Aprovechamiento de la Energía Solar Aprovechamiento de la

Aprovechamiento de la Energía Solar
• Captación activa a BAJAS TEMPERATURAS
• Captación por CONCENTRACIÓN
• Conversión FOTOVOLTAICA
• Efecto fotovoltaico
• Uso: Energía Eléctrica
•
•
•
•
•
Digestores
Destilación, Desalinización y Desinfección Solar
Secadores / Invernaderos
Cocinas Solares
Sistemas centralizados (torre solar + heliostatos)
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Aprovechamiento de la Energía Solar
Aprovechamiento térmico de la Energía Solar → calentar un fluido
• Captación BAJA TEMPERATURA (Tª < 90ºC)
• Calentamiento de un fluido
• Elevada conductividad térmica
• Usos: Calefacción y A.C.S.
• Captación por CONCENTRACIÓN (Tª > 100ºC)
• Aumentar el flujo de energía incidente sobre la superficie
absorbente
• Usos: Refrigeración Solar, Producción de vapor y/o
Energía Eléctrica
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
ESQUEMA BÁSICO
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
ESQUEMA BÁSICO
Circuito hidráulico
(válvulas, tuberías, bombas)
Generador
auxiliar
Sistema de
regulación y control
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
COLECTOR – CAPTADOR
→
Con CONCENTRACIÓN
Sin CONCENTRACIÓN
Incidente = Útil + Pérdidas
COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP)
Paralelepípedo
• Efecto INVERNADERO
Componentes:
1 - Cubierta (Vidrio)
2 - Absorbedor (Superficie Selectiva)
3 - Tubería de circulación del fluido
4 - Aislamiento posterior
5 - Carcasa protectora
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Efecto INVERNADERO
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Efecto INVERNADERO
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP)
Cubierta
• Responsable del efecto invernadero
• Asegurar la estanqueidad exterior
• Alto coeficiente de transmisión en la banda VIS
• Bajo coeficiente de transmisión en la banda IR
• Bajo coeficiente de conductividad térmica
• Propiedades mecánicas (Templado)
• Tratamientos antirreflejantes
Pérdidas ↓
Absorbedor
• Elemento donde la radiación solar se transforma en calor y se
transmite al fluido
• Superficie Selectiva (revestimiento especial para facilitar la
absorción)
• Criterios de selección:
• Tratamiento de la superficie (pintura / superposición)
• Pérdidas de carga
• Capacidad anti-corrosiva contra el fluido
• Inercia térmica y sobrepresiones
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Aislamiento
• Protege contra las pérdidas térmicas
• Comportamiento con la temperatura
• No desprenda vapores que condensen en la cubierta
• Protegidos frente a la humedad
Carcasa
• Misión: Proteger y soportar los elementos del colector
• Rigidez
• Capacidad anti-corrosiva
• Resistencia a los cambios de temperatura
• Aireación interior
• Evite la retención de agua, hielo y/o nieve
• Fácilmente desmontables
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP): Balance Energético
Energía Incidente = Energía Útil + Pérdidas
• Condiciones estacionarias
• Curva de Rendimiento : Índice de eficacia del colector
η = Útil/Incidente
• No toda la Energía Incidente es absorbida
• Energía Total Absorbida: Q1 = S·I·τ·α
• Pérdidas – Coeficiente Global de Pérdidas U (experimentalmente)
Q2 = S·U·(Tc – Ta) con TC: Tª placa absorbedora y Ta : Tª ambiente
• Energía Útil (Q):
Q = S·[ I·α·τ - U·(Tc – Ta) ]
Temperatura media del fluido: Tm =(Tent + Tsal)/2
• No todo el calor absorbido es transformado: FR (factor de eficacia)
Depende del caudal y las características de la placa
Q = S·FR·[ I·(α·τ)N - U·(Tm – Ta) ]
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
CURVA CARACTERÍSTICA: Rendimiento
• Ensayo en banco de pruebas
• Índice de eficacia del colector η = Útil/Incidente
η = FR·[ (α·τ)N - U·(Tm – Ta)/I ]
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Clasificación (según sistema de INTERCAMBIO)
Circuito Abierto o DIRECTO
Circuito Cerrado o INDIRECTO
Radiación
Intercambiador
Colector
Colector
Acumulador
Circuito abierto
Acumulador
Circuito cerrado
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Clasificación (según principio de CIRCULACIÓN DEL AGUA)
Circulación NATURAL o TERMOSIFÓN (densidad del agua)
Circulación FORZADA (uso de bombas)
Clasificación (según la DISTRIBUCIÓN DE LOS COMPONENTES)
Sistemas COMPACTOS (colector, intercambiador y
acumulador montados en una sola unidad)
Sistemas PARTIDOS (separación entre elementos básicos,
mejor integración arquitectónica)
Clasificación (según disposición del SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR)
En LINEA o INSTANTÁNEOS: calienta el agua demandada, sin
interferencias en el depósito ni colector; requiere elevada
potencia → calentadores de gas
En ACUMULADOR SECUNDARIO, produce in incremento del
coste y aumento de las pérdidas
INTEGRADO EN ACUMULADOR PRINCIPAL (sencillez en el
control y bajo coste; aporte de calor en la parte superior)
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Ejemplo de sistema en TERMOSIFON COMPACTO
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Ejemplo de sistema TERMOSIFÓN
para consumo directo o
acumulación intermedia
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Ejemplo de sistema en
circulación FORZADA ABIERTO
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Ejemplo de sistema en circulación
FORZADA INDIRECTO PARTIDO
Primario – solución anticongelante
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Ejemplo de sistema en circulación
FORZADA INDIRECTO PARTIDO
Primario – fluido con anticongelante
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
DISEÑO de la instalación → ÓPTIMO aprovechamiento
• Sujeción y Orientación (hacia el Hemisferio SUR)
ÁNGULO DE INCLINACIÓN
Invierno
Latitud del lugar + 10º
Verano
Latitud del lugar - 10º
• Sombras (evitar que la exposición exceda del 5% de la
superficie en el día más desfavorable)
• Distancia entre colectores
d min = d1 + d 2 =
=
z
z
+
=
tan h0 tan α
⎛ sen α
⎞
L·sen α L·sen α
+
= L· ⎜⎜
+ cos α ⎟⎟
tan h0
tan α
⎝ tan h0
⎠
h0 = (90º - φ) – 23,5
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Conexionado
Conexión en serie
☺ Menores caudales, secciones
más pequeñas y recorridos más
cortos, reduce costes de instalación
y operación
Aumento de la temperatura
producida, disminuye el rendimiento
de la instalación; poco recomendable
en termosifón
Conexión en paralelo
☺ Mayor rendimiento
Incrementa la longitud y diámetro
de tuberías
Válvulas detentoras (equilibrar
pérdidas de carga
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Conexionado serie-paralelo
Captadores en filas, instalando
válvulas de cierre a la entrada y
salida de las baterías
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Documento Básico HE Ahorro de Energía del CTE (HE4)
1.- Se debe prestar especial atención en la estanqueidad y durabilidad de las
conexiones del captador.
2.- Los captadores se dispondrán en filas constituidas, preferentemente, por el
mismo número de elementos. Las filas de captadores se pueden conectar entre sí
en paralelo, en serie ó en serie-paralelo, debiéndose instalar válvulas de cierre,
en la entrada y salida de las distintas baterías de captadores y entre las bombas,
de manera que puedan utilizarse para aislamiento de estos componentes en
labores de mantenimiento, sustitución, etc. Además se instalará una válvula de
seguridad por fila con el fin de proteger la instalación.
3.- Dentro de cada fila los captadores se conectarán en serie ó en paralelo. El
número de captadores que se pueden conectar en paralelo tendrá en cuenta las
limitaciones del fabricante. En el caso de que la aplicación sea exclusivamente
de ACS se podrán conectar en serie hasta 10 m2 en las zonas climáticas I y II,
hasta 8 m2 en la zona climática III y hasta 6 m2 en las zonas climáticas IV y V.
4.- La conexión entre captadores y entre filas se realizará de manera que el
circuito resulte equilibrado hidráulicamente recomendándose el retorno
invertido frente a la instalación de válvulas de equilibrado
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Acumulador: Acumulación de Energía
Variación temporal consumo → ACUMULACIÓN
Se busca:
Alta capacidad calorífica con volumen reducido para conseguir
una temperatura de utilización acorde con la necesidad.
Bajo coste, seguridad y larga duración
Tanque de acero inoxidable aislado con forma cilíndrica (mayor la
vertical que la horizontal para favorecer la estratificación)
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• Intercambiador
Sirve para ceder el calor absorbido por un líquido en el
circuito de placas colectoras al agua de consumo
Supone:
Pérdida de rendimiento del sistema
Eleva el coste de la instalación
Selección:
Rendimiento (relación entre energía obtenida e
introducida)
Eficacia del intercambio ε (relación entre la energía
calorífica intercambiada y la máxima teórica, por unidad
de tiempo)
η > 95% , ε > 0.7
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Electrobombas (suministran energía al fluido para transportarlo)
Las curvas de las electrobombas establecen la relación
entre altura manométrica, rendimiento y potencia
Pensadas para vencer las pérdidas de carga para
determinados caudales de circulación
• Protección y Aislamiento
Protección contra congelación
Protección contra ebullición (en colectores y en
almacenamiento)
Aislamiento, espesor y tipo de tubería
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• Depósito de expansión (absorber dilataciones del agua)
V = 1.25·VC +0.05·VR
• Válvulas
de seguridad (contra sobrepresiones)
antirretorno (evita la recirculación inversa)
de paso (interrupción del paso)
• Purgadores y desaireadores (evacuar gases en el fluido)
• Termostato diferencial y sondas de temperatura (sistema de
control)
• Resistencias calefactoras (sistema auxiliar)
• Grifos de vaciado (mantenimiento)
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Cálculo de la SUPERFICIE COLECTORA (cobertura ÓPTIMA)
• Diversos métodos de cálculo pero ninguna asegura el óptimo
Cada método parte de criterios diferentes como base de
selección de la superficie de colectores
• Método F-Chart
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Método estimación aportación solar igual al consumo (mes medio)
Cálculo de la radiación media-diaria mensual
Cálculo de la intensidad útil
I = Rad. Media-diaria mensual / Tiempo útil del día
Ejemplo de tiempo útil (horas) de radiación solar (Provincia de Pontevedra)
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
8,0
9,0
9,0
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,0
9,0
8,0
7,5
Cálculo del rendimiento del colector
η= FR·[ (α·τ)N - U·(Tm – Ta)/I ]
Correcciones: 0.97 por ángulo de incidencia y efecto
suciedad y envejecimiento
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Método estimación aportación solar igual al consumo (mes medio)
Cálculo de la aportación solar en un día medio por m2 (EA)
EA = η · Rad. Media diaria mensual
Cálculo de la energía neta mensual disponible por m2 (Ed)
Estimación de las pérdidas (acumulador- intercambiador):
Sin datos :
Ed = 0.85·EA·nº días del mes
Consumo concentrado en horas punta
Ed = 0.8·EA·nº días del mes
Consumo en últimas horas del día
Ed = 0.9·EA·nº días del mes
Cálculo de la superficie de colectores
Área necesaria = Σ Necesidades Energéticas mes / Σ Ed
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
Método estimación aportación solar igual al consumo (mes medio)
LIMITACIONES
Más válido cuanto más se ajuste la curva de la demanda a
la de energía neta disponible
Se considera el día medio del mes con días de mayor
radiación
No considera los costes de la instalación
Método aproximado → SIMULACIÓN
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• MÉTODO F-Chart
Método de estimación de la cobertura solar para determinar la
aportación del calor total necesario para cubrir las cargas térmicas
y de su rendimiento medio a largo plazo
Parámetro f : fracción de la carga calorífica mensual aportada por el
sistema de energía solar
Secuencia en el cálculo:
1. Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento
de agua destinada a la producción de A.C.S. o calefacción
2. Valoración de la radiación solar incidente en la superficie
inclinada del captador o captadores
3. Cálculo del parámetro D1
4. Cálculo del parámetro D2
5. Determinación de la gráfica f
6. Valoración de la cobertura solar mensual
7. Valoración de la cobertura solar anual y formación de tablas
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• MÉTODO F-Chart
Cálculo de las cargas caloríficas (calor necesario mensual)
Qa = Ce·C·N·(Tac-Tred)
Cálculo del parámetro D1
(Energía absorbida / Carga calorífica mensual)
D1 = S·FR’(ατ)·I·N / Qa
FR’(ατ) = factor adimensional dependiente del captador
Cálculo del parámetro D2
(Energía perdida / Carga calorífica mensual)
D2 = S·FR’UL·(100-Ta)· ΔT·K1·K2 / Qa
FR’UL = FRUL·(FR’/FR)
FRUL = pendiente de la curva característica
(FR’/FR) = factor de corrección del conjunto captadorintercambidor
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Instalación Solar Térmica de Baja Temperatura
• MÉTODO F-Chart
K1 = Factor de corrección por almacenamiento. Siempre que la
capacidad de acumulación sea diferente de 75 litros de agua por
cada m2 de superficie de captador, D2 es corregido por K1,
K1 = [ Kg de acumulación / (75 ⋅ S) ]-0,25
37,5 < (kg acumulación) / (m2 captador) < 300
K2 = Factor de corrección, para A.C.S., que relaciona la
temperatura mínima del A.C.S (Tac), la del agua de la red (Tred)
y la media mensual ambiente (Ta), dado por
K2 = 11,6 + 1,18 Tac + 3,86 Tred - 2,32 Ta / (100-Ta)
Cálculo de la fracción f
f = 1,029·D1 - 0,0065·D2 - 0,245·D12 + 0,0018·D22 + 0,0215·D13
Con los límites de aplicación:
0 < D1 < 3 y 0 < D2 < 18
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• MÉTODO F-Chart
Energía útil captada cada mes (Qu) :
Qu = f . Qa
Cálculo iterativo para cada mes
Cálculo de la Cobertura Anual
• ALMACENAMIENTO
Características a considerar para diseñar y calcular
1.- Capacidad por unidad de volumen
2.- Rango de temperaturas en el que funciona
3.- Estratificación de temperaturas en el depósito de
producirse este fenómeno
4.- Energía media asociada a la temperatura que ha de
recibir y/o ceder el sistema
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