010) Asaoka et al. Llevaron a cabo un estudio sobre la influencia de la

temperatura en la capacidad de almacenamiento concluyendo en que la efectividad del calor

latente del hielo en soluciones de etanol está significativamente afectada por la temperatura

de la solución, aunque no tan significativamente para las soluciones de propilen glicoly el

etilenglicol. Esto sugiere que dependiendo del compuesto con el que mezclemos el hielo, la

dependencia con la temperatura variará.

Estabilidad de los PCM a bajas temperaturas

Los factores más importantes que han limitado el uso de los sistemas de PCM son el

tipo de recipiente requerido para el PCM y el número de ciclos que puede llevar a

cabo el material sin que haya degradación en sus propiedades. La estabilidad a largo

plazo está afectada por la pobre estabilidad del propio material y/o por la corrosión

entre el PCM y el recipiente.

Se suelen utilizar numerosos aditivos para mejorar sus características, como el

tetradecano.

Encapsulación de los materiales de cambio de fase

En casi todos los casos los PCM tienen que ser encapsulados para evitar el goteo de

la fase líquida. Hay tres principales tipos de encapsulación: macro encapsulación,


27

micro encapsulación y almacenamiento voluminoso en tanques intercambiadores de

calor.

El sistema más utilizado es la macro encapsulación, cuyas mayores ventajas son la

facilidad en la operación y la flexibilidad en el diseño de los módulos.

Aplicaciones

- Potencial en el uso de PCM para almacenamiento de frío PCM ofrece la

posibilidad del mantenimiento térmico debido a su inercia térmica. Este resguardo

puede ser usado contra el calor y el frío, durante el transporte o el almacenamiento.

a) Enfriamiento: reducción de potencia instalada

b) Mantenimiento térmico de comida

c) Aplicaciones médicas

d) Sistemas de enfriamiento industrial

- Desplazamiento del punto de consumo

- Transporte de materiales sensibles a la temperatura

- Aplicaciones de acondicionamiento térmico en edificios.

El fluido más estudiado ha sido el agua, por razones obvias, el agua es barata, tiene

las mejores propiedades térmicas y también presenta una gran estabilidad a largo

plazo. Se trata de una tecnología madura y comercialmente disponible. Sin embargo,

para aplicaciones con menor temperatura de trabajo, como la conservación y

transporte de productos, el agua no es aplicable.

Atul Sharma et al. Llevan a cabo una revisión también del almacenamiento térmico

con materiales de cambio de fase.

En este artículo se lleva a cabo un análisis de los fluidos de cambio de fase, sus

características y las principales aplicaciones de estos sistemas.

Se destaca la capacidad de descenso del pico del consumo mediante el

almacenamiento. Con el almacenamiento del calor latente conseguimos reducir el

coste de generación de electricidad manteniendo la demanda aproximadamente

constante.


28

Sharma et al. Estudian los efectos de las propiedades físicotérmicas de los materiales

de los intercambiadores de calor en el comportamiento del sistema de

almacenamiento, extrayendo las siguientes conclusiones:

Laseleccióndelaconductividadtérmicadelrecipientedealmacenamien

toy la conductividad del PCM es muy importante, ya que tienen

efecto sobre la fracción que se funde.

Si la conductividad del recipiente se incrementa, el tiempo requerido

para completar la fusión del PCM decrece. El efecto del espesor del

recipiente es insignificante.

La temperatura inicial del PCM no tiene un efecto muy importante

sobre la fracción que se funde, mientras que la temperatura de las

paredes si tiene un efecto muy importante durante todo el proceso.

Utilización de fluidos de cambio de fase dentro del ciclo

Se está planteando también la idea de almacenar dentro del propio ciclo, bien a través de un

PCM o bien directamente sobre el refrigerante, de tal forma que se puedan independizar

ciertas partes del ciclo

Nomura plantea ya un sistema de bomba de calor con almacenamiento térmico.

Nomura hace un estudio sobre el almacenamiento de calor a la salida del compresor. No se

usa directamente en refrigerante si no que éste intercambia con un fluido al que transfiere la

energía térmica (mediante un compresor rotativo con almacenamiento térmico). El fluido

utilizado es el Polietilen Glicol.

Este almacenamiento se usa para dar capacidad de calentamiento durante el defrosting. Con

ello se consigue dar una continuidad en el servicio aun estando llevando se acabo el

defrosting. Los resultados conseguidos son un aumento del COP y de la capacidad de

calentamiento aunque también se aumenta el consumo. Disminuyen también los efectos de

ruido del compresor.

Como conclusiones se obtiene un aumento muy pequeño de los costes al incorporar los

equipos, además de que no ha habido apenas aumento del espacio de la instalación, pese a


29

introducir el intercambiador.

Fuqiao Wang realiza una investigación experimental sobre el novedoso uso de materiales de

cambio de fase dentro del ciclo de compresión.

En este artículo se pretende hacer un estudio sobre cómo se comportan y que efecto tienen

los materiales de cambio de fase (PCM) en el ciclo de compresión mecánica.

Todo el almacenamiento de energía térmica ha tenido un papel muy importante en el manejo

de la energía, y ha sido usado muy ampliamente en refrigeración y sistemas de aire

acondicionado (RAC).

El principal objetivo de los PCM en sistemas RAC era el de producir capacitancia dentro del

sistema minimizando las fluctuaciones. Con este estudio se quiere además desarrollar

sistemas PCM que sirvan para un mejor manejo del lado de la demanda, sirviendo como

herramienta para administrar la demanda eléctrica y para suministro de energía, permitiendo

una mayor eficiencia y una producción más económica.

La tecnología de PCM ha sido desarrollada e integrada en el sistema de refrigeración como

un método para ahorrar energía y tener un mayor control.

Ilustración 3.16 muestra el sistema que se va a analizar de aquí hacia delante:

Ilustración 3.16 Intercambiador PCM integrado en sistema de refrigeración, en diferentes

puntos del ciclo.

Tenemos por tanto tres posibilidades, PCM A, PCM B y PCM C.

El objetivo del PCM en la zona líquida es el de obtener un beneficio de las condiciones

ambiente más bajas que se producen por la noche. Suministra carga al condensador,

permitiendo almacenar la energía por la noche y utilizarla durante el día. El objetivo del


30

PCM en la zona de succión, zona de estado gas, es limitar el sobrecalentamiento en la línea

suministrando capacidad térmica.

El propósito principal del estudio es examinar este nuevo uso, concretando en los siguientes

objetivos:

Medir el COP de la planta.

Medir y validar el comportamiento de la planta con y sin intercambiadores de

cambio de fase.

Se lleva a cabo una descripción de cómo va a ser el proceso de medida, instrumentación

utilizada y parámetros a medir.

En todos los casos, los resultados se han comparado con el sistema básico sin

intercambiadores. Estos intercambiadores son de carcasa y tubo con el flujo de refrigerante

por los tubos y el PCM por la carcasa.

Tanto para PCMA como PCMB los materiales utilizados tienen un punto de fusión de 21ºC,

temperatura escogida de acuerdo a las condiciones locales, mientras que PCMC tiene una

temperatura de fusiónde8ºC, de acuerdo con el sobrecalentamiento usado y las ganancias de

calor.

Resultados:

A) PCMA entre el compresor y el condensador.

La Ilustración3.17 nos muestra como el COP del ciclo es alrededor de un 6% mayor

que sin el uso de PCM.

Ilustración 3.17. Comparación del COP entre sistema básico y el sistema añadiéndole el

PCMA


31

Esto es debido a una menor presión de condensación y un mayor subenfriamiento, dónde

PCMA actúa como un condensador extra. Queda reflejado en Ilustración 3.18 e

Ilustración3.19:

Ilustración3.18. Presiones en condensador y evaporador, comparando entre ciclo básico y

ciclo con PCMA.

lustración3.19. Temperaturas antes de la válvula, comparando entre ciclo básico y ciclo con

PCMA

B) PCMB entre condensador y válvula de expansión.

En este caso el COP es un 8% mayor que en el sistema básico. El efecto de la

diferente temperatura de entrada del aire al condensador es pequeño y el mayor COP

se puede explicar en la Ilustración3.21 la cual muestra como el PCMB da una menor

temperatura antes de la válvula de expansión.


32

Ilustración 3.20. Comparación del COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMB

El incremento de COP esperado no ha sido tal debido al incremento de la caída de presión

que se produce en el PCMB. Esto hace pensar que se debe investigar más en este aspecto

para maximizar la transferencia de calor y minimizar la caída depresión.

Ilustración3.21. Temperatura del refrigerante antes de la válvula, comparando el ciclo

básico y el ciclo con PCMB.

C) PCMC entre evaporador y compresor.

En este caso el COP de ambos sistemas son similares, la mayor diferencia entre ellos es en

la actuación del evaporador. Con la introducción del PCMC se consigue dar una mayor

estabilidad de temperatura en la válvula de expansión y controlar un menor

sobrecalentamiento.


33

Ilustración 3.22. Comparación de COP entre el ciclo básico y el ciclo con PCMC

Fuqiao Wang lleva a cabo una simulación dinámica de este sistema.

En esta segunda parte se va a llevar a cabo la misma comparación que en la Parte 1, pero en

este caso utilizando un modelo de simulación dinámica. Posteriormente se llevará a cabo

una comparación entre ambos métodos para la validación de resultados.

El modelo desarrollado, está basado en un lumped-parameter method. El condensador y el

evaporador son tratados como tanques de almacenamiento en diferentes estados, los cuales

tienen una región sobrecalentada, una bifásica y otra subenfriada. En las regiones con una

sola fase los parámetros son considerados homogéneos mientras que en la región bifásica

consideramos equilibrio químico.

El modelo de compresores considerado como un proceso adiabático, utilizando una

eficiencia isentrópica para su caracterización. El proceso de expansión es considerado

isentálpico.

El PCM es tratado como un modelo de transferencia unidimensional, siendo un

intercambiador decarcasa y tubo. Se describen detalladamente cada uno de estos modelos.

Validación delos resultados dinámicos.

Se han comparado los modelos sin incluir PCM, y es como se muestra en ambos

procedimientos coinciden en los resultados, teniendo en cuenta el posible error del testen la

Parte 1.


34

Ilustración3.23. Comparación sin PCM del COP obtenido experimentalmente y el COP

calculado mediante la simulación dinámica.

A continuación se procede a la comparación en este caso con PCM posicionado entre el

condensador y la válvula de expansión. La Ilustración 3.24 muestra como los resultados

empiezan a acercarse a partir de los 70 minutos. Los principales errores se producen al

principio de la operación, lo que puede ser debido a los siguientes factores:

- La distribución másica inicial del refrigerante en los diferentes componentes es

asumida como en equilibrio bifásico.

- El coeficiente de transferencia de calor usado para el condensador y el evaporador

procede de correlaciones donde se suponen condiciones estáticas.

- Para el modelo, el tiempo de parada escada0,2 s, pero la medida se lleva a cabo cada

5 segundos aproximadamente.

I

lustración 3.24. Comparación del COP con PCM obtenido experimentalmente y el

objeto a través de la simulación dinámica.


35

Conclusiones:

Este modelo dinámico desarrollado puede ser usado en el diseño y optimización del sistema.

Se puede encontrar que el modelo tiene una alta coincidencia en los resultados con respecto

a los test de la Parte1, tanto para presiones, temperaturas, como para COP.

Al ser un modelo dinámico, los parámetros del sistemas son muy sensibles a sus condiciones

iniciales, esto hace que los resultados tengan errores iniciales.

Finalmente Fuqiao Wang evalúa la utilización del sistema de cara a los posibles ahorros de

energía y el control del proceso.

En esta tercera parte lo que se lleva a cabo es la explicación del nuevo enfoque de los PCM

en los ciclos de refrigeración.

El uso tradicional de los PCM radica principalmente en el almacenamiento de frío en horas

valle para luego ser utilizado en horas punta, así como para conseguir un menor tamaño del

sistema, menor coste de arranque y una mayor eficiencia.

Comparando con este uso tradicional, se puede conseguir un mayor COP mediante el

incremento del subenfriamiento con PCMB, minimizando el sobrecalentamiento con PCMC

y reduciendo la presión de condensación con PCMA.

PCMB incrementando el subenfriamiento:

Investigaciones muestran que diferentes temperaturas de cambio de fase tienen diferentes

influencias en el sistema. Ilustración 3.25 muestra los resultados de este estudio y cómo el

COP del sistema varía con la temperatura de PCMB y el tiempo.


36

Ilustración 3.25. Variación del COP y del subenfriamiento con PCMB según diferentes

temperaturas de cambio de fase a lo largo del tiempo.

Se puede observar como el mayor COP se obtiene bajando la temperatura de cambio de fase,

aunque también hay que tener en cuenta que esta disminución de la temperatura puede

afectar a la capacidad de carga del PCM.

Por tanto, una menor temperatura de cambio de fase puede mejorar el COP pero podría

limitar la carga, por lo que, la selección de este parámetro es importante para todas las

aplicaciones.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es la influencia de la temperatura ambiente en el

comportamiento del sistema. En el caso de un sistema básico de refrigeración, cuanta mayor

se a la temperatura ambiente peores el COP que obtenemos.

En el caso de un sistema con PCM la situación es ligeramente diferente, cuando se aplica

una mayor temperatura ambiente al sistema, la mayor temperatura del condensador tiende a

incrementar la diferencia de temperatura entre refrigerante y temperatura de cambio de fase

del PCM, lo que provoca que haya una mejor transferencia de calor. El efecto del

subenfriamiento también es mejor con mayores temperaturas. Todo esto atenúa el efecto

negativo debido a la mayor temperatura de condensación.


37

PCMC minimizando el sobrecalentamiento:

COP DEL SISTEMA: El poder tener un sobrecalentamiento más bajo permite tener un COP

más alto, porque permite al evaporador trabajar con un mayor coeficiente de transferencia

de calor. Esto, a su vez, provoca un aumento de la presión del evaporador, disminuyendo el

trabajo requerido. El descenso del sobrecalentamiento también reduce el trabajo de

compresión.

ESTABILIZACIONDEL SISTEMA: PCMC atenúa la variación de temperatura del

refrigerante.

PCMA reduciendo la presión del condensador:

La razón de la mejora del COP radica en el descenso de la presión del condensador, debido

al hecho de que la mayor parte del enfriamiento desde el estado de sobrecalentamiento se

lleva a cabo en PCMA y esto permite al condensador a operar con más eficiencia bajando la

temperatura de condensación.

LaIlustración3.26 muestra este descenso de la presión respecto del sistema base:

Ilustración 3.26. Presiones de condensación del sistema con PCMA y el sistema base.


38

Energía solar y producción de frío

3.1.7.1 Refrigeración por absorción

Una de las formas más utilizadas en la hibridación solar–producción de frío es el ciclo de

refrigeración por absorción junto con un receptor solar, el cual se comportará como la fuente

de calor necesaria para completar el ciclo.

Sin embargo este sistema tradicional presenta una serie de inconvenientes como es el bajo

COP y el fluctuante suministro solar. En particular, como las características solares van

variando, el desarrollo del sistema puede deteriorar. Como resultado, el potencial de

refrigeración del sistema no será capaz de trabajar de manera consistente durante el día.

Entre las posibles soluciones se plantean sistemas con almacenamiento o un sistema auxiliar

de refrigeración accionado por energía eléctrica, aunque ambos tipos de solución con llevan

un incremento de coste de operación y de inversión inicial.

S. M. Xu et al. realizan una investigación sobre un nuevo sistema de refrigeración por

absorción con energía solar con tecnología avanzada de almacenamiento.

Con este estudio quieren solventar parte de los problemas anteriormente comentados, y para

ello utilizan una tecnología de transformación de energía con masa variable y

almacenamiento (VMETS). Este sistema logra ayudar a compensar la inconsistencia entre

la radiación solar y la demanda de aire acondicionado.

Se utiliza como fluido de trabajo bromuro de litio acuoso. La energía que se recibe del

colector solar es transformada en primer lugar a energía química del fluido de trabajo y

almacenada en el sistema. Entonces, se transforma en energía térmica por la refrigeración

por absorción cuando el sistema lo demanda.

Entre las conclusiones que se extraen de este estudio, destaca, en comparación con el sistema

común, que el fluido de trabajo es directamente conducido por la energía solar, siendo más

eficiente. La diferencia de temperaturas en el intercambiador se reduce, aumentando la

eficiencia del colector.

W. Rivera et al. Dan un paso más en la hibridación y crean un sistema de refrigeración solar

intermitente para producción de hielo con amoníaco y nitrato de litio. Consiste en un colector

cilíndrico parabólico actuando como generador-absorbedor.


39

Los elementos principales son: condensador, tanque de almacenamiento, válvula de

expansión, tubo capilar, evaporador y el colector cilíndrico parabólico. Este sistema opera

exclusivamente con energía solar y no se requieren partes móviles.

El proceso que se desarrolla es el siguiente; durante el día el fluido de trabajo es calentado

por la radiación solar en el colector hasta llegar a la temperatura de saturación.

El amoniaco es parcialmente evaporado de la solución y va hacia el condensador donde es

condensado por agua o aire y almacenado en el tanque. Por la noche, el amoniaco liquido

pasa por la válvula de expansión descendiendo su presión y temperatura y produciendo el

efecto frigorífico en el evaporador.

La temperatura y presión en el generador-absorbedor decrece por la temperatura ambiente,

de esta manera el amoniaco vapor vuelve al generador-absorbedor, comenzando el ciclo de

nuevo.

Este sistema es capaz de generar temperaturas de evaporación de hasta -11ºC durante varias

horas, demostrando ser una buena alternativa tecnológica para la producción de hielo en

regiones donde no hay suministro eléctrico.

3.1.7.2 Sistema híbrido bomba de calor PV/T

La energía fotovoltaica es utilizada para generar electricidad, sin embargo los módulos

fotovoltaicos tienen una eficiencia de conversión energía solar–electricidad muy baja, menor

del 20%. El resto es convertido a calor residual. Por ello muchos estudios han llevado a cabo

investigaciones sobre el efecto de la temperatura de la célula en los módulos, y se concluye

en que una disminución de la temperatura de la célula supone un aumento de la eficiencia de

conversión.

De esta forma surge la idea de usar módulos refrigerados bien por aire o bien por agua,

incluso ser utilizado el calor extraído para generar agua caliente sanitaria. Las mejoras por

el uso del agua y el aire no han sido demasiado altas.

Con este sistema híbrido se acopla un panel fotovoltaico con un ciclo de compresión

mecánica, una bomba de calor, donde el panel actúa como evaporador. Se consigue un doble

efecto, por un lado el panel es un elemento más del ciclo de compresión, y por otro lado el

calor generado en el panel absorbido por el refrigerante, de esta forma se consigue descender

la temperatura del panel fotovoltaico y mejorar su eficiencia.


40

Hainan Hu et al. estudian las características dinámicas de este sistema híbrido. El sistema

utilizado viene dado en laIlustración3.27:

Ilustración3.27 Esquema de principio del sistema PV/T analizado por Hainan Hu

Este sistema puede utilizarse a lo largo de todo el año, en verano dará frío al interior y ACS,

reduciendo la temperatura de las células y mejorando así su eficiencia. En primavera y otoño

se usa para dar ACS y mejorar también la eficiencia de la célula. Por último en invierno el

sistema da calefacción al interior y ACS.

La propia energía que generan los paneles fotovoltaicos es la utilizada para el

funcionamiento de la bomba de calor. Por tanto el sistema tiene tres modos de

funcionamiento: verano, invierno y primavera y otoño.

Las principales conclusiones que se extraen del estudio son:

Cuanta menor es la temperatura de evaporación, mayores la eficiencia solar

fotovoltaica.

Cuanta menor es la temperatura de evaporación en el evaporador PV/T, mayores el

calor transferido del panel solar.


41

El COP aumenta a medida que lo hace también la temperatura de evaporación.

Hongbing Chen et al. también estudiaron este sistema con un dispositivo experimental,

utilizando como refrigerante R-134.

Los componentes principales son: panel PV (actuando como evaporador), compresor,

condensador refrigerado por agua y válvula de expansión.

Ilustración 3.28 Esquema de principio dispositivo experimental estudiado por Hongbing

Chen

En estos ensayos se miden los efectos de las siguientes variables:

El efecto de la radiación solar

Ilustración 3.29 Efecto de la radiación solar en el COP, potencia del compresor y

capacidad del condensador del sistema.


42

Ilustración 3.30 Efecto de la radiación solar sobre el panel, en cuanto a la eficiencia eléctrica

y la potencia

Se puede observar un claro aumento del COP con respecto a la radiación solar así como el

aumento tanto de la eficiencia eléctrica como de la potencia producida por el panel. Queda

comprobado el doble efecto que se consigue con el sistema híbrido PV/T.

El efecto de la temperatura del agua de entrada al condensador

El COP del sistema decrece con el incremento de esta temperatura. Sin embargo no tiene

apenas efecto en la potencia generada por el panel fotovoltaico y la eficiencia eléctrica del

mismo.


43

4 ESTUDIO TEÓRICO

4.1 Caso base

Descripción general

Se presenta el sistema que va a servir de referencia en el estudio de la alternativa de

almacenamiento, de cara a poder apreciar el beneficio que se alcanza con dicha alternativa.

Se trata de un ciclo de compresión mecánica simple habitual en la producción de frío / calor,

cuyo esquema de principio está reflejado en la siguiente ilustración:

Ilustración 4.1: Esquema del ciclo de compresión mecánica simple

Donde:

Wc: Trabajo a aportar al compresor.

Qc: Calor cedido por el condensador.

Qf: Calor absorbido por el evaporador.

Las condiciones que se estudian para este caso son las siguientes:

Temperatura de condensación: 313K

Temperatura de evaporación: 273K


44

Potencia frigorífica: 1kW

Rendimiento isentrópico: 70 %

Refrigerante: R717

Este ciclo se refleja en un diagrama presión frente entalpía:

Ilustración 4.2: Diagrama del ciclo de compresión mecánica simple

En este diagrama se tienen los dos ciclos con y sin recalentamiento. En este estudio no

se tendrá en cuenta ni el recalentamiento ni el subenfriamiento.

A la hora de calcular los parámetros característicos del ciclo por kW de frío producido, es

decir, no se va a especificar en principio la demanda de potencia frigorífica que se tiene.

Para esas condiciones se calculan los parámetros característicos del ciclo, los cuales servirán

de referencia para las comparaciones posteriores. Dichos parámetros son:

- Potencia en el compresor.

- Potencia en el condensador.

- Eficiencia, EER

- Eficiencia ideal, EER de Carnot.

Modelo matemático

Para llevar a cabo el estudio del ciclo, con las características principales del mismo, se utiliza

la herramienta informática EES (Engineering Equation Solver).


45

La función básica de este software es la resolución simultánea de un sistema de ecuaciones.

Dicho programa ofrece dos grandes ventajas en la elaboración de códigos específicos de

cálculo numérico: en primer lugar el programa identifica automáticamente y agrupa las

ecuaciones que deben ser resueltas simultáneamente. Esto simplifica el proceso para el

usuario y asegura que siempre se operará con una alta eficiencia. La segunda ventaja y la

más importante, que lo hace muy apto para este tipo de estudios es la incorporación de

funciones matemáticas y de propiedades termofísicas de fluidos puros como amoníaco,

acetona, agua o refrigerantes como R404A, R410A etc.

Las variables que se toman como independientes son:

Refrigerante empleado

Temperatura de condensación

Temperatura de evaporación

Potencia frigorífica(1 kW)

Rendimiento isentrópico

Las presiones de alta y de baja vendrán determinadas por las temperaturas de condensación

y evaporación y la fracción del vapor correspondiente en cada caso.

Se dividen los cálculos en tres apartados principales:

Cálculo de propiedades termodinámicas en los puntos del ciclo

A. Entalpía1: Se calcula a partir de T1 y x1

B. Entalpía2s: A partir de pcondensación y s1

C. Entalpía2: A partir del rendimiento isentrópico

D. Entalpía3: Se calcula a partir de T3 y x3

E. Entalpía4: Suponemos que la válvula de expansión es isoentálpica, por tanto la

entalpía en 3 y en 4 será la misma.

A su vez se calcularán los volúmenes específicos en cada uno de los puntos mediante la

temperatura y la fracción del vapor.

Balances en los equipos:


46

Evaporador: QEV= mref*(h1-h2)

Condensador: QCON= mref*(h2-h3)

Compresor: QCOMP= mref*(h2-h1)

Por último se analizará también el EER y el EER de Carnot, el máximo que se podría

lograr en el ciclo, el cual solo depende de las temperaturas de condensación y de

evaporación:

EER= QEV/ WCOMP

EERCARNOT=1

𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑

𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝−1

De esta forma se logra tener todo el ciclo caracterizado, para unas condiciones de contorno

dadas.

Simulación del caso base

Se resuelve mediante el modelo de nuestro sistema base propuesto donde se tienen los

siguientes parámetros:

Tcond= 313 K

Tevap=273 K

Potencia frigorífica: 1 kW

Rendimiento isentrópico: 70%

Obteniendo los siguientes parámetros característicos del mismo:


47

Tabla 4.1 Parámetros principales del ciclo del caso base por kW de frío.

Debido a que la temperatura de evaporación dependerá de la aplicación que tenga el ciclo

frigorífico (bien a niveles de congelación, o niveles de acondicionamiento de aire), y la de

condensación dependerá de las condiciones climáticas exteriores, a continuación se realiza

un análisis paramétrico de cómo influyen estos factores en las características del ciclo:

A. Estudio de la influencia de la temperatura de condensación. Se mantiene la

temperatura de evaporación en 273 K.

En esta tabla se hace un análisis de sensibilidad frente al caso base de como varían los

parámetros del ciclo de compresión mecánica simple con la temperatura de condensación.

Entalpía punto 1 1462kJ/Kg


Entalpía punto 3 389,9 kJ/Kg


Presión de condensación 1549 kPa

Presión de evaporación 427.1 kPa

Potencia compresor 0.2469 kW/kWf

Caudal amoniaco 0.0009326 kg/s/kWf

EER 4.051

EER Carnot 6.825


48

T cond (K) Wcomp(kW/kWf) Qcond(kW/kWf) EER EER Carnot

293 0,1137 1,114 8,797 13,65

294,6 0,1234 1,123 8,102 12,65

296,2 0,1333 1,133 7,502 11,79

297,7 0,1433 1,143 6,979 11,04

299,3 0,1534 1,153 6,519 10,37

300,9 0,1637 1,164 6,111 9,787

302,5 0,174 1,174 5,746 9,263

304,1 0,1845 1,185 5,419 8,792

305,6 0,1952 1,195 5,123 8,366

307,2 0,206 1,206 4,854 7,98

308,8 0,2169 1,217 4,609 7,628

310,4 0,228 1,228 4,385 7,306

311,9 0,2393 1,239 4,179 7,009

313 0.2469 1.247 4.051 6.825

313,5 0,2507 1,251 3,989 6,736

315,1 0,2622 1,262 3,813 6,484

316,7 0,274 1,274 3,65 6,249

318,3 0,2859 1,286 3,498 6,031

319,8 0,2979 1,298 3,357 5,828

321,4 0,3102 1,31 3,224 5,638

323 0,3226 1,323 3,1 5,46

Tabla 4.2 Dependencia del EER y consumo del compresor según la temperatura de

condensación.

Analizando esta tabla, tomando como referencia las condiciones del caso base

(Tcond =313K), a temperaturas inferiores a esta la potencia del compresor disminuye y la del

condensador también, mientras si la temperatura es superior a la de referencia aumentan

ambas potencias. En el caso de la eficiencia ocurre todo lo contrario ya que se define como

la potencia frigorífica entre la potencia del compresor, la potencia frigorífica se ha fijado a

1 kW , por lo tanto cuanto más aumenta la potencia del compresor, menor es la eficiencia. De


49

igual modo disminuye el EER de Carnot, se define como el cociente de la temperatura de

evaporación y la diferencia de la temperatura de condensación menos la de evaporación. Por

lo tanto cuanto mayor es la temperatura de condensación mayor es esta diferencia y menor es

la eficiencia ideal.

Las siguientes gráficas muestran el carácter ascendente del consumo del compresor y el calor

que cede el condensador respecto de la temperatura de evaporación:

Ilustración 4.3 Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de condensación.

Ilustración 4.4 Evolución del Qcond respecto de la temperatura de condensación.

313 K; 0,2469

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

290 295 300 305 310 315 320 325

Wco

mp

(kW

Wh

f)

Tcond (K)

313 K; 1,247

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

290 295 300 305 310 315 320 325

Qco

nd

(kW

/kW

hf)

Tcond (K)


50

En ambas gráficas se ve como a medida que aumenta la temperatura de condensación

aumenta de manera lineal la potencia del compresor y la del condensador.

En la siguiente gráfica se muestra el carácter descendente del EER y del EER de Carnot con

respecto la Temperatura de condensación.

Ilustración 4.5 Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de

condensación.

En esta gráfica se analiza la eficiencia teórica y la ideal. Ambas siguen el mismo carácter

descendente pero el EER de Carnot siempre es mayor que la eficiencia teórica ya que en

esta no están contempladas las pérdidas de energía. La tendencia de estas gráficas es de una

polinómica de segundo orden.

B. Estudio de la influencia de la temperatura de evaporación. Se mantiene la temperatura

de condensación en 313 K.


parámetros del ciclo de compresión mecánica simple con la temperatura de evaporación.

313 K; 4,051

313 K; 6,825

0

2

4

6

8

10

12

14

16

290 295 300 305 310 315 320 325

EER

Tcond(K)

EER EER Carnot


51

T evap(K) Wcomp(kW/kWf) Qcond(kW/kWf) EER EER Carnot

258 0,3829 1,383 2,612 4,691

259,6 0,367 1,367 2,725 4,859

261,2 0,3516 1,352 2,844 5,038

262,7 0,3365 1,336 2,972 5,227

264,3 0,3218 1,322 3,108 5,429

265,9 0,3074 1,307 3,253 5,645

267,5 0,2934 1,293 3,409 5,875

269,1 0,2797 1,28 3,575 6,122

270,6 0,2663 1,266 3,755 6,388

272,2 0,2533 1,253 3,948 6,674

273 0.2469 1.247 4.051 6.825

273,8 0,2405 1,241 4,158 6,983

275,4 0,2281 1,228 4,385 7,317

276,9 0,2159 1,216 4,632 7,682

278,5 0,204 1,204 4,902 8,079

280,1 0,1924 1,192 5,198 8,515

281,7 0,181 1,181 5,524 8,995

283,3 0,1699 1,17 5,885 9,526

284,8 0,1591 1,159 6,287 10,12

286,4 0,1484 1,148 6,737 10,78

288 0,138 1,138 7,245 11,52


evaporación.


(Tevap =273K), a temperaturas inferiores a esta la potencia del compresor aumenta y la del

condensador también, mientras si la temperatura es superior a la de referencia disminuyen






52


lo tanto cuanto mayor es la temperatura de evaporación mayor es la eficiencia ideal.

La siguiente gráfica muestra el carácter ascendente del consumo del compresor respecto de

la temperatura de evaporación:

Ilustración 4.6 Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de evaporación.

Ilustración 4.7 Evolución del Qcond respecto de la temperatura de evaporación.

273 K; 0,2469

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

255 260 265 270 275 280 285 290

Wco

mp

(kW

/kW

hf)

Tevap(K)

273 K; 1,247

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

255 260 265 270 275 280 285 290

Qco

nd

(kW

/kW

hf)

Tevap (K)


53

En ambas gráficas se ve como a medida que aumenta la temperatura de evaporación

disminuye de manera lineal la potencia del compresor y la del condensador.

Ilustración 4.8 del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación.


ascendente pero el EER de Carnot siempre es mayor que la eficiencia teórica ya que en esta

no están contempladas las pérdidas de energía. La tendencia de estas gráficas es de una


La influencia conjunta de ambas temperaturas va a quedar definida mediante un gráfico 3D.

En él se puede observar como a medida que la temperatura de evaporación y de condensación

se acerca, el crecimiento de la eficiencia llega a ser exponencial.

273 K; 4,051

273 K; 6,825

0

2

4

6

8

10

12

14

255 260 265 270 275 280 285 290

EER

Tevap (K)

EER EER Carnot


54

Ilustración 4.9 Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y de

condensación.

La gráfica tiene una tendencia creciente. Aumentan la eficiencia a medida que aumentamos

y disminuimos la temperatura de evaporación y condensación respectivamente.

En cuanto al EER de Carnot, éste sigue la misma evolución que el EER del ciclo, como

muestra la siguiente ilustración:

290295

300305

310315

320325

255

260

265

270

275

280

285

290

0

5

10

15

20

25

30

35

40

EE

R

Tcond (K)

Tevap (K)


55

Ilustración 4.10 Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y de

condensación.

Una vez que se tiene el caso base definido y caracterizado, se prosigue proponiendo una

alternativa de almacenamiento, exponiendo las ventajas e inconvenientes principales respecto

del caso base que se quiere lograr al implementar el sistema.

4.2 Alternativa de almacenamiento.

Objetivo

Con esta alternativa se pretende conseguir una mejora en la eficiencia del proceso así como

un descenso del consumo económico de las baterías.

Descripción general

La alternativa al uso de baterías consiste en un sistema alternativo de almacenamiento de

energía. Este sistema está caracterizado por un depósito. Se coloca entre la válvula de

expansión y el evaporador.

Se distinguen dos casos en esta alternativa:

Durante el día, se tiene un funcionamiento igual que el ciclo de compresión mecánica simple

290295

300305

310315

320325

255

260

265

270

275

280

285

290

0

10

20

30

40

50

60

Tcond (K)

Tevap (K)

EE

R C

arnot


56

con la excepción que se va llenando el depósito de refrigerante (líquido).

Ilustración 4.11 Esquema de principio de la alternativa durante el día.

El funcionamiento detallado es el siguiente:

El refrigerante se comprime luego se condensada se expande y con el fluido ya condensado

y expandido se va llenando el depósito y la otra fracción del fluido pasa por el evaporador

donde se evapora y se genera el frío demandado.

Cuando no hay demanda de Sol , el funcionamiento es el siguiente:

El compresor no funciona ya que no se tiene Sol. Entonces el ciclo tiene el siguiente

funcionamiento:

Mediante una bomba, que se localiza a la salida del depósito, le llega el refrigerante al

evaporador, proporciona el frío que se le demande y el refrigerante, en estado vapor, vuelve

a introducirse en el depósito.


57

Ilustración 4.12 Esquema de principio de la alternativa durante la noche.

Las condiciones de estudio, (Tcond= 313K, Tevap=273K, Qfrig= 1kW), para este caso son

idénticas que para el caso base, donde se ha supuesto un título de vapor en el punto 7 de 1.

Igualmente se calcularán los parámetros característicos, (Wcomp, Qcond, EER y EER de

Carnot), del ciclo por kW de frío producido, es decir, no se va a especificar en principio la

demanda de potencia frigorífica que se tiene.

Por otro lado la capacidad del depósito, m3, se calculará por hora de funcionamiento, en

principio sin especificar el número de horas de funcionamiento requeridas.

Para esas condiciones se calculan los parámetros característicos del ciclo.

Modelo matemático

Para llevar a cabo el estudio de esta alternativa, con las características principales del mismo,

se utiliza el programa matemático EES.


58

Las variables independientes que se toman en este caso son:

Refrigerante empleado : R-717

Temperatura de condensación

Temperatura de evaporación

Potencia frigorífica (1 kW)

Rendimiento isentrópico

Hora de funcionamiento

Título de vapor en el punto 7

Las presiones de alta y baja vendrán determinadas por las temperaturas de condensación y

evaporación y la fracción del vapor correspondiente en cada caso.

Se dividen los cálculos en varios apartados:

Cálculo de propiedades termodinámicas en los puntos del ciclo

Balances en los equipos

Evaporador: QEV= mref*(h7-h6)

Condensador: QCON= mref*(h2-h3)

Compresor: QCOMP= mref*(h2-h1)

Cálculo del volumen específico del depósito

Se calcula mediante el primer principio de la termodinámica.

Cantidad de refrigerante que debe haber en el depósito*(∆u)=cantidad de

refrigerante que necesita el evaporador para satisfacer la demanda*(∆h)

Cálculo de la capacidad del depósito

Capacidad= gasto_total * v_final, donde v_final es el volumen específico de

la mezcla.

Por último se analizará también el EER y el EER de Carnot, el máximo que se podría

lograr en el ciclo.

De esta forma se logra tener todo el ciclo caracterizado, para unas condiciones de contorno

dadas.


59

Simulación de la alternativa de almacenamiento

Se resuelve mediante el modelo de nuestro sistema propuesto, obteniendo los siguientes

parámetros característicos del mismo:

Tabla 4.4 Parámetros principales alternativa de almacenamiento por kW de frío.

Estos resultados coinciden con los del estudio de la alternativa del uso de baterías ya que

durante el día ambas alternativas son iguales, exceptuando el arranque del compresor. En este

caso, el compresor arranca ya que hay producción de energía eléctrica, pero el refrigerante

que aspira es el que se ha almacenado durante la noche en el depósito, estado vapor, y lo

devuelve al depósito en estado líquido, para ser utilizado cuando el compresor no funcione.

En el arranque no hay producción de frío ya que el evaporador no funciona. Esto es controlado

por un sistema de válvulas. Este sistema de control no es objetivo de este estudio.

Debido a que la temperatura de evaporación dependerá de la aplicación que tenga el ciclo

frigorífico (bien a niveles de congelación, o niveles de acondicionamiento de aire), y la de

condensación dependerá de las condiciones climáticas exteriores, a continuación se realiza





Presión de condensación 1549 kPa

Presión de evaporación 427.1 kPa

Potencia compresor 0.2469 kW/kWf

Caudal amoniaco 0.0009326 kg/s/kWf

EER 4.051

EER Carnot 6.825


60

un análisis paramétrico de cómo influyen estos factores en las características del ciclo:

A. Estudio de la influencia de la temperatura de condensación. Se mantiene la

temperatura de evaporación en 273 K.


parámetros del ciclo de compresión mecánica simple con la temperatura de condensación.

T cond (K) Wcomp(kW/kWf) Qcond(kW/kWf) EER EER Carnot

293 0,1137 1,114 8,797 13,65

294,6 0,1234 1,123 8,102 12,65

296,2 0,1333 1,133 7,502 11,79

297,7 0,1433 1,143 6,979 11,04

299,3 0,1534 1,153 6,519 10,37

300,9 0,1637 1,164 6,111 9,787

302,5 0,174 1,174 5,746 9,263

304,1 0,1845 1,185 5,419 8,792

305,6 0,1952 1,195 5,123 8,366

307,2 0,206 1,206 4,854 7,98

308,8 0,2169 1,217 4,609 7,628

310,4 0,228 1,228 4,385 7,306

311,9 0,2393 1,239 4,179 7,009

313 0.2469 1.247 4.051 6.825

313,5 0,2507 1,251 3,989 6,736

315,1 0,2622 1,262 3,813 6,484

316,7 0,274 1,274 3,65 6,249

318,3 0,2859 1,286 3,498 6,031

319,8 0,2979 1,298 3,357 5,828

321,4 0,3102 1,31 3,224 5,638

323 0,3226 1,323 3,1 5,46


condensación.


61


(Tcond =313K), a temperaturas inferiores a esta la potencia del compresor disminuye y la del

condensador también, mientras si la temperatura es superior a la de referencia aumentan






lo tanto cuanto mayor es la temperatura de condensación mayor es esta diferencia y menor es

la eficiencia ideal.

Las siguientes gráficas muestran el carácter ascendente del consumo del compresor y el calor

que cede el condensador respecto de la temperatura de evaporación:

Ilustración 4.3 Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de condensación.

313 K; 0,2469

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

290 295 300 305 310 315 320 325

Wco

mp

(kW

Wh

f)

Tcond (K)


62

Ilustración 4.4 Evolución del Qcond respecto de la temperatura de condensación.

En ambas gráficas se ve como a medida que aumenta la temperatura de condensación

aumenta de manera lineal la potencia del compresor y la del condensador.

En la siguiente gráfica se muestra el carácter descendente del EER y del EER de Carnot con

respecto la Temperatura de condensación.

Ilustración 4.5 Evolución del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de

condensación.

313 K; 1,247

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

290 295 300 305 310 315 320 325

Qco

nd

(kW

/kW

hf)

Tcond (K)

313 K; 4,051

313 K; 6,825

0

2

4

6

8

10

12

14

16

290 295 300 305 310 315 320 325

EER

Tcond(K)

EER EER Carnot


63


descendente pero el EER de Carnot siempre es mayor que la eficiencia teórica ya que en esta



B. Estudio de la influencia de la temperatura de evaporación. Se mantiene la temperatura

de condensación en 313 K.


parámetros del ciclo de compresión mecánica simple con la temperatura de evaporación.

T evap(K) Wcomp(kW/kWf) Qcond(kW/kWf) EER EER Carnot

258 0,3829 1,383 2,612 4,691

259,6 0,367 1,367 2,725 4,859

261,2 0,3516 1,352 2,844 5,038

262,7 0,3365 1,336 2,972 5,227

264,3 0,3218 1,322 3,108 5,429

265,9 0,3074 1,307 3,253 5,645

267,5 0,2934 1,293 3,409 5,875

269,1 0,2797 1,28 3,575 6,122

270,6 0,2663 1,266 3,755 6,388

272,2 0,2533 1,253 3,948 6,674

273 0.2469 1.247 4.051 6.825

273,8 0,2405 1,241 4,158 6,983

275,4 0,2281 1,228 4,385 7,317

276,9 0,2159 1,216 4,632 7,682

278,5 0,204 1,204 4,902 8,079

280,1 0,1924 1,192 5,198 8,515

281,7 0,181 1,181 5,524 8,995

283,3 0,1699 1,17 5,885 9,526

284,8 0,1591 1,159 6,287 10,12

286,4 0,1484 1,148 6,737 10,78

288 0,138 1,138 7,245 11,52


64


evaporación.


(Tevap =273K), a temperaturas inferiores a esta la potencia del compresor aumenta y la del

condensador también, mientras si la temperatura es superior a la de referencia disminuyen






lo tanto cuanto mayor es la temperatura de evaporación mayor es la eficiencia ideal.

La siguiente gráfica muestra el carácter ascendente del consumo del compresor respecto de

la temperatura de evaporación:

Ilustración 4.6 Evolución del Wcomp respecto de la temperatura de evaporación.

273 K; 0,2469

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

255 260 265 270 275 280 285 290

Wco

mp

(kW

/kW

hf)

Tevap(K)


65

Ilustración 4.7 Evolución del Qcond respecto de la temperatura de evaporación.

En ambas gráficas se ve como a medida que aumenta la temperatura de evaporación

disminuye de manera lineal la potencia del compresor y la del condensador.

Ilustración 4.8 del EER y del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación.

273 K; 1,247

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

255 260 265 270 275 280 285 290

Qco

nd

(kW

/kW

hf)

Tevap (K)

273 K; 4,051

273 K; 6,825

0

2

4

6

8

10

12

14

255 260 265 270 275 280 285 290

EER

Tevap (K)

EER EER Carnot


66


ascendente pero el EER de Carnot siempre es mayor que la eficiencia teórica ya que en esta



Cálculo del volumen específico del depósito

En la alternativa de acumulación de energía se utiliza un depósito de acero inoxidable que

soporte bajas presiones.

Ilustración 4.19 Depósito de R717

Para dimensionar dicho depósito se estudian varios parámetros:

Cantidad de refrigerante que necesita el evaporador para satisfacer la demanda.

Cantidad de refrigerante que debe haber en el depósito. Se le incrementa un 15% más

por lo que se deja en el depósito y lo que se queda en las tuberías.

Mediante el primer principio de la termodinámica se calcula el volumen específico final que

debe haber en el depósito.

La situación inicial sería:

Entrada del amoníaco en estado líquido (título de vapor igual a cero), a la temperatura de

evaporación.

La situación final se calcula de la siguiente manera:

http://1.bp.blogspot.com/-RJIDfeaZZb4/U1DwzGe2KXI/AAAAAAAABLA/tCRiqnzyt5A/s1600/DSC_1717.JPG


67

Cantidad de refrigerante que debe haber en el depósito*(∆u)=cantidad de refrigerante que

necesita el evaporador para satisfacer la demanda*(∆h)

A partir de la energía interna final se calcula el título de vapor final y el volumen específico

final de la mezcla.

El volumen que debe tener este depósito se obtiene de multiplicar la cantidad de refrigerante

que debe de haber en el depósito por el volumen específico final que se obtiene.

Para la alternativa que se estudia se obtienen los siguientes resultados (se han calculado para

un kWh de frío y Tevap=273K y Tcond=313K):

Capacidad: 1.082 m3/kWhf

Cantidad de refrigerante que tiene que tener el depósito: 3.861 kg

Título de vapor final: 0.9638

Volumen específico final: 0.2803 m3/kg/kWhf

Beneficios e inconvenientes del almacenamiento.

Beneficios del almacenamiento

El almacenamiento con depósito: durante el día se carga, y por la noche desacoplo el

compresor y el condensador del ciclo de compresión mecánica simple.

Se reduce el campo solar debido al menor consumo del compresor.

Inconvenientes principales

Tamaño del depósito: debido a que el refrigerante se encuentra en fase líquido vapor, teniedo

un volumen específico alto, el tamaño del depósito puede llegar a ser demasiado grande.

Costes de la instalación: el refrigerante almacenado tiene un coste elevado y se debe

almacenar un gran volumen del mismo. Además de los costes adicionales que supone la

instalación del depósito.

Aunque en este caso no todo son desventajas, ya que, al contrario de las baterías, las cuales

una vez finalizan su uso suelen tener un valor residual nulo, el refrigérate mantendría, a priori,

su valor en el mercado pudiendo recuperar toda o parte de la inversión inicial desarrollada.


68

Cabe destacar la importancia de las horas de funcionamiento del sistema en el diseño, que

van a ser clave en la determinación del tamaño del depósito. A más horas de funcionamiento,

mayor depósito.

Análisis del proceso

Con el análisis del caso base se aprecia cómo a medida que la temperatura de condensación

y de evaporación se acercan se logra aumentar la eficiencia.

La temperatura de condensación depende de las condiciones climáticas del lugar y del

momento en el que condensa, y la temperatura de evaporación tiene una dependencia clara

con la aplicación que vaya a tener el ciclo de producción de frío. Es por esto que se realiza un

análisis de cómo dependen los posibles tamaños del depósito, de las condiciones del ciclo, e

cuanto a temperatura de condensación y evaporación.

En el análisis de la alternativa se tienen los siguientes parámetros característicos del ciclo:

Potencia frigorífica: 1kW

Refrigerante: R717


Horas de funcionamiento:1h

Este análisis de la alternativa se realizará por kWh de frío, esto es, se quiere saber cuánta es

la influencia en el tamaño del depósito y en los consumos de los equipos con independencia

de la demanda de frigorífica que se tenga (ya que, a priori, no se tiene conocimientos de ella

y es genérica) y de las horas de funcionamiento (las cuales variarán según la aplicación).

4.3 Influencia de la acumulación en instalaciones fotovoltaicas

Ciclo de compresión mecánica simple y energía solar fotovoltaica

En los ciclos de compresión mecánica simple solo hay un elemento consumidor de energía

eléctrica: el compresor.

El compresor demanda una energía eléctrica que, en la mayoría de los casos, es satisfecha por


69

energía eléctrica procedente de la red. Sin embargo, también existen otras fuentes para

conseguir satisfacer la demanda, como son las energías renovables.

En este caso se elige la energía solar fotovoltaica. A través de esta energía renovable,

acoplándola al ciclo de compresión mecánica simple, se consigue obtener la energía eléctrica

suficiente para accionar el compresor.

El principal problema que presenta el sistema fotovoltaico es que sólo se logra la energía

eléctrica en presencia de energía solar, es decir, durante el día y muchas veces no de manera

continua. Si se quiere desacoplar la oferta de la demanda, debido al carácter fluctuante de la

energía, se tiene que introducir un nuevo elemento a la instalación, la batería.

Las baterías almacenan la energía eléctrica, siendo capaces de satisfacer la demanda en

instantes en los que no hay energía solar. Sin embargo, la eficiencia de estas baterías es muy

baja y se pierde una gran parte de la eficiencia por el camino. El tipo de baterías que se suelen

usar en las instalaciones fotovoltaicas son las de plomo ácido, en vasos individuales de 2V

cada uno.

Se pretende solucionar dicho problema de eficiencia de las baterías mediante el

almacenamiento dentro del ciclo de compresión mecánica, que ha sido desarrollado durante

este texto. En este apartado se realiza un estudio de cómo y en qué condiciones compensa

introducir los depósitos de almacenamiento de refrigerante, en lugar de las baterías.

En referencia al caso base inicial, dónde aún no presenta almacenamiento de refrigerante, el

sistema que se plantea es el siguiente:


70

Ilustración 4.21 Esquema de principio del caso base con sistema de energía fotovoltaica

acoplado.

En este caso el proceso que se sigue es el siguiente:

- Demanda diurna: el sistema fotovoltaico a través de la energía solar proporciona la

energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del ciclo. Durante las posibles

fluctuaciones de energía solar, será la batería la que proporcione la energía.

- Demanda nocturna: debido a que la energía solar no se puede aprovechar por la noche

será la batería la que satisfaga la demanda nocturna de refrigeración.

A partir de este caso base, se estudiará la alternativa propuesta anteriormente, comparando

los beneficios de introducir batería respecto de los beneficios por introducir los depósitos de

almacenamiento de refrigerante.

Al introducir los depósitos de almacenamiento, se producen dos grandes ventajas:

- Se eliminan las baterías, luego se eliminan la gran pérdida de eficiencia que se

produce por almacenamiento de energía eléctrica. Esto trae como resultado una

disminución del número de paneles necesarios, y por tanto, de m2 de paneles

fotovoltaicos a instalar.

- Al introducir el almacenamiento se consigue un aumento de eficiencia, lo que hace


71

que el consumo del compresor sea menor. Esto trae como consecuencia directa una

nueva disminución del número de paneles necesario, y por tanto, de m2 de instalación

solar.

Lo que se va a calcular es la reducción de la superficie que supone introducir los depósitos de

almacenamiento frente a la introducción de las baterías.

Para ello, las hipótesis que se establecen son:

- Se emplearán módulos fotovoltaicos de silicio cristalino de rendimiento del 15%.

- Rendimiento de carga de las baterías: 0.8

- Rendimiento de descarga de las baterías: 0.8

- Profundidad de descarga de las baterías: 0.75

- Rendimiento del inversor: 0.9

- Autonomía de las baterías: 5 días

- Tensión de las baterías: 24V

Lo primero que se estudia es el caso base, en el cual se incorpora las instalación fotovoltaica

con las baterías. Este estudio se va a llevar a cabo según tres diferentes valores de radiación

global solar incidente sobre el plano del panel fotovoltaico, debido a que este valor fluctúa

según la época del año, la localización y la hora del día.

3 kWh/m2día

5 kWh/m2día

7 kWh/m2día

Puesto que la de radiación global solar incidente sobre el plano del panel fotovoltaico se suele

situar entre 3 – 7 kWh/m2día, se tendrá delimitado y definido totalmente el incremento de

superficie respecto de la radiación solar.

Los parámetros que se van a estudiar son los siguientes:

- Energía eléctrica que necesita el compresor: 𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝 =𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔

𝐸𝐸𝑅 (Whe)


72

- Capacidad de las baterías: Es la capacidad que tienen que tener las baterías para poder

almacenar la energía requerida. Se calcula como:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝∗𝑁

𝜂𝑑𝑏∗𝜂𝑖𝑛𝑣∗𝐷𝑂𝐷 (Ah)

- Energía neta de las baterías: Energía que tiene que almacenar la batería para satisfacer

la energía que consume el compresor para producir 1000 Whf.

𝐸𝑛𝑒𝑡𝑎 =𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝

𝜂𝑐𝑏∗𝜂𝑖𝑛𝑣 (Whe)

- La energía que tiene que dar el campo solar para producir 1000 Whf:

𝐸𝑐. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 =𝐸𝑐𝑜𝑚𝑝

𝜂𝑑𝑏∗𝜂𝑐𝑏∗𝜂𝑖𝑛𝑣 (Whe)

- La superficie del campo solar se calcula para tres valores de radiación global solar

incidente sobre el plano del panel fotovoltaico. Se ha supuesto un rendimiento del

módulo del 15% por lo cual 1 m2 de superficie equivale a 150 Wp en condiciones

estándar. Para saber cuántos metros cuadrados se necesitan para 1000 Whe se ha

hecho la siguiente operación:

Para 3kWh/m2día: 3*150= 450Whe equivalen a 1 m2 por lo tanto 1000Whe

equivalen a 2.22m2.


equivalen a 1.33m2


equivalen a 0.95m2.

Para calcular el campo solar que se necesita para la demanda eléctrica que requiere el

compresor se ha multiplicado los valores anteriores por los vatios hora eléctricos que

suministra el campo solar

Las condiciones para el estudio del caso base, en el caso de la aplicación para

climatización son las siguientes:

Temperatura de condensación: 313 K

Temperatura de evaporación: 283 K


73



Refrigerante: R717

Horas de funcionamiento: 1h

Con dichas condiciones, los parámetros principales de la instalación fotovoltaica son:

EER 5.822

Consumo compresor (Whe/kWhf) 171.8

Capacidad de la batería (Ah/kWhf) 66.27

Energía neta de la batería(Whe/kWhf) 238.56

Whe fotovoltaico con baterías 298.20

Superficie instalación fotovoltaica(m2/kWhf) Para: 3 kWh/ m2 día 0,66



Tabla 4.7 Parámetros principales del caso base con instalación fotovoltaica, para

aplicación climatización y según diferentes energías del panel.

Las condiciones para el estudio del caso base, en el caso de la aplicación para frío

son las siguientes:





Refrigerante: R717



74


EER 3,463

Consumo compresor (Whe/kWhf) 288,77

Capacidad de la batería (Ah/kWhf) 111,41

Energía neta de la batería(Whe/kWhf) 401,07

Whe fotovoltaico con baterías 501,33





aplicación frío y según diferentes energías del panel.

Las condiciones para el estudio del caso base, en el caso de la aplicación para

congelación son las siguientes:





Refrigerante: R717




75

EER 2.13

Consumo compresor (Whe/kWhf) 469.70

Capacidad de la batería (Ah/kWhf) 181.20

Energía neta de la batería(Whe/kWhf) 652.37

Whe fotovoltaico con baterías 815.46

Superficie instalación fotovoltaica(m2/kWhf) Para: 3 kWh/ m2 día 1.81




aplicación congelación y según diferentes energías del panel.

A continuación se van a comparar las dos formas de almacenamiento de energía, una, por un

lado, es un almacenamiento de energía eléctrica (batería), mientras que la otra es un

almacenamiento de energía térmica (depósito de refrigerante).

Alternativa de almacenamiento y energía solar fotovoltaica.

Se acopla el sistema fotovoltaico al sistema con el depósito de almacenamiento. El esquema

de principio viene dado por:


76

Ilustración 4.22 Esquema de principio de la alternativa con sistema fotovoltaico.

El beneficio de esta alternativa es la eliminación de las baterías con la siguiente reducción del

campo solar al evitar las pérdidas energéticas de las baterías en su proceso de carga y

descarga.

El compresor queda accionado durante el día por la instalación fotovoltaica, pudiendo

producir frío y/o cargar el depósito.

Durante la noche el depósito es que se encarga de completar el ciclo para la generación de

frío, descargando y cargando a su vez en el depósito.

Las siguientes tablas y gráficas muestran la evolución de dicha reducción en la producción

de frío nocturno, según la propia temperatura de condensación, tanto para climatización como

para congelación. Se vuelve a realizar los estudios para una radiación global solar incidente

sobre el plano del panel fotovoltaico de 3, 5 y 7 kWh/m2día.

Todos los resultados de reducción de campo solarse han calculado respecto al campo solar

en la alternativa de baterías para una temperatura de condensación de 313K.


77

A) CLIMATIZACIÓN

Los resultados de los análisis recogidos en la siguiente tabla son los correspondientes a

una radiación global solar incidente sobre el plano del panel fotovoltaico promedio de 5

kWh/m2día. Las correspondientes a los otros dos niveles de energía se encuentra en el

apartado 5 (Análisis de resultados).

T_cond EER Ecomp (Whe)

Whe fotovoltaico

Superficie campo

solar(m^2) ∆S (m2) ∆S (%)

288 38,59 25,91 28,79 0,04 0,36 90,34

289,8 28,24 35,41 39,35 0,05 0,35 86,81

291,6 22,21 45,02 50,03 0,07 0,33 83,22

293,4 18,25 54,79 60,88 0,08 0,32 79,58

295,1 15,46 64,68 71,87 0,10 0,30 75,90

296,9 13,39 74,68 82,98 0,11 0,29 72,17

298,7 11,78 84,89 94,32 0,13 0,27 68,37

300,5 10,5 95,24 105,82 0,14 0,26 64,51

302,3 9,464 105,66 117,40 0,16 0,24 60,63

304,1 8,6 116,28 129,20 0,17 0,23 56,67

305,9 7,871 127,05 141,17 0,19 0,21 52,66

307,6 7,248 137,97 153,30 0,20 0,19 48,59

309,4 6,709 149,05 165,62 0,22 0,18 44,46

311,2 6,238 160,31 178,12 0,24 0,16 40,27

313 5,822 171,76 190,85 0,25 0,14 36,00

Tabla 4.10 Parámetros característicos de reducción de superficie del campo solar respecto la

temperatura de condensación, para climatización y energía del panel de 5 kWh/m2dia.

A medida que la temperatura de condensación aumenta le eficiencia es menor ya que hay

más diferencia entre la temperatura de evaporación y condensación. Al disminuir la

eficiencia, el compresor demanda más energía eléctrica por lo tanto el campo solar tiene que

dar más energía y por ello aumenta su tamaño.

La reducción de superficie se ha hecho respecto al caso de uso de baterías para una

temperatura de condensación de 313 K. Tabla 4.7

La evolución de la reducción de superficie que se tiene al incorporar el depósito es la misma,

en porcentaje, para los tres niveles de energía de los paneles analizados, y es la que sigue:


78

Ilustración 4.23 Evolución de la reducción de la superficie del campo solar según la

temperatura de condensación, para aplicación de climatización, respecto a una temperatura

de condensación de 313 K.

La evolución de la reducción del campo solar tiene una tendencia decreciente conforme

aumenta la temperatura de condensación.

La reducción del campo solar es del 36%, es decir, un 36 por ciento menor que en el caso

del uso de baterías.

B) FRÍO

Los datos, correspondientes a 5 kWh/m2dia de energía del panel, se recogen en la

siguiente tabla:

313; 36,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

285 290 295 300 305 310 315

ΔS

(%)

Tcond (K)


79

T_cond EER Ecomp (Whe) Whe

fotovoltaico

Superficie campo

solar(m^2) ∆ S (m2) ∆S (%)

283 11,75 85,11 94,56 0,13 0,54 81,14

285,1 10,19 98,14 109,04 0,15 0,52 78,25

287,3 8,983 111,32 123,69 0,16 0,50 75,33

289,4 8,017 124,73 138,59 0,18 0,48 72,35

291,6 7,226 138,39 153,77 0,21 0,46 69,33

293,7 6,567 152,28 169,20 0,23 0,44 66,25

295,9 6,01 166,39 184,88 0,25 0,42 63,12

298 5,533 180,73 200,82 0,27 0,40 59,94

300,1 5,119 195,35 217,06 0,29 0,38 56,70

302,3 4,757 210,22 233,57 0,31 0,36 53,41

304,4 4,437 225,38 250,42 0,33 0,33 50,05

306,6 4,153 240,79 267,54 0,36 0,31 46,63

308,7 3,899 256,48 284,97 0,38 0,29 43,16

310,9 3,67 272,48 302,76 0,40 0,26 39,61

313 3,463 288,77 320,85 0,43 0,24 36,00


temperatura de condensación, para frío y energía del panel de 5 kWh/m2dia.

La siguiente ilustración muestra la evolución del porcentaje de la reducción del campo solar.


temperatura de condensación, para aplicación de frío, respecto a una temperatura de

condensación de 313K.

313; 36,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

280 285 290 295 300 305 310 315

ΔS

(%)

Tcond (K)


80

Se puede apreciar cómo cuando la aplicación es de climatización la reducción de superficie

de la instalación fotovoltaica es mayor que en el caso del frío, aunque tampoco difieren en

gran medida.

C) CONGELACIÓN

Los datos, correspondientes a 5 kWh/m2dia de energía del panel, se recogen en la

siguiente tabla:

T_cond EER Ecomp (kWhe)

kWhe fotovoltaico

Superficie campo solar(m^2)

∆ S (m2) ∆S (%)

283 4,62 216,45 240,50 0,32 0,77 70,51

285,1 4,30 232,56 258,40 0,34 0,74 68,31

287,3 4,02 248,94 276,60 0,37 0,72 66,08

289,4 3,77 265,60 295,12 0,39 0,69 63,81

291,6 3,54 282,57 313,96 0,42 0,67 61,50

293,7 3,34 299,76 333,07 0,44 0,64 59,16

295,9 3,15 317,36 352,62 0,47 0,62 56,76

298 2,98 335,23 372,48 0,50 0,59 54,32

300,1 2,83 353,36 392,62 0,52 0,56 51,85

302,3 2,69 371,89 413,21 0,55 0,54 49,33

304,4 2,56 390,78 434,20 0,58 0,51 46,75

306,6 2,44 409,84 455,37 0,61 0,48 44,16

308,7 2,33 429,55 477,28 0,64 0,45 41,47

310,9 2,23 449,44 499,38 0,67 0,42 38,76

313 2,13 469,70 521,89 0,70 0,39 36,00


temperatura de condensación, para congelación y energía del panel de 5 kWh/m2dia.

La evolución del porcentaje de reducción de superficie del campo solar es la misma para los

tres niveles de radiación global solar incidente sobre el plano del panel fotovoltaico. La

siguiente ilustración muestra como es dicha evolución.


81


temperatura de condensación, para aplicación de congelación, respecto una temperatura de

condensación de 313 K.

Se comprueba que el hecho de introducir el depósito de almacenamiento además del acople

del sistema fotovoltaica produce grandes ventajas en cuanto al control del sistema y reducción

del campo solar.

313; 36,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

55,00

60,00

65,00

70,00

75,00

280 285 290 295 300 305 310 315

ΔS

(%)

Tcond (K)


82

5 ANÁLISIS DE RESULTADOS

5.1 Resultado del estudio de gráficas en 3D

EER y EER de Carnot

Para la realización de las gráficas 4.9 y 4.10 se han construido una tabla de resultados del

EER y EER de Carnot respecto de la temperatura de condensación y evaporación. Se

muestran en las siguientes tablas:


82

Tevap/cond 293 294,6 296,2 297,7 299,3 300,9 302,5 304,1 305,6 307,2 308,8 310,4 311,9 313,5 315,1 316,7 318,3 319,8 321,4 323

258 4,469 4,246 4,041 3,864 3,69 3,528 3,379 3,379 3,117 2,995 2,881 2,773 2,678 2,583 2,492 2,407 2,326 2,254 2,181 2,111

259,6 4,741 4,495 4,27 4,077 3,886 3,711 3,549 3,549 3,266 3,135 3,012 2,897 2,795 2,693 2,597 2,506 2,42 2,344 2,266 2,193

261,2 5,04 4,767 4,52 4,308 4,1 3,908 3,732 3,732 3,426 3,285 3,153 3,029 2,92 2,811 2,708 2,611 2,52 2,439 2,356 2,278

262,7 5,37 5,067 4,794 4,56 4,331 4,122 3,93 3,93 3,598 3,445 3,303 3,17 3,053 2,936 2,826 2,723 2,626 2,539 2,452 2,369

264,3 5,737 5,399 5,095 4,836 4,584 4,355 4,145 4,145 3,784 3,618 3,464 3,321 3,195 3,07 2,952 2,841 2,737 2,645 2,552 2,464

265,9 6,147 5,767 5,427 5,14 4,861 4,609 4,378 4,378 3,984 3,804 3,637 3,482 3,347 3,212 3,086 2,967 2,856 2,758 2,659 2,565

267,5 6,608 6,178 5,796 5,475 5,166 4,887 4,633 4,633 4,201 4,005 3,824 3,656 3,51 3,364 3,228 3,101 2,982 2,877 2,772 2,672

269,1 7,13 6,641 6,209 5,848 5,503 5,192 4,912 4,912 4,437 4,223 4,025 3,843 3,685 3,528 3,381 3,245 3,117 3,004 2,891 2,785

270,6 7,726 7,164 6,673 6,265 5,877 5,53 5,218 5,218 4,695 4,459 4,244 4,045 3,873 3,703 3,545 3,398 3,26 3,14 3,019 2,905

272,2 8,412 7,762 7,198 6,734 6,295 5,906 5,557 5,557 4,977 4,718 4,481 4,264 4,077 3,892 3,721 3,562 3,414 3,284 3,154 3,033

273,8 9,213 8,451 7,797 7,265 6,765 6,325 5,934 5,934 5,287 5,001 4,74 4,503 4,298 4,096 3,91 3,738 3,579 3,439 3,299 3,169

275,4 10,16 9,253 8,488 7,871 7,298 6,796 6,354 6,354 5,631 5,312 5,024 4,763 4,538 4,318 4,115 3,929 3,755 3,605 3,454 3,314

276,9 11,29 10,2 9,293 8,57 7,906 7,33 6,827 6,827 6,012 5,656 5,336 5,047 4,8 4,559 4,337 4,134 3,946 3,783 3,62 3,469

278,5 12,66 11,33 10,24 9,384 8,606 7,94 7,362 7,362 6,438 6,038 5,681 5,36 5,087 4,821 4,579 4,357 4,152 3,975 3,799 3,636

280,1 14,38 12,71 11,38 10,35 9,423 8,642 7,974 7,974 6,917 6,466 6,065 5,706 5,403 5,109 4,842 4,599 4,375 4,182 3,992 3,815

281,7 16,57 14,43 12,76 11,5 10,39 9,461 8,678 8,678 7,459 6,946 6,493 6,09 5,752 5,426 5,131 4,863 4,618 4,407 4,199 4,008

283,3 19,48 16,63 14,48 12,9 11,54 10,43 9,498 9,498 8,079 7,49 6,974 6,52 6,14 5,776 5,448 5,152 4,883 4,651 4,425 4,216

284,8 23,51 19,53 16,68 14,65 12,95 11,58 10,47 10,47 8,793 8,111 7,52 7,002 6,573 6,165 5,799 5,47 5,173 4,918 4,67 4,442

286,4 29,48 23,57 19,59 16,89 14,7 12,99 11,62 11,62 9,625 8,827 8,142 7,549 7,061 6,599 6,189 5,822 5,492 5,211 4,937 4,688

288 39,22 29,53 23,62 19,85 16,94 14,74 13,04 13,04 10,61 9,661 8,86 8,173 7,613 7,088 6,624 6,213 5,844 5,532 5,23 4,956

Tabla 5.1 Evolución del EER respecto de la temperatura de evaporación y de condensación.


83

Tevap/Tcond 293 294,6 296,2 297,7 299,3 300,9 302,5 304,1 305,6 307,2 308,8 310,4 311,9 313,5 315,1 316,7 318,3 319,8 321,4 323

258 7,371 7,049 6,754 6,499 6,247 6,014 5,798 5,597 5,42 5,244 5,079 4,924 4,787 4,649 4,518 4,395 4,279 4,175 4,069 3,969

259,6 7,767 7,412 7,088 6,809 6,535 6,282 6,048 5,83 5,64 5,451 5,274 5,108 4,961 4,814 4,675 4,544 4,421 4,31 4,199 4,093

261,2 8,202 7,809 7,453 7,147 6,847 6,571 6,317 6,082 5,876 5,672 5,482 5,304 5,147 4,989 4,841 4,702 4,57 4,453 4,335 4,223

262,7 8,682 8,246 7,852 7,515 7,186 6,885 6,608 6,352 6,13 5,909 5,704 5,512 5,344 5,176 5,018 4,869 4,729 4,604 4,479 4,36

264,3 9,215 8,728 8,29 7,917 7,555 7,225 6,922 6,644 6,402 6,163 5,942 5,735 5,555 5,374 5,205 5,046 4,896 4,764 4,63 4,504

265,9 9,81 9,263 8,774 8,36 7,96 7,596 7,264 6,96 6,697 6,437 6,197 5,974 5,78 5,585 5,404 5,234 5,074 4,933 4,79 4,656

267,5 10,48 9,86 9,311 8,849 8,404 8,002 7,636 7,303 7,015 6,733 6,472 6,231 6,021 5,811 5,616 5,434 5,263 5,112 4,96 4,817

269,1 11,24 10,53 9,911 9,392 8,895 8,448 8,044 7,677 7,362 7,053 6,769 6,507 6,279 6,053 5,843 5,647 5,463 5,302 5,14 4,987

270,6 12,1 11,29 10,58 9,998 9,44 8,941 8,492 8,086 7,739 7,401 7,09 6,805 6,558 6,313 6,086 5,875 5,677 5,504 5,331 5,168

272,2 13,09 12,16 11,35 10,68 10,05 9,488 8,987 8,536 8,153 7,78 7,44 7,128 6,859 6,593 6,347 6,119 5,906 5,72 5,534 5,36

273,8 14,25 13,16 12,22 11,45 10,73 10,1 9,536 9,033 8,607 8,195 7,82 7,478 7,184 6,895 6,628 6,38 6,151 5,951 5,751 5,564

275,4 15,62 14,32 13,22 12,33 11,51 10,79 10,15 9,584 9,109 8,651 8,237 7,861 7,538 7,222 6,931 6,662 6,414 6,198 5,982 5,781

276,9 17,25 15,69 14,38 13,35 12,39 11,56 10,84 10,2 9,666 9,154 8,695 8,279 7,924 7,577 7,259 6,967 6,697 6,463 6,23 6,014

278,5 19,24 17,33 15,76 14,53 13,41 12,45 11,62 10,89 10,29 9,714 9,2 8,738 8,346 7,964 7,615 7,296 7,003 6,748 6,496 6,263

280,1 21,72 19,32 17,4 15,92 14,59 13,47 12,51 11,67 10,99 10,34 9,762 9,246 8,81 8,388 8,004 7,654 7,334 7,056 6,783 6,53

281,7 24,89 21,81 19,41 17,59 15,99 14,66 13,53 12,57 11,78 11,04 10,39 9,809 9,322 8,854 8,43 8,044 7,693 7,39 7,092 6,818

283,3 29,09 24,99 21,9 19,62 17,66 16,06 14,73 13,59 12,68 11,83 11,09 10,44 9,892 9,368 8,897 8,472 8,085 7,753 7,428 7,128

284,8 34,92 29,19 25,08 22,15 19,7 17,74 16,13 14,79 13,72 12,74 11,89 11,14 10,53 9,939 9,414 8,941 8,513 8,148 7,792 7,465

286,4 43,54 35,02 29,29 25,39 22,24 19,78 17,81 16,2 14,93 13,78 12,8 11,94 11,24 10,58 9,987 9,459 8,985 8,581 8,188 7,83

288 57,6 43,64 35,12 29,69 25,49 22,33 19,86 17,89 16,36 15 13,85 12,86 12,05 11,29 10,63 10,03 9,505 9,057 8,623 8,229

Tabla 5.2 Evolución del EER de Carnot respecto de la temperatura de evaporación y de condensación.


84

5.2 Estudio del sistema acoplado con fotovoltaica, uso de baterías.

En este apartado se incluyen los análisis que se realizaron para estudiar el sistema acoplado

con energía fotovoltaica. En las tablas que se muestran a continuación se ve un análisis

detallado de todas las variables estudiadas del campo solar. Este estudio se hace para tres

casos de radiación global solar incidente sobre el plano del panel fotovoltaico, 3,5 y 7

kW/m2día.

Este estudio se realiza para las tres aplicaciones estudiadas:

Climatización: Se fija una temperatura de evaporación de 283 K y se hace variar la

temperatura de condensación en un rango de 288 a 313 K.

Se calculan los siguientes parámetros:

- EER

- Energía eléctrica que necesita el compresor para satisfacer la demanda en

cada caso.

- Capacidad, energía neta y tamaño de las baterías.

- Los Vatios horas eléctricos que tiene que proporcionar el campo solar.

- La superficie de campo solar para los distintos casos de radiación global solar

incidente sobre el plano del panel fotovoltaico.

Frío: Se fija una temperatura de evaporación de 268 K y se hace variar la temperatura

de condensación en un rango de 283 a 313 K.

Se calculan los mismos parámetros que en el caso anterior.

Congelación: Se fija una temperatura de evaporación de 250 K y se hace variar la

temperatura de condensación en un rango de 283 a 313 K.

Se calculan los mismos parámetros que en los casos de climatización y frío.

A continuación se muestran las tres tablas de resultados:


85

Superficie campo solar(m2 )

T_cond EER

Ecomp

(Whe)/

kWhf

Capbat

(Ah)

/kWhf

Enetabat

(Whe)

/kWhf

Whe_fv

con

baterias

3

kWh/m2

dia

5

kWh/m2

dia

7

kWh/m2

dia

288 38,59 25,91 10,00 35,99 44,99 0,10 0,06 0,04

289,3 30,73 32,54 12,55 45,20 56,50 0,13 0,08 0,05

290,5 25,48 39,25 15,14 54,51 68,14 0,15 0,09 0,06

291,8 21,74 46,00 17,75 63,89 79,86 0,18 0,11 0,08

293 18,93 52,83 20,38 73,37 91,71 0,20 0,12 0,09

294,3 16,75 59,70 23,03 82,92 103,65 0,23 0,14 0,10

295,5 15 66,67 25,72 92,59 115,74 0,26 0,15 0,11

296,8 13,57 73,69 28,43 102,35 127,94 0,28 0,17 0,12

298 12,38 80,78 31,16 112,19 140,24 0,31 0,19 0,13

299,3 11,37 87,95 33,93 122,15 152,69 0,34 0,20 0,15

300,5 10,5 95,24 36,74 132,28 165,34 0,37 0,22 0,16

301,8 9,756 102,50 39,55 142,36 177,95 0,40 0,24 0,17

303 9,1 109,89 42,40 152,63 190,78 0,42 0,25 0,18

304,3 8,522 117,34 45,27 162,98 203,72 0,45 0,27 0,19

305,5 8,008 124,88 48,18 173,44 216,80 0,48 0,29 0,21

306,8 7,548 132,49 51,11 184,01 230,01 0,51 0,31 0,22

308 7,134 140,17 54,08 194,69 243,36 0,54 0,32 0,23

309,3 6,759 147,95 57,08 205,49 256,86 0,57 0,34 0,24

310,5 6,419 155,79 60,10 216,37 270,46 0,60 0,36 0,26

311,8 6,108 163,72 63,16 227,39 284,24 0,63 0,38 0,27

313 5,822 171,76 66,27 238,56 298,20 0,66 0,40 0,28

Tabla 5.4 Parámetros característicos del estudio acoplado con fotovoltaica, uso de baterías.

Climatización.

Haciendo un análisis de la tabla se ve como todas las variables dependen del EER que este a

la vez depende de la temperatura. A medida que disminuye el EER aumenta la energía que

necesita el compresor, esto es debido al salto de temperaturas entre el condensador y el

evaporador es mayor. Al necesitar más energía las baterías también aumentan al necesitar

almacenar mayor cantidad de energía. El campo solar tiene que ser mayor cuanto mayor es

la demanda del compresor. Conforme mayor es la radiación global solar incidente sobre el

plano del panel fotovoltaico, se necesita más metros cuadrados de este.

Este análisis es válido para las tres aplicaciones.


86


T_cond EER Ecomp

(Whe)/kWhf

Capbat

(Ah)

/kWhf

Enetabat

(Whe)

/kWhf

Tambat

(Whe)

/kWhf

Whe_fv

con

baterias

3

kWh/m2

dia

5

kWh/m2

dia

7

kWh/m2

dia

283 11,8 85,11 32,83 118,20 157,60 147,75 0,33 0,20 0,14

284,5 10,6 94,16 36,33 130,78 174,37 163,48 0,36 0,22 0,16

286 9,67 103,37 39,88 143,57 191,43 179,46 0,40 0,24 0,17

287,5 8,88 112,65 43,46 156,46 208,61 195,57 0,43 0,26 0,19

289 8,19 122,04 47,08 169,50 226,00 211,88 0,47 0,28 0,20

290,5 7,6 131,53 50,74 182,68 243,57 228,35 0,51 0,30 0,22

292 7,09 141,14 54,45 196,03 261,38 245,04 0,54 0,33 0,23

293,5 6,63 150,88 58,21 209,55 279,40 261,94 0,58 0,35 0,25

295 6,22 160,72 62,01 223,22 297,63 279,03 0,62 0,37 0,27

296,5 5,86 170,68 65,85 237,05 316,07 296,32 0,66 0,40 0,28

298 5,53 180,73 69,73 251,02 334,69 313,77 0,70 0,42 0,30

299,5 5,24 190,95 73,67 265,21 353,61 331,51 0,74 0,44 0,32

301 4,97 201,29 77,66 279,57 372,76 349,46 0,78 0,47 0,33

302,5 4,72 211,73 81,69 294,07 392,09 367,59 0,82 0,49 0,35

304 4,5 222,32 85,77 308,78 411,71 385,97 0,86 0,51 0,37

305,5 4,29 233,05 89,91 323,67 431,57 404,59 0,90 0,54 0,39

307 4,1 243,90 94,10 338,75 451,67 423,44 0,94 0,56 0,40

308,5 3,92 254,91 98,34 354,04 472,05 442,55 0,98 0,59 0,42

310 3,76 266,03 102,63 369,48 492,64 461,85 1,03 0,62 0,44

311,5 3,61 277,32 106,99 385,16 513,55 481,45 1,07 0,64 0,46

313 3,46 288,77 111,41 401,07 534,75 501,33 1,11 0,67 0,48


Frío.


87


T_cond EER Ecomp

(Whe)/kWhf

Capbat

(Ah)

/kWhf

Enetabat

(Whe)

/kWhf

Tambat

(Whe)

/kWhf

Whe_fv con

baterias

3

kWh/m2

dia

5

kWh/m2

dia

7

kWh/m2

dia

283 3,93 254,45 98,17 353,41 471,21 441,76 0,98 0,59 0,42

284,5 3,79 264,20 101,93 366,95 489,26 458,68 1,02 0,61 0,44

286 3,65 274,05 105,73 380,62 507,50 475,78 1,06 0,63 0,45

287,5 3,52 283,93 109,54 394,35 525,80 492,93 1,10 0,66 0,47

289 3,40 294,03 113,44 408,38 544,50 510,47 1,13 0,68 0,49

290,5 3,29 304,14 117,34 422,41 563,22 528,01 1,17 0,70 0,50

292 3,18 314,37 121,28 436,62 582,16 545,78 1,21 0,73 0,52

293,5 3,08 324,68 125,26 450,94 601,25 563,67 1,25 0,75 0,54

295 2,98 335,23 129,33 465,60 620,80 582,00 1,29 0,78 0,55

296,5 2,89 345,78 133,40 480,25 640,34 600,32 1,33 0,80 0,57

298 2,81 356,38 137,49 494,97 659,96 618,71 1,37 0,82 0,59

299,5 2,72 367,24 141,68 510,06 680,08 637,57 1,42 0,85 0,61

301 2,65 378,07 145,86 525,10 700,13 656,37 1,46 0,88 0,63

302,5 2,57 389,11 150,12 540,42 720,56 675,53 1,50 0,90 0,64

304 2,50 400,32 154,44 556,00 741,33 695,00 1,54 0,93 0,66

305,5 2,43 411,52 158,77 571,56 762,08 714,45 1,59 0,95 0,68

307 2,37 422,83 163,13 587,27 783,02 734,09 1,63 0,98 0,70

308,5 2,30 434,40 167,59 603,34 804,45 754,18 1,68 1,01 0,72

310 2,24 446,03 172,08 619,49 825,98 774,36 1,72 1,03 0,74

311,5 2,18 457,88 176,65 635,94 847,92 794,92 1,77 1,06 0,76

313 2,13 469,70 181,21 652,37 869,82 815,46 1,81 1,09 0,78


Congelación.

5.3 Análisis de la reducción de superficie de la instalación fotovoltaica para diferentes condiciones:

En este apartado se incluyen los análisis que se realizaron para estudiar cómo era la reducción

de la superficie de la instalación fotovoltaica para la radiación global solar incidente sobre el

plano del panel fotovoltaico de 3, 5 y 7 kWh/m2día.

En este análisis se estudia todos los parámetros que necesita el campo solar para la alternativa

de almacenamiento, es decir, sin usar baterías.

Las tres tablas siguientes muestran las distintas aplicaciones estudiadas Climatización, Frío

y Congelación.


88

La variación de la superficie de la reducción del campo solar está referida a una temperatura

de condensación de 313K.


89

Superficie campo solar (m2) ∆S (m2)

T_cond EER

Ecomp

(Whe)/

kWhf

Whe

fotovoltaico

3

kWh/m2dia

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2dia

3

kWh/m2dia

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2dia ∆S (%)

288 38,59 25,91 28,79 0,06 0,04 0,03 0,60 0,36 0,26 90,34

289,3 30,73 32,54 36,16 0,08 0,05 0,03 0,58 0,35 0,25 87,87

290,5 25,48 39,25 43,61 0,10 0,06 0,04 0,57 0,34 0,24 85,38

291,8 21,74 46,00 51,11 0,11 0,07 0,05 0,55 0,33 0,24 82,86

293 18,93 52,83 58,70 0,13 0,08 0,06 0,53 0,32 0,23 80,32

294,3 16,75 59,70 66,33 0,15 0,09 0,06 0,52 0,31 0,22 77,75

295,5 15,00 66,67 74,07 0,16 0,10 0,07 0,50 0,30 0,21 75,16

296,8 13,57 73,69 81,88 0,18 0,11 0,08 0,48 0,29 0,21 72,54

298 12,38 80,78 89,75 0,20 0,12 0,09 0,46 0,28 0,20 69,90

299,3 11,37 87,95 97,72 0,22 0,13 0,09 0,45 0,27 0,19 67,23

300,5 10,50 95,24 105,82 0,24 0,14 0,10 0,43 0,26 0,18 64,51

301,8 9,76 102,50 113,89 0,25 0,15 0,11 0,41 0,25 0,18 61,81

303 9,10 109,89 122,10 0,27 0,16 0,12 0,39 0,23 0,17 59,05

304,3 8,52 117,34 130,38 0,29 0,17 0,12 0,37 0,22 0,16 56,28

305,5 8,01 124,88 138,75 0,31 0,19 0,13 0,35 0,21 0,15 53,47

306,8 7,55 132,49 147,21 0,33 0,20 0,14 0,34 0,20 0,14 50,63

308 7,13 140,17 155,75 0,35 0,21 0,15 0,32 0,19 0,14 47,77

309,3 6,76 147,95 164,39 0,37 0,22 0,16 0,30 0,18 0,13 44,87

310,5 6,42 155,79 173,10 0,38 0,23 0,16 0,28 0,17 0,12 41,95

311,8 6,11 163,72 181,91 0,40 0,24 0,17 0,26 0,16 0,11 39,00

313 5,82 171,76 190,85 0,42 0,25 0,18 0,24 0,14 0,10 36,00

Tabla 5.7 Parámetros característicos de reducción de superficie de campo solar respecto de la temperatura de condensación. Climatización


90


T_cond EER

Ecomp

(Whe)/

kWhf

Whe

fotovoltaico

3

kWh/m2dia

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2dia

3

kWh/m2dia

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2dia ∆S (%)

283 11,75 85,11 94,56 0,21 0,13 0,09 0,90 0,54 0,39 81,14

284,5 10,62 94,16 104,62 0,23 0,14 0,10 0,88 0,53 0,38 79,13

286 9,67 103,37 114,86 0,26 0,15 0,11 0,86 0,52 0,37 77,09

287,5 8,88 112,65 125,17 0,28 0,17 0,12 0,84 0,50 0,36 75,03

289 8,19 122,04 135,60 0,30 0,18 0,13 0,81 0,49 0,35 72,95

290,5 7,60 131,53 146,14 0,32 0,19 0,14 0,79 0,47 0,34 70,85

292 7,09 141,14 156,83 0,35 0,21 0,15 0,77 0,46 0,33 68,72

293,5 6,63 150,88 167,64 0,37 0,22 0,16 0,74 0,44 0,32 66,56

295 6,22 160,72 178,58 0,40 0,24 0,17 0,72 0,43 0,31 64,38

296,5 5,86 170,68 189,64 0,42 0,25 0,18 0,69 0,42 0,30 62,17

298 5,53 180,73 200,82 0,45 0,27 0,19 0,67 0,40 0,29 59,94

299,5 5,24 190,95 212,17 0,47 0,28 0,20 0,64 0,39 0,28 57,68

301 4,97 201,29 223,65 0,50 0,30 0,21 0,62 0,37 0,26 55,39

302,5 4,72 211,73 235,26 0,52 0,31 0,22 0,59 0,35 0,25 53,07

304, 4,50 222,32 247,02 0,55 0,33 0,24 0,57 0,34 0,24 50,73

305,5 4,29 233,05 258,94 0,58 0,35 0,25 0,54 0,32 0,23 48,35

307 4,10 243,90 271,00 0,60 0,36 0,26 0,51 0,31 0,22 45,94

308,5 3,92 254,91 283,23 0,63 0,38 0,27 0,48 0,29 0,21 43,50

310 3,76 266,03 295,59 0,66 0,39 0,28 0,46 0,27 0,20 41,04

311,5 3,61 277,32 308,13 0,68 0,41 0,29 0,43 0,26 0,18 38,54

313 3,46 288,77 320,85 0,71 0,43 0,31 0,40 0,24 0,17 36,00

Tabla 5.8 Parámetros característicos de reducción de superficie de campo solar respecto de la temperatura de condensación. Frío


91


T_cond EER

Ecomp

(Whe)/

kWhf

Whe

fotovoltaico

3

kWh/m2di

a

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2dia

3

kWh/m2dia

5

kWh/m2dia

7

kWh/m2di

a

∆S (%)

283 4,62 216,45 240,50 0,53 0,32 0,23 1,28 0,77 0,55 70,51

284,5 4,39 227,69 252,99 0,56 0,34 0,24 1,25 0,75 0,54 68,98

286 4,18 239,06 265,63 0,59 0,35 0,25 1,22 0,73 0,52 67,43

287,5 3,99 250,56 278,40 0,62 0,37 0,27 1,19 0,72 0,51 65,86

289 3,81 262,26 291,40 0,65 0,39 0,28 1,16 0,70 0,50 64,27

290,5 3,65 274,05 304,50 0,68 0,41 0,29 1,14 0,68 0,49 62,66

292 3,50 285,96 317,73 0,71 0,42 0,30 1,11 0,66 0,47 61,04

293,5 3,36 298,06 331,18 0,74 0,44 0,32 1,08 0,65 0,46 59,39

295 3,22 310,27 344,74 0,77 0,46 0,33 1,05 0,63 0,45 57,72

296,5 3,10 322,68 358,54 0,80 0,48 0,34 1,02 0,61 0,44 56,03

298 2,98 335,23 372,48 0,83 0,50 0,35 0,98 0,59 0,42 54,32

299,5 2,88 347,83 386,47 0,86 0,52 0,37 0,95 0,57 0,41 52,61

301 2,77 360,75 400,83 0,89 0,53 0,38 0,92 0,55 0,39 50,85

302,5 2,68 373,69 415,21 0,92 0,55 0,40 0,89 0,53 0,38 49,08

304 2,59 386,85 429,83 0,96 0,57 0,41 0,86 0,51 0,37 47,29

305,5 2,50 400,32 444,80 0,99 0,59 0,42 0,82 0,49 0,35 45,45

307 2,42 413,74 459,71 1,02 0,61 0,44 0,79 0,47 0,34 43,63

308,5 2,34 427,53 475,04 1,06 0,63 0,45 0,76 0,45 0,32 41,75

310 2,27 441,31 490,34 1,09 0,65 0,47 0,72 0,43 0,31 39,87

311,5 2,20 455,58 506,20 1,12 0,67 0,48 0,69 0,41 0,29 37,92

313 2,13 469,70 521,89 1,16 0,70 0,50 0,65 0,39 0,28 36,00

Tabla 5.9 Parámetros característicos de reducción de superficie de campo solar respecto de la temperatura de condensación.


92

Haciendo un análisis de los resultados se ve como todas las variables dependen del EER que

este a la vez depende de la temperatura. A medida que disminuye el EER aumenta la energía

que necesita el compresor, esto es debido al salto de temperaturas entre el condensador y el

evaporador es mayor. El campo solar tiene que ser mayor cuanto mayor es la demanda del

compresor. Conforme mayor es la energía del panel, se necesita más metros cuadrados de

este.

El porcentaje de reducción del campo solar se ha calculado entre el caso de almacenamiento

con baterías a una temperatura de condensación de 313 K y haciendo variar la temperatura

de condensación en el caso sin baterías. A medida que las temperaturas de condensación van

siendo mayores el porcentaje de reducción del campo solar disminuye ya que el campo solar

a medida que aumenta la temperatura de condensación este aumenta debido a que es

necesario mayor superficie de paneles ya que se demanda mayor energía.

Este análisis es válido para las tres aplicaciones.


93

6 ESTUDIO ECONÓMICO

En este apartado se valorará económicamente las dos opciones que se han estudiado en los

apartados anteriores. Todos estos cálculos son para 1 kWh de frío.

HIPÓTESIS

El refrigerante que se ha elegido ha sido el R-717 (amoniaco) y el precio está entre 2

y 4€ el kg ya que el precio de este fluctúa, como le ocurre al petróleo.

Tanto el almacenamiento con baterías y el almacenamiento de energía térmica

(depósito) tienen en común los gastos del inversor, la cantidad de refrigerante en las

tuberías y el ciclo exceptuando el depósito de almacenamiento.

El coste del depósito sería de: 2000€/ m3.

El coste de las batería es de 333 €/kWh

CICLO DE COMPRESIÓN MECÁNICA SIMPLE CON BATERÍAS

En este caso se utiliza como sistema de almacenamiento las baterías. Éstas tienen una vida

útil de aproximadamente de 10 años. El coste de éstas es de 333 €/kWh

El coste de las baterías de 24 V para las tres aplicaciones estudiadas sería de:

Climatización: en esta aplicación se necesita una batería con capacidad de 66.27 Ah,

cuyo coste es aproximadamente de 530€.

Frío: en esta aplicación se necesita una batería con capacidad de 111.41 Ah, cuyo coste

es aproximadamente de 890€

Congelación: en esta aplicación se necesita una batería con capacidad de 181.21 Ah,

cuyo coste es aproximadamente de 1450€

Para estas aplicaciones el campo solar (paneles de 3kWh/m2día), ascendería a un coste de:

Climatización : para esta aplicación se necesitaría un campo solar de 0.66 m2 cuyo coste

es aproximadamente de 100€

Frío: para esta aplicación se necesitaría un campo solar de 1.11 m2 cuyo coste es

aproximadamente de 170€


94

Congelación: para esta aplicación se necesitaría un campo solar de 1.81 m2 cuyo coste

es aproximadamente de 270€.

ALTERNATIVA DE ALMACENAMIENTO

Para realizar este estudio es necesario realizar un proyecto exclusivo para el depósito ya que

estos tienen una serie de características especiales. La principal es que tienen que estar

presurizados ya que aguantan muy bajas presiones, esta es la principal causa que hace que

estos depósitos tengan un elevado precio.

El material con el que están hechos es acero inoxidable pero las paredes tienen un

recubrimiento interno para soportar las bajas presiones a los que son sometidos.

Para hacer una aproximación se ha contactado con una empresa la cual tiene un depósito para

el almacenamiento de amoniaco, pero al no tener que aguantar bajas presiones no está

presurizado. El precio está entre 50.000 y 70.000€ para un depósito de 50 m3.

En este estudio se ha cogido el caso más desfavorable para hacer la comparativa de ambas

alternativas.

El coste estipulado sería de: 2000€/ m3.

La capacidad del depósito para 1kWh de frío, para las aplicaciones estudiadas sería de:

Climatización( Tevaporación=283K): 0.76m3 el precio sería aproximadamente de 1520 €

Frío( Tevaporación=268K): 1.30m3 el precio sería aproximadamente de 2600 €

Congelación( Tevaporación=250K): 2.70m3 el precio sería aproximadamente de 5400 €

La reducción del campo solar para estas condiciones estudiadas es del 36% por lo que el gasto

en paneles se reduciría en esta cantidad.

Climatización( Tevaporación=283K):: para esta aplicación se necesitaría un campo solar de

0.42 m2 cuyo coste es aproximadamente de 65€

Frío( Tevaporación=268K): para esta aplicación se necesitaría un campo solar de 0.71 m2

cuyo coste es aproximadamente de 110€

Congelación (Tevaporación=250K): para esta aplicación se necesitaría un campo solar


95

de 1.16 m2 cuyo coste es aproximadamente de 175€.

El refrigerante que tiene que tener almacenado el depósito es otro coste añadido a esta

alternativa, y es repuesto una vez en la vida útil de la instalación.

Climatización( Tevaporación=283K): 3.83 kg el precio sería aproximadamente de 7.65€

Frío( Tevaporación=268K): 3.89 kg el precio sería aproximadamente de 7.76€

Congelación( Tevaporación=250K): 3.97 kg el precio sería aproximadamente de 8.00€

Como resultado de este estudio económico se llega a la siguiente conclusión:

Los precios de los depósitos son superiores al de las baterías, pero estos tienen una vida útil

bastante más larga que las baterías. Aunque deban tener algún tipo de mantenimiento pero

son de tipo legal.

En esta tabla se recogen a modo resumen lo que cuesta utilizar baterías y la instalación con

el depósito. Todos los costes que se recogen en dicha tabla son para producir un kWh

frigorífico.

BATERÍAS DEPÓSITO

Campo solar Baterías TOTAL Campo solar Depósito Refrigerante TOTAL

CLIMATIZACIÓN Tevap= 250K

100 € 530 € 630 € 65 € 1.520 € 7,65 € 1.593.65 €

FRÍO Tevap=268K

170 € 890 € 1.060 € 110 € 2.600 € 7,80 € 2.718.80 €

CONGELACIÓN Tevap=250K

270 € 1.450 € 1.720 € 175 € 5.400 € 8,00 € 5.583 €

Tabla 6.1 Costes de los elementos de ambas alternativas. Inversión inicial

En los tres casos la inversión inicial es mayor en el caso de utilizar el depósito de

almacenamiento. La inversión final en el caso de climatización y frío es menor en el caso de

utilizar el depósito, pero la situación de congelación el coste del uso de baterías es menor ya

que el depósito para este caso tiene que ser muy grande y el coste aumenta mucho.


96

SENSIBILIDAD DEL ESTUDIO ECONÓMICO

En este apartado se van analizar las distintas posibilidades económicas de los componentes

que hacen variar el precio de la instalación. Estos componentes son los siguientes:

Baterías

Depósito

Campo solar

Refrigerante.

Para realizar este análisis se ha creado un ratio donde están reflejados todos los componentes

de la instalación que influyen en la variación de utilizar un sistema de almacenamiento con

baterías o sin ellas.

Este estudio está realizado para las tres aplicaciones que se están estudiando, climatización,

frío y congelación. Los cálculos para hacer estas gráficas son para una radiación global solar

incidente sobre el plano del panel fotovoltaico de 3 kWh/m2día.

El ratio es el siguiente:

𝑃𝑡𝑏

𝑃𝑡𝑠𝑏=

𝑆𝑐. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 𝑃𝑐. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 + 𝑃𝑏𝑎𝑡 ∗ 𝐵𝑎𝑡 +𝑃𝑏𝑎𝑡∗𝐵𝑎𝑡

(1+𝑟)10+

𝑃𝑏𝑎𝑡∗𝐵𝑎𝑡

(1+𝑟)20

𝑆′𝑐. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 𝑃𝑐. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 + 𝐷𝑒𝑝 ∗ 𝑃𝑑𝑒𝑝 + 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔 +𝑃𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔∗𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔

(1+𝑟)15

Donde:

Ptb: Coste total con almacenamiento de baterías.

Ptsb: Coste total con almacenamiento sin baterías, es decir, con la alternativa de

almacenamiento con depósito.

Sc.solar: Superficie del campo solar en el caso de almacenamiento con baterías. m2

Pc.solar: Coste del campo solar. €/m2

S’c.solar: Superficie del campo solar en el caso de almacenamiento sin baterías. m2

Bat: Tamaño de las baterías. kWh

Pbat: Coste de las baterías. €/kWh

Dep: Tamaño del depóisto. m3


97

Pdep: Coste del depósito. €/m3

Refrig: Cantidad de refrigerante que se necesita en la alternativa de almacenamiento sin

baterías. kg

Prefrig: Coste del refrigerante. €/kg

r: Tasa de descuento

A continuación se hace un análisis de sensibilidad de todas las variables de este ratio.

A. CLIMATIZACIÓN.

1. Se varía el coste del campo solar y se analizan tres casos distintos para tres

costes de baterías.

Ilustración 6.1. Variación del coste del campo solar y coste de las baterías. Climatización.

En este caso, el ratio sólo es mayor que uno en el caso de que el coste de las baterías fuese de

500€/ kWh. En esta situación el sistema de almacenamiento sin baterías es más rentable

económicamente que con baterías.

Pero en los otros dos casos, para precios inferiores de baterías el sistema de refrigeración es

más rentable con el almacenamiento de energía con baterías.

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0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

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1,400

0 50 100 150 200 250 300 350

Ptb

/Pts

b

Precio campo solar €/m^2

Pbat=333€/kWh Pbat=200€/kWh Pbat=500€/kWh


98


costes de depósitos.

Ilustración 6.2. Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Climatización.

En esta gráfica se ve que solo es rentable el almacenamiento sin baterías para costes de depósitos

inferiores a 1600€/m3 y para que el campo solar tuviera un coste inferior a 100€/m2.

3. Se varía el coste de las baterías y se analizan tres casos distintos de costes del

campo solar.

Ilustración 6.3. Variación del coste de las baterías y coste del campo solar. Climatización.

En este caso se observa que el coste del campo solar no afecta al ratio que se está analizando,

ya que los tres casos son muy similares. La alternativa sin baterías es rentable

0,400

0,500

0,600

0,700

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0,900

1,000

1,100

0 50 100 150 200 250 300 350

Ptb

/Pts

b


Pdeposito=2000€/m^3 Pdeposito=1600€/m^3 Pdeposito=2500€/m^3

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0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

0 100 200 300 400 500 600 700

Ptb

/Pts

b

Precio Baterías €/kWh

Pc.solar =150€/m^2 Pc.solar=100€/m^2 Pc.solar=250€/m^2


99

económicamente para costes de baterías superiores a 400 €/kWh.

4. Se varía el coste de las baterías y se analizan tres casos distintos para tres costes

de depósito.

Ilustración 6.4. Variación del coste de las baterías y coste del depósito. Climatización.

En esta situación se ve como el precio del depósito si es influyente en el ratio que se está

analizando. A medida que el precio del depósito es menor, la alternativa sin baterías es más

rentable.

5. Se varía el precio del depósito y se analizan tres casos distintos para tres precios

de campo solar.

Ilustración 6.5. Variación del coste del depósito y coste del campo solar. Climatización.

En esta gráfica se vuelve a ver como el precio del campo solar no es influyente en el ratio que

se está analizando. La alternativa de almacenamiento sin baterías solo es rentable para costes

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0,500

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0 100 200 300 400 500 600 700

Ptb

/Pts

b

Precio Baterías €/kWh

Pdep=2000€/m^3 Pdep=1600€/m^3 Pdep=2500€/m^3

0,000

0,500

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3,500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b

Precio depósito €/m^3

Pc.solar=150€/m^2 Pc.solar=100€/m^2 Pc.solar=250€/m^2


100

de depósitos menores a 1600€/m3.

6. Se varía el coste del depósito y se analizan tres casos distintos para tres costes

de baterías.

Ilustración 6.6. Variación del coste del depósito y coste de las baterías. Climatización.

El coste de las baterías si es muy influyente en el ratio que se está estudiando. A medida que

el coste de las baterías es mayor y el coste del depósito menor la alternativa de

almacenamiento si baterías es más rentable.

7. Se varía el coste del refrigerante.

Ilustración 6.7. Variación del coste del refrigerante. Climatización.

El coste del refrigerante no influye en el ratio ya que se está utilizando amónico y respecto a

los otros componentes de la instalación es prácticamente despreciable.

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1,000

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3,000

3,500

4,000

4,500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b



0,806

0,808

0,810

0,812

0,814

0,816

0,818

0,820

0,822

0,824

0 1 2 3 4 5 6 7

Ptb

/Pts

b

Precio refrigerante €/kg


101

B. FRÍO



Ilustración 6.8. Variación del coste del campo solar y de las baterías. Frío.

El sistema de almacenamiento sin baterías solo es válido económicamente para el caso en el

que el precio de las baterías fuese de 500€/kWh.

Esta gráfica es muy similar a la de la aplicación anterior, climatización, ya que el salto de la

temperatura de evaporación no es muy grande.


costes de depósito.

Ilustración 6.9. Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Frío.

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0,200

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0,600

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Ptb

/Pts

b



0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

1,100

0 50 100 150 200 250 300 350

Ptb

/Pts

b




102

En esta gráfica se ve que solo es rentable el almacenamiento sin baterías para costes de depósitos

inferiores a 1600€/m3 y para que el campo solar tuviera un coste inferior a 100€/m2.

3. Se varía el coste de las baterías y se analizan tres casos distintos de costes del

campo solar.

Ilustración 6.10. Variación del coste de las baterías y coste del campo solar. Frío.

En este caso se observa que el coste del campo solar no afecta al ratio que se está analizando,

ya que los tres casos son muy similares. La alternativa sin baterías es rentable

económicamente para costes de baterías superiores a 400 €/kWh.


de depósito.

Ilustración 6.11. Variación del coste de las baterías y coste del depósito. Frío.

En esta situación se ve como el precio del depósito si es influyente en el ratio que se está

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1,600

1,800

0 100 200 300 400 500 600 700

Ptb

/Pts

b

Precio baterías €/kWh

Pc.solar= 150€/m^2 Pc.solar= 100€/m^2 Pc.solar= 250€/m^2

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0 100 200 300 400 500 600 700

Ptb

/Pts

b




103

analizando. A medida que el precio del depósito es menor, la alternativa sin baterías es más

rentable.

5. Se varía el precio del depósito y se analizan tres casos distintos para tres precios

de campo solar.

Ilustración 6.12. Variación del coste del depósito y coste del campo solar. Frío.

En esta gráfica se vuelve a ver como el precio del campo solar no es influyente en el ratio que

se está analizando. La alternativa de almacenamiento sin baterías solo es rentable para costes

de depósitos menores a 1600€/m3.


de baterías.

Ilustración 6.13. Variación del coste del depósito y coste de las baterías. Frío.

El coste de las baterías si es muy influyente en el ratio que se está estudiando. A medida que

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b



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2,000

3,000

4,000

5,000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b




104

el coste de las baterías es mayor y el coste del depósito menor la alternativa de

almacenamiento si baterías es más rentable.


Ilustración 6.14. Variación del coste del refrigerante. Frío.



C. CONGELACIÓN



Ilustración 6.15. Variación del coste del campo solar y de las baterías. Congelación.

En este caso la alternativa de almacenamiento sin baterías no es rentable económicamente.

Esto es debido a que se necesita almacenar más energía, ya que se demanda una temperatura

0,806

0,808

0,810

0,812

0,814

0,816

0,818

0,820

0,822

0,824

0 1 2 3 4 5 6 7

Ptb

/Pts

b


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0,600

0,800

1,000

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0 50 100 150 200 250 300 350

Ptb

/Pts

b




105

de evaporación menor que en las dos aplicaciones anteriores.



Ilustración 6.16. Variación del coste del campo solar y coste del depósito. Congelación.

Como en el caso anterior, en esta situación no es rentable la alternativa de almacenamiento

sin baterías.


del campo solar.

Ilustración 6.17. Variación del coste de las baterías y coste del campo solar. Congelación.

Al igual que en las situaciones de Climatización y frío el precio del campo solar no es

influyente en el ratio que se está analizado.

En este caso la alternativa de almacenamiento sin baterías es rentable para costes más bajos

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0 50 100 150 200 250 300 350

Ptb

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b



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1,800

0 100 200 300 400 500 600 700

Ptb

/Pts

b




106

de baterías que en las dos situaciones anteriores. Esto es debido a que se necesitan más

baterías, porque la cantidad de energía q hay que almacenar es mayor, ya que la temperatura

de evaporación es menor.

4. Se varían los costes de las baterías y se analizan tres casos distintos para tres


Ilustración 6.18. Variación del coste de las baterías y coste del depósito. Congelación.

En esta situación también los costes de los depósitos y de las baterías son influyentes en el

ratio que se está analizando. A medida que el coste del depósito es menor la alternativa de

almacenamiento sin baterías es más rentable.


del campo solar.

Ilustración 6.19. Variación del coste del depósito y coste del campo solar. Congelación.

En esta gráfica se vuelve a ver como el precio del campo solar no es influente en el ratio. La

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Ptb

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b




107

alternativa de almacenamiento sin baterías, sólo es rentable para costes de depósitos inferiores

a 1400€/m3.


de baterías.

Ilustración 6.20. Variación del coste del depósito y coste de las baterías. Congelación.

Para la situación de Congelación, la alternativa de almacenamiento sin baterías, con depósito,

es rentable para costes muy bajos de los depósitos y altos costes de las baterías. Esto es a

causa de la baja temperatura de evaporación que se demanda en esta aplicación.


Ilustración 6.21. Variación del coste del refrigerante. Congelación.



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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Ptb

/Pts

b

Precio depósito €/m^3Pbat=333€/kWh Pbat=200€/kWh Pbat=500€/kWh

0,806

0,808

0,810

0,812

0,814

0,816

0,818

0,820

0,822

0,824

0 1 2 3 4 5 6 7

Ptb

/Pts

b



108

7 CONCLUSIONES

Las conclusiones que se han obtenido de este estudio son las siguientes:

1.- La alternativa de almacenamiento de refrigerante es técnicamente viable.

2.- En la viabilidad económica de ambas soluciones los parámetros que más influyen son el

coste del depósito, el coste de la batería y la temperatura del evaporador.

3.- El almacenamiento de refrigerante, de acuerdo a los resultados obtenidos, puede ser de

interés económico bajo ciertos escenarios, que son encontrar costes del depósito del orden de

1400€/m3 o con costes de baterías superiores y fundamentalmente para procesos de

congelación en zonas de no muy alta radiación.

4.- Otras consideraciones serían que el sistema con almacenamiento de refrigerante requiere

más espacio que el de batería.

Líneas de investigación futuras

- Investigación en nuevos refrigerantes, cuyas características termodinámicas permitan

reducir el volumen específico en estado gas en la mayor medida posible.

- Diseño de depósitos aptos para el almacenamiento de refrigerantes a menores costes,

actualmente en el ratio de 1400€/m3, mediante la combinación de acero inoxidable y

fibras o del uso de otros materiales.


109

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