FACULTAD DE CIENCIAS Energías Limpias: Energía Solar

POSGRADO CIENCIAS APLICADAS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ
FACULTAD DE CIENCIAS
Av. Dr. Salvador Nava Mtz. S/N Zona Universitaria
Teléfono 826-24-91; www.fciencias.uaslp.mx
San Luis Potosí, S.L.P., México
Energías Limpias: Energía Solar r
Prerrequisito sugerido: Tópicos de Energía Renovable I
Modalidad: Teórico-práctica
Carga horaria: 5 horas/semana
Semestre:
Elaboró: Dr. Yuri Nahmad Molinari
Fecha: mayo de 2010
PROGRAMA
Presentación
En este curso se pretende dotar de las herramientas básicas de cálculo para la ingeniería de
sistemas solares, su instalación y la determinación de su eficiencia. Se da un panorama general
de las distintas tecnologías solares que ya están en uso y de las que aún se encuentran en
desarrollo y no han logrado ser comercialmente competitivas.
Objetivo general
Al estudiar el curso el alumno obtendrá las bases para calcular diseñar y desarrollar sistemas
solares para la producción de energía. Además, será capaz de realizar estudios diagnósticos y
evaluaciones de la eficiencia de sistemas y procesos basados en energía solar.
UNIDAD I. RECURSOS SOLARES (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES
El alumno reconocerá la distribución, disponibilidad y limitantes básicos en la colección de
energía solar.
ORDEN TEMÁTICO.
1.1. El Sol. Características físicas. Distribución espectral de la radiación solar.
1.2. Efecto atmosférico sobre la radiación solar. Irradiancia y Constante solar. Componentes de
la radiación en superficie. Masa de aire.
1.3. Medida de la radiación solar. Instrumentos para la medida de la irradiancia. Instrumentos
para la medida de las horas de radiación directa.
1.4. Posición del Sol. Geometría del movimiento del Sol. Cálculo de las coordenadas horarias.
Cálculo de las coordenadas horizontales. Diagramas de la trayectoria solar.
1.5. Irradiación extraterrestre horizontal. Insolación máxima. Irradiación extraterrestre en el plano
horizontal.
1.6. Cálculo de sombras.
1.7. Irradiancia en un captador. Ángulo de incidencia. Irradiancia en el plano inclinado.
1.8. Irradiación en un captador. Irradiación mensual en planos inclinados. Orientación e
inclinación óptima de los captadores.
1.9. Disponibilidad
UNIDAD II. DISEÑOS Y TECNOLOGÍAS DE APROVECHAMIENTO PASIVO (5 horas).
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OBJETIVOS PARTICULARES.
Después del estudio de esta unidad, el alumno estará familiarizado con las tecnologías solares
más elementales y los elementos de diseño arquitectónico para el mejor aprovechamiento de la
energía solar.
ORDEN TEMÁTICO.
2.1. Introducción, Arquitectura solar pasiva o bioclimática.
2.2. Estrategias de diseño. Control de ganancias. Control de pérdidas. Control de la demanda de
energía. Control del estado de la tecnología.
2.3. Factores medioambientales y clima.
2.4. Aspectos arquitectónicos de diseño. Ubicación, situación y orientación. Distribución.
Geometría. Estructura, materiales y almacenamiento de energía. Aspectos legales y normativos.
2.5. Elementos constructivos. Techos y suelos. Perforaciones y aberturas. Paredes y
aislamientos. Elementos de protección y control solar. Influencia del entorno: Ajardinamiento.
Técnicas de Iluminación. Sistemas convencionales de refrigeración, calefacción y ventilación.
2.6. Calefacción y refrigeración solar pasiva. Calefacción solar pasiva. Sistemas de refrigeración
pasiva. Edificios semienterrados.
UNIDAD III. COLECTORES TÉRMICOS (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno relacionará las propiedades ópticas y térmicas de los materiales con la eficiencia de
los calentadores solares o colectores térmicos.
ORDEN TEMÁTICO.
3.1. El colector de placa plana. Conversión en energía solar térmica. Componentes del colector.
3.2. Pérdidas térmicas. Conducción. Convección. Radiación. Efecto invernadero.
3.3. Superficies selectivas. Pinturas selectivas. Cermets.
3.4. Pérdidas ópticas. Transmisividad de la cubierta. El producto transmisividad-absortividad.
3.5. Ecuación de rendimiento. Balance de energía. Factor de flujo, de eficiencia y de extracción
de calor. Temperatura de estancamiento. Rendimiento del colector.
3.6. Clasificación de los colectores.
3.7. Colectores de tubos de vacío.
3.8. Colectores de aire.
UNIDAD IV. CÉLULAS Y MÓDULOS FOTOVOLTAICOS (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Al final de la unidad el alumno entenderá los principios básicos de funcionamiento de los
sistemas fotovoltaicos y entenderá las limitantes intrínsecas de la eficiencia de estos sistemas.
ORDEN TEMÁTICO.
4.1. Introducción a las células fotovoltaicas.
4.2. Fundamentos de las células solares. Estructura de bandas y materiales semiconductores.
Unión entre semiconductores. Absorción de la luz y efecto fotovoltaico.
4.3. Características eléctricas de las células fotovoltaicas. Parámetros de funcionamiento.
Efectos de la irradiancia y la temperatura.
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4.4. Fabricación de células solares. Células de silicio monocristalinas (c-Si). Evolución de la
eficiencia de las células monocristalinas. Células de silicio multicristalinas (mc-Si). Fabricación de
células de capa delgada.
4.5. Fabricación de módulos o paneles fotovoltaicos. Fabricación de módulos cristalinos.
Módulos integrados.
4.6. Funcionamiento de los módulos fotovoltaicos.
4.7 Sistemas Fotovoltaicos de nanopartículas semiconductoras entintadas y sistemas
poliméricos
UNIDAD V. SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES
El alumno distinguirá las virtudes de cada uno de los distintos tipos de concentradores y será
capaz de evaluar la eficiencia de los distintos sistemas de concentración.
ORDEN TEMÁTICO.
5.1. Introducción.
5.2. Bases ópticas.
5.3. Tipologías de concentradores. Concentradores estáticos. Concentrador parabólico
compuesto (CPC). Concentradores cilindro-parabólicos. Discos parabólicos (CDP).
Concentradores refractivos.
5.4. Nuevos tipos de aplicaciones. Concentradores térmico-fotovoltaicos. Células de
concentración. Microconcentradores. Concentradores luminescentes.
5.5. Materiales reflectores.
5.6. Seguimiento solar. Seguimiento por efemérides astronómica. Seguimiento directo.
UNIDAD VI. . SISTEMA TÉRMICO. (5 horas).
OBJETIVO PARTICULAR
El alumno podrá determinar los elementos de diseño adecuados para cada diferente sistema
solar térmico.
ORDEN TEMÁTICO.
6.1. Tipos de instalaciones. Circulación natural o termosifón. Termosifón con doble circuito.
Circulación forzada. Caracterización dinámica de colectores.
6.2. Estructura de la instalación. Conexión entre captadores. Soporte de los colectores.
6.3. Circuito hidráulico, válvulas y bombas circuladoras.
6.4. Acumulador e intercambiador.
6.5. Otros elementos. Vaso de expansión. Sondas y dispositivos de control.
6.6. Fluido caloportador.
6.7. Aislamientos.
UNIDAD VII. DIMENSIONADO DE INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE.
(5 horas)
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno será capaz de dimensionar, diseñar e implementar sistemas solares térmicos.
ORDEN TEMÁTICO.
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7.1. Cálculo de las cargas térmicas. Carga mensual de calefacción. Calentamiento de agua
sanitaria.
7.2. Superficie de captación. Método de las curvas-f.
7.3. Identificación de las variables adimensionales. Cálculos.
7.4. Sistemas solares con fluido caloportador líquido.
7.5. Sistemas solares con fluido caloportador aire.
7.6. Dimensionado del acumulador.
7.7. Dimensionado de los intercambiadores de calor, exterior e interior.
7.8. Dimensionado de los electrociruladores.
7.9. Dimensionado del vaso de expansión.
7.10. Energías de apoyo.
UNIDAD VIII. SISTEMA FOTOVOLTAICO. (3 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno podrá determinar los elementos de diseño adecuados para cada diferente sistema
solar fotovoltaico.
ORDEN TEMÁTICO.
8.1. Tipos de instalaciones fotovoltaicas. Instalaciones o sistemas autónomos de la red eléctrica.
Instalaciones o sistemas conectados a la red eléctrica.
8.2. Componentes de un sistema fotovoltaico.
8.3. Subsistema de captación de energía.
8.4. Subsistema de acumulación de energía eléctrica.
8.5. Subsistema de regulación.
8.6. Subsistema de adaptación del suministro eléctrico. Inversores. Tipos de inversores. Los
inversores con relación a la red eléctrica. Rendimiento de los inversores.
8.7. Subsistema de transporte de la energía eléctrica.
8.8. Subsistema de control, medida y protección.
UNIDAD IX. DIMENSIONADO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS. (10 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Al final de la unidad el alumno será capaz de dimensionar, diseñar, calcular e implementar un
sistema fotovoltaico.
ORDEN TEMÁTICO.
9.1. Instalaciones autónomas. Determinación de la energía eléctrica diaria requerida.
Determinación del promedio de la radiación diaria disponible. Determinación del peor mes o del
mes más desfavorable. Elección del tipo y número de paneles fotovoltaicos. Cálculo de la
conexión de los módulos. Dimensionado del subsistema de acumulación de energía eléctrica.
Dimensionado del subsistema de regulación. Dimensionado del subsistema de adaptación del
suministro eléctrico. Dimensionado del subsistema de transporte de la energía eléctrica. Diseño y
dimensionado del subsistema de control, medida y protección.
9.2. Instalaciones conectadas a la red.
9.3. Instalaciones semi-autónomas con conexión a la red.
9.4. Evaluación de costes.
9.5. Aspectos legales y reglamentarios.
9.6. Aspectos medioambientales.
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UNIDAD X. GENERACIÓN TERMOELÉCTRICA. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno identificará los principales sistemas de generación termoeléctrica y sus requerimientos
para el uso de energía solar.
ORDEN TEMÁTICO.
10.1. Ciclo de Rankine. Turbina de vapor.
10.2. Ciclo de Stirling. Motor de Stirling.
10.3. Ciclo de Brayton. Turbina de gas.
10.4. Generación a baja y mediana temperatura. Dispositivos cilíndrico-parabólicos. Plantas
solares de chimenea.
10.5. Generación a alta temperatura. Dispositivos disco-parabólicos. Central de torre.
UNIDAD XI. SECADO. (3 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno aplicará los conocimientos y competencias en un problema de diseño para determinar
los gastos de energía y dimensiones de secaderos de materia orgánica.
ORDEN TEMÁTICO.
11.1. Secado de productos agro-forestales. Secado mediante aire climatizado. Factores que
rigen el proceso. Clasificación de los secaderos.
11.2. Secaderos pasivos. Tipo directo, indirecto y mixto.
11.3. Secaderos activos. Tipo directo, indirecto y mixto.
11.4. Modelo analítico. Flujos de energía. Secado.
UNIDAD XII. BOMBEO DE AGUA. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno reconocerá la problemática del uso de la energía solar para el bombeo de agua y será
capaz de dimensionar un sistema de bombeo.
ORDEN TEMÁTICO.
12.1. Introducción. Situación del bombeo fotovoltaico. Componentes básicos.
12.2. Motores.
12.3. Bombas. Bombas centrífugas. Bombas de desplazamiento positivo. Selección de la bomba.
Acoplamiento del sistema motor-bomba.
12.4. Acondicionamiento de potencia.
12.5. El sistema hidráulico.
12.6. Dimensionado.
12.7. Modelo analítico. Estructura de un modelo detallado. Análisis energético.
12.8. Aspectos socio-económicos en países en desarrollo. Sostenibilidad. Asistencia técnica e
infraestructura local. Implantación del bombeo solar.
UNIDAD XIII. REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno conocerá los principios fundamentales de la refrigeración solar activa y por adsorción.
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ORDEN TEMÁTICO.
13.1. Refrigeración solar activa.
13.2. Refrigeración por compresión eléctrica. Frigoríficos y congeladores CC de alta eficiencia.
Neveras para vacunas. Sistemas convencionales de refrigeración.
13.3. Desecación. Los fenómenos de la adsorción y la absorción. Desecantes sólidos. Operación
de los sistemas desecantes sólidos. Desecantes líquidos.
13.4. Refrigeración por adsorción. Desarrollo de la tecnología. La tecnología de agua-bromuro de
litio. Requerimientos de las máquinas de agua-bromuro de litio. Operación de la máquina de
efecto simple. Intercambios de una máquina de efecto simple.
UNIDAD XIV. PROCESOS CON ENERGÍA SOLAR. (4 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno aplicará los conocimientos y competencias del curso para el estudio de un caso de
interés o en un problema de diseño.
ORDEN TEMÁTICO.
14.1. Estanques solares. Morfología y funcionamiento. Mantenimiento. Ecuaciones básicas.
Aplicaciones.
14.2. Desalinización. Clasificación de los destiladores. Destiladores de evaporación directa.
Plantas de desalinización indirecta. Destilación por ósmosis inversa y electrodiálisis.
14.3. Desinfección fotolítica. Tratamiento del agua. Tratamiento del suelo.
14.4. Desinfección fotocatalítica. Las reacciones fotocatalíticas. Reactores. Modelo cinético.
UNIDAD XV. COSECHANDO ENERGÍA SOLAR CON BIOMASA. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno podrá determinar la mejor opción para el cultivo de biomasa y su potencial en la
producción de biocombustibles.
ORDEN TEMÁTICO.
15.1. Recursos energéticos en la biomasa; cultivos terrestres y marinos.
15.2. Cálculos termodinámicos para energía de biomasa.
15.3. Conversión de biomasa a biocombustibles líquidos o gaseosos.
15.4. Conversión de Biomasa a electricidad.
METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE
Exposición teórica (profesor) seguida de aplicaciones y ejemplos. Trabajo fuera de clase y
realización tareas (alumnos). Se apoyará el curso con material audiovisual y prácticas de
laboratorio.
CRITERIOS DE EVALUACION
De acuerdo al Reglamento de exámenes de la UASLP, la calificación final se obtiene del
promedio de tres exámenes parciales. La calificación de cada uno de los exámenes parciales se
obtiene de la siguiente forma: examen escrito (50 %), tareas, caso de estudio (o problema de
diseño) (30 %) y participación en clase (20 %).
2. BIBLIOGRAFÍA
POSGRADO CIENCIAS APLICADAS
[1] M. Ibañez Plana, J. R. Rosell Polo, J. I. Rosell Urrutia, Tecnología Solar (Universidad de
Lleida), 2005.
[2] D. Yogi Goswami, Jan F. Kreider, Principles of solar engineering, Taylor & Francis – 2000.