Energía solar térmica

LA SEU D'URGELL (Lleida)
NOVIEMBRE 1999.
PATENTE DE INVENCIÓN ESPAÑOLA Nº P 9801180
PATENTE DE INVENCIÓN EUROPEA Nº 99 500 092.4
ENSAYO INTA Nº CA/RPT/484 A/004/INTA/99
AUDITORIA DE CALIDAD DE LA ECA
HOMOLOGACIÓN GPS − 8002
EN PROCESO DE IMPLANTACIÓN DE LA NORMA ISO 9002
• PRESENTACIÓN
El captador solar ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL ha sido desarrollado para su aplicación en sistemas
de aprovechamiento de la energía solar con fines térmicos, en particular para :
• producción de agua caliente sanitaria en viviendas, hoteles, campings, hospitales, polideportivos,
colegios, vestuarios, etc.
• calentamiento del agua de los vasos de piscinas
• sistemas de calefacción
• Etc.
El colector ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL ha sido ensayado oficialmente en el banco de pruebas del
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. I.N.T.A (Nº de Informe: CAP/RPT/484 A/004/INTA/99) y
homologado por el Ministerio de Industria y Energía con el número GPS−8002.
• CARACTERÍSTICAS DEL CAPTADOR SOLAR ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL
Dimensiones :
Figura 1. Dimensiones del captador solar ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL.
Componentes:
• Carcasa. Caja de acero inoxidable AISI 304 (0,6 mm de espesor) soldada y sellada con silicona.
• Aislamiento. Manta de aluminio y 55 mm de lana de vidrio
• Cubierta transparente. Vidrio templado de 4 mm de espesor.
• Absorbedor. Parrilla de 10 tubos verticales de cobre " 10 soldada a dos colectores horizontales de
cobre de " 22.
1
• La superficie absorbedora está constituida por una chapa de aluminio con 6030 embuticiones en
forma de media esfera y 10 estampaciones en forma semicilíndrica para alojar los 10 tubos verticales
de " 10. La superficie absorbedora dispone, en su parte superior, de un recubrimiento selectivo a partir
de óxido de Cu negro Mg y Si aplicado por proyección a pistola.
El absorbedor y la parrilla de tubos están unidos por soldadura.
• Otras características.
• Peso del captador lleno de líquido : 44,8 Kg
• Capacidad de líquido : 2,8 Kg
• Temperatura máxima de funcionamiento : 120 ºC
• Presión máxima de trabajo : 7 bares
• Superficie útil de captación : 1,852 m2
• PRESTACIONES ENERGÉTICAS
El cuidado diseño del captador solar ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL y la calidad de los materiales
empleados permite la obtención de elevados rendimientos de conversión de la energía solar incidente en
energía térmica útil.
Los ensayos realizados, han permitido determinar la curva de rendimiento del colector solar ATESA
EXPORT TRIDIMENSIONAL según la siguiente expresión:
EL RENDIMIENTO SE DEFINE POR LA ECUACIÓN ECUACIÓN RECOMENDADA
= Rendimiento
A= Área de referencia (m2 ) Tm y Ta= Temperatura media y Temperatura ambiente.
Qu= Energía útil en el captador (w) T**= Temperatura adimensional.
I = Irradiación solar (W/m2) U0= Coeficiente Normalizado (10W/m2ºC)
La expresión indicada anteriormente y representada en el grafico siguiente, ha sido obtenida según el
procedimiento descrito en la norma INTA 600001.
Figura 2. Curva de rendimiento del captador solar ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL.
• RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN
Generalidades.
Los captadores solares forman parte de un circuito hidráulico de calentamiento de agua. Para el buen
funcionamiento de la instalación y la obtención de las óptimas prestaciones del colector solar, ATESA
recomienda la intervención de técnicos y empresas cualificadas en la fase de diseño y montaje del conjunto de
la instalación.
Las recomendaciones recogidas en este apartado pueden servir de gran ayuda a los profesionales encargados
de hacer el diseño de la instalación.
CALCULO PARA DIMENSIONAR INSTALACIONES
2
Imaginemos que queremos obtener 1000 litros diarios de Agua a 60ºC.
DATOS:
Temperatura ambiente = 15ºC
Irradiación solar = 1000 W/m²
Horas de Sol (Depende de la época del año) = 5
Área de apertura del Captador =1'852 m²
0'86 Kcal =1 Wh
CALCULOS:
Temperatura media − Temperatura ambiente = 45 ºC
Es la potencia necesaria..
Aplicamos la formula de la tabla, para determinar cuantos captadores necesitamos para obtener dicha energía.
0.6725 x 0.45 = 0.302625
= 0.9471 % 0.302625 = 0.644475 de rendimiento por m2.
Ahora que sabemos el rendimiento que da el captador por m2 para obtener la temperatura del ejemplo,
aplicamos los datos siguientes para calcular el numero de captadores que necesitamos.
Necesidades 52325 W.
Aportación por m2 por 5 horas del captador 3222 W.
Numero de m2 de captador necesarias 52325 W: 3222 W = 16.24 m2: 2.538 AREA TRIDIMENSIONAL =
6,39 Captadores.
COMO UN CAPTADOR NO SE PUEDE PARTIR, HARAN FALTA 7 CAPTADORES.
Uo = Coeficiente normalizado (10 W/m2)
Para garantizar el mantenimiento de las prestaciones energéticas del captador solar a lo largo del tiempo,
ATESA recomienda la utilización de los mismos en circuitos cerrados. El empleo de circuitos abiertos, con
renovación continua del agua que circula por los colectores, puede dar lugar a deposiciones calcáreas en las
paredes interiores de los tubos, reduciendo su rendimiento energético y acortando su vida útil.
Los captadores solares deberán estar instalados en un lugar libre de sombras, con la orientación y la
inclinación indicadas por el proyectista y fijados sobre una superficie estable y sólidamente anclada.
Conexión.
3
Los captadores solares ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL se pueden conectar entre sí en paralelo,
mediante las uniones roscadas, formando grupos de hasta 6 colectores en paralelo. La entrada del fluido
caloportador al grupo, se realizará por la parte inferior del primer captador (a la derecha o la izquierda,
indistintamente) y la salida, por la parte superior del último captador. Las salidas no utilizadas de los
captadores de los extremos del grupo se cerrarán con tapones roscados.
Se recomienda dotar a cada grupo de captadores de válvulas de aislamiento a la entrada y la salida, que
permitan independizar el grupo del resto de la instalación ante eventuales reparaciones.
En la salida del grupo, en la parte superior del último captador, se instalará un purgador de aire apto para
soportar temperaturas de 120ºC, preferentemente de tipo automático y con válvula de aislamiento para
facilitar las operaciones de puesta en marcha de la instalación y las tareas de mantenimiento posteriores.
Figura 3. Longitud del grupo en función del número de captadores.
Las uniones de los grupos de captadores a las tuberías del circuito primario deben realizarse de modo que las
dilataciones del material no produzcan esfuerzos en los puntos de unión, por ejemplo, mediante la utilización
de tubos flexibles de malla de acero inoxidable de " 1.
Los grupos de captadores se pueden unir entre sí en paralelo para formar un campo de captación solar del
tamaño adecuado a las necesidades del edificio. La conexión de grupos de captadores solares en serie es
también posible cuando se requieran temperaturas elevadas, aunque este tipo de conexión puede penalizar el
rendimiento energético global de la instalación.
El fluido caloportador del circuito primario deberá ser apto para su utilización en tuberías de cobre. En zonas
donde exista riesgo de heladas, el circuito primario de captadores deberá ser protegido con la adición de
líquidos anticongelantes en proporción suficiente para eliminar cualquier riesgo de congelación o un método
de similar eficacia.
El caudal recomendado para el circuito primario de captadores está comprendido entre 120 y 150 litros/hora
por captador. En instalaciones con más de un grupo de captadores, se deberá tomar las precauciones
necesarias para garantizar que el reparto del caudal del circuito primario se realiza de forma homogénea, con
la instalación de válvulas de equilibrado hidráulico o mediante el trazado de circuitos con retorno invertido.
En la figura 4 se muestra la pérdida de carga en un captador solar en función del caudal, considerando que el
fluido caloportador es agua. Como se observa, para un caudal comprendido entre los márgenes recomendados
(entre 120 y 150 litros/hora), la pérdida de carga en el captador solar es muy pequeña.
Figura 4. Pérdida de carga del captador solar ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL.
Puesta en marcha.
Los captadores solares expuestos al sol (llenos o vacíos) pueden alcanzar temperaturas elevadas. Deberán
tomarse las precauciones necesarias para evitar quemaduras, especialmente durante los trabajos de montaje de
la instalación.
Durante la puesta en marcha de la instalación solar se prestará especial atención al llenado del circuito
primario, evitando la formación de bolsas de aire que pudieran impedir la correcta circulación del fluido
caloportador por los colectores.
• POSIBLES ESQUEMAS DE INSTALACIÓN
4
A continuación se proponen algunos esquemas simplificados de instalación. Esta relación no pretende ser
exhaustiva; será el proyectista el que deberá diseñar la instalación solar según las necesidades particulares del
edificio y del usuario.
En todo caso, deberá prestarse especial atención para garantizar que el esquema asegura la utilización
prioritaria de la energía solar ante el apoyo.
Figura 5. Instalación solar de producción de agua caliente sanitaria con apoyo eléctrico y con caldera mural
modulante.
Figura 6. Instalación solar colectiva de producción de agua caliente sanitaria con
intercambiador de calor exterior (hoteles, hospitales, centros deportivos, )
Figura 7. Instalación solar producción de agua caliente sanitaria y calefacción por suelo
radiante.
• MANTENIMIENTO Y GARANTÍAS
El captador ATESA EXPORT está garantizado durante un periodo de 15 años contra todo defecto de
fabricación o deterioro de cualquiera de sus componentes en condiciones normales de funcionamiento.
Quedan excluido de la garantía cualquier deterioro producido por el personal ajeno a ATESA durante el
transporte, el almacenamiento en obra o la instalación del material.
La garantía de 15 años es válida únicamente en instalaciones en las que los captadores solares formen parte de
un circuito hidráulico cerrado, debidamente protegido de las heladas mediante la adición de anticongelante o
un procedimiento de eficacia equivalente. Las condiciones de la garantía de los captadores solares ATESA
EXPORT TRIDIMENSIONAL instalados en sistemas abiertos serán establecidas por escrito por ATESA,
bajo demanda del cliente, según las condiciones de la instalación y las características del agua de la zona.
Para mantener las prestaciones energéticas del captador solar, se recomienda la limpieza de la cubierta
transparente una vez al año con agua (y detergente si fuera necesario) para eliminar la suciedad acumulada.
Esta operación deberá realizarse en horas de baja insolación (durante al amanecer o el atardecer o en días
nublados) para evitar contracciones y dilataciones bruscas del captador.
En nuestra empresa tenemos instalado un banco de pruebas en el cual se puede comprobar puntualmente el
rendimiento instantáneo de nuestro captador. (A disposición de nuestros clientes).
En dicho banco se han efectuado diversas pruebas de la forma siguiente:
El captador se monto sobre una bancada con inclinación variable y a su vez es giratoria en sentido Este−Oeste
para poder tener la perpendicularidad de la radiación solar incidente.
En dicha bancada están acoplados todos los elementos e instrumentos de medición tal como se detalla
seguidamente.
• 1 Captador solar tridimensional.
• 1 Termo acumulador de agua de 30 litros. (Eléctrico).
5
• Circuito hidráulico de tubo de cobre de 22 mm.
• 6 Llaves de regulación.
• 1 Purgador de aire automático.
• 1 Vaso de expansión de 5 litros.
• 1 Manómetro de presión
• 1 Válvula de seguridad.
• 1 Llave de llenado.
• 1 Llave de vaciado.
• 1 Bomba de circulación KSB.
• 1 Intercambiador de placas marca URANUS, con circuito refrigerador, para mantener constantemente
la temperatura de entrada prefijada.
• 1 Caudalímetro mecánico.
• 1 Multisensor integral SCHLUMBERGER que mide el caudal y las temperaturas de entrada y salida
mediante sondas de Platino.
• 1 Piranómetro calibrado KIPP & ZONEN B.V. modelo CM3, conectado a un milivoltímetro marca
H.T. INSTRUMENTS.
OBJETIVO DEL ENSAYO:
El banco de pruebas esta acondicionado para poder regular la temperatura del fluido de entrada y así poder
realizar las lecturas del salto térmico a distintas temperaturas y saber el rendimiento instantáneo.
Para su cálculo nos basamos en los Parámetros siguientes:
• Radiación incidente W/m².
• Caudal circulante l/min.
• Temperatura de entrada.
• Temperatura de salida.
• Incremento de temperatura.
• Superficie útil de captación 1.692 m².
• Inclinación.
Se han efectuado 12 mediciones de 15 lecturas cada una con un escalonado de temperaturas de
aproximadamente 5ºC empezando con una temperatura de entrada de 20.4 ºC y finalizando con una
temperatura de entrada de 88.6ºC.
Se acompañan las doce tablas de las mediciones realizadas.
CONCLUSIONES:
6
El presente ensayo es muy útil, en la práctica para el calculo de distintas opciones de instalaciones y al técnico
que diseñe una determinada instalación le será de gran utilidad.
La Seu d'Urgell a 16−6−99
DATOS EXPERIMENTALES SOBRE EL RENDIMIENTO DEL COLECTOR
PLANO ATESA
Modelo EXPORT
TRIDIMENSIONAL
Banco de Ensayos de colectores ATESA.
Superficie útil de captación (m2) 1,692
Nº de mediciones para cada ensayo 15
Coefic Normalizado (U0 = 10 w / m2 ºC)
10
Nº ensayos 12
T T T T
Inclinación
Velo
Radiación
ambiente
entrada
salidamedia
viento
Ensayo
(m
(w / m2) ºC ºC ºC ºC
Fecha
(deg)
/ s)
1
23/05/99
41,8 0 965,87
20,5 20,429,9 25,15
2
23/05/99
41,6 0 954,86
20,8 25,735,3 30,5
3
23/05/99
41,8 0 939,58
21,3830,639,8 35,2
4
26/05/99
41,8 0 908,66
22,2 38,446,9 42,65
5
04/06/99
40 0 968,36
22,4 45,353,4 49,35
6
04/06/99
40 0 957,70
23,1 49,557,2 53,35
7
04/06/99
40 0 950,96
23,6 57,163,7 60,4
8
15/06/99
40 0 943,49
23,3 64,871,9 68,35
9
15/06/99
40 0 932,83
23,7 71,476,5 73,95
10
15/06/99
40 0 937,80
24,1 75,680,4 78
11
15/06/99
40 0 938,16
24,3 80,484,6 82,5
12
15/06/99
40 0 938,17
24,5 88,692,2 90,4
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA OFICINA TÉCNICA
T*
T**
(l /
min)
Area
Pot
absor
generada
generada expuesta por m2
Rend
(w)
(m2)
exp
−0,001
0,051
0,098
0,178
0,236
0,276
0,352
0,440
0,511
0,549
0,598
0,683
0,048
0,102
0,147
0,225
0,278
0,316
0,387
0,477
0,539
0,575
0,620
0,702
2,17
2,1
2,06
2,03
2,01
2,03
2,04
2,1
2,1
2,1
2,2
2,1
1436,18
1404,48
1320,32
1202,10
1134,24
1088,96
937,99
1038,73
746,13
702,24
643,72
526,68
Caudal Potencia
1,261
1,265
1,261
1,261
1,296
1,296
1,296
1,296
1,296
1,296
1,296
1,296
1138,610
1110,022
1046,759
953,030
875,089
840,152
723,678
801,399
575,653
541,791
496,642
406,343
113
1990
990
78
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
7
1,179
1,162
1,114
1,049
0,904
0,877
0,761
0,849
0,617
0,578
0,529
0,433
4. Ensayo de rendimiento instántaneo del captador atesa−export tridimensional y características
técnicas
L
Taponar
Taponar
Purgador
Nº de
captadores
1
2
3
4
5
6
Longitud L
(mm)
990 2048 3106 4164 5222 6280
Distribución
Acumulación
Captadores
solares
Agua
fría
Resistencia eléctrica
Distribución
Acumulación
Captadores
solares
8
Agua
fría
Agua fría
Caldera
Distribución
Captadores
solares
Acumulación
solar
Acumulación
de apoyo
Caldera
Distribución
Acumulación
Captadores
solares
Agua
fría
Suelo
radiante
9