Diapositiva 1 - Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos

Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos
Técnicos de Cádiz
Curso Código Técnico de la Edificación
DB-HE Ahorro de Energía
Departamento de
Ingenierí
Ingeniería Energé
Energética
Grupos de
Termotecnia y
Termodiná
Termodinámica
HE.4 y HE.5: Energía Solar:
Pérdidas de radiación por
Inclinación, Orientación y
Sombras
Isidoro Lillo Bravo
Grupo de Termodinámica y Energías Renovables
[email protected]
Septiembre - Octubre de 2006
Índice
1.- INTRODUCCION
Tecnologías de aprovechamiento del recurso solar.
2.- CARACTERIZACIÓN DEL MOVIMIENTO DEL SOL
Departamento de
Ingenierí
Ingeniería Energé
Energética
Grupos de
Termotecnia y
Termodiná
Termodinámica
Radiación Solar en España: Zonas climáticas
3.- CALCULO DE PERDIDAS POR INCLINACION Y
ORIENTACION
4.- CALCULO DE PERDIDAS POR SOMBRAS
5.- PERDIDAS LIMITES
Integración arquitectónica.
Superposición de captadores/módulos.
General.
6.- APLICACIONES SEGÚN HE-4 Y HE-5.
1.- INTRODUCCION
CONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGIA SOLAR
RENOVABLE
SOSTENIBLE
DISPERSA
DENSIDAD ENERGETICA
- Potencia: 0 - 1000 W/m2;
- Energía diaria: 3 - 7 kWh/m2·día
ALEATORIA
CONSIDERACION SOCIAL
ESTRUCTURA Y COSTES INSTALACIONES SOLARES.
“Alta inversión y bajo coste de operación y mantenimiento”
TECNOLOGIAS SOLARES
SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA ENERGETICO ACTUAL
Energías Primarias
11 Gtep
Renovables: 2 Gtep (18 %)
Rendimiento: 3 %
Combustibles, 6112 Mtep
Electricidad, 1175 Mtep
Energías Intermedias
“Abrigamos”
y “Calentamos”
Combustibles fósiles: 75,8 %
Agotables: 9 Gtep (82 %)
6,2 %
Consumo: calor, frío, luz, etc.
RECURSO SOLAR
POTENCIA: 0 - 1000 W/m2
ENERGIA DIARIA: (Sur, Inclinación óptima)
3 - 7 kWh/m2·día
Media anual: 3,2-4,9 Kwh/día
TECNOLOGIAS APROVECHAMIENTO DEL RECURSO SOLAR
1. PASIVA
- VITAL PARA EL PLANETA : SER HUMANO, ANIMALES y PLANTAS
- ARQ. BIOCLIMATICA (Parcialmente HE-1, HE-3)
2. ACTIVA
- BIOMASA , EÓLICA , HIDRAULICA…. (NO CTE)
- SOLAR:
- Instalaciones producción CALOR/FRIO:
Energía Solar Térmica de Baja Temperatura (HE-4)
- Instalaciones para producción de ELECTRICIDAD:
Energía Solar Térmica de Alta Temperatura (NO CTE)
Energía Solar Fotovoltaica (HE-5)
Solar térmica de media y
alta temperatura
Cilindro parabólicos
Paraboloide de revolución
Receptor Central
INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA A
BAJA TEMPERATURA
(HE.4)
OBJETIVO: ELEVAR LA TEMPERATURA DEL AGUA
Esquema de Principio Básico
Captador
Energía Auxiliar
Depósito+
Intercambiador
VIVIENDAS PLURIFAMILIARES, PISCINAS, INDUSTRIA,…
INSTALACION FOTOVOLTAICA CONECTADA A LA RED
GENERADOR
FOTOVOLTAICO
INVERSOR
PROTECCIONES
CONTADORES
RED
ELECTRICA
INSTALACION FOTOVOLTAICA AISLADA DE LA RED
Autoconsumo
ESTIMACION DE LA PRODUCCION
(INSTALACIONES SIN SEGUIMIENTO NI CONCENTRACION NI SOMBRAS)
Radiación anual: Entre 2000 y 1400 kWh/m2
Radiación diaria: 3-7 kWh/m2; Media And: 4,5 kWh/m2
η Inst. FV CONEXIÓN A RED : (8%)
====> Prod. Anual: 160-120 kWh/m2
(eléctricos)
ηInst. SOLAR TERMICA BT: (40%)
====>
Prod. Anual: 2880-2000 MJ/m2
(térmicos)
β
β
N
Perfil del módulo
β
O
E
α
S
Diagrama de trayectoria solares de referencia (latitud 41º)
TABLAS APÉNDICE B
Tanto por ciento (%) de pérdidas anuales para cada
sector del gráfico
E le v a c ió n (º)
80
0h
-1 h
1h
o
-2 h
D2
D1
C2
C1
D5
-3 h
40
-4 h
-5 h
20
C9
-6 h
D 11
-7 h
C8
A4
A5
A6
A7
B9
D8
B6
A2
A1
A3
B7
C6
B4
B3
3h
D6
B2
B1
B5
C7
D9
C4
C3
C5
D7
2h
D4
D3
60
4h
D 10
C10
D 12
A8
B10
C11
D 13
C12
A9
A 10
B 11
5h
B8
B12
D 14
6h
7h
0
-1 2 0
-9 0
-6 0
-3 0
0
30
60
90
120
A c im u t (º)
Ejercicio: Determinar la sombra que da un poste de 2 m, el día 13 de julio a las 11 h. solares,
en Madrid. (α= - 40º; β=67º), Longitud sombra = 2/tg 67º = m. ( 40º NOROESTE).
ZONAS CLIMATICAS SOBRE RADIACION SOLAR
GLOBAL SOBRE SUPERFICIE HORIZONTAL
ZONAS CLIMATICAS
Zona 1:
H < 3,8
Zona 2: 3,8 ≤ H < 4,2
Zona 3: 4,2 ≤ H < 4,6
Zona 4: 4,6 ≤ H < 5,0
Zona 5: H ≥ 5,0
H (kWh/m2)
PERDIDAS LIMITES
CASO
Orientación e
inclinación
OI
Sombras
S
Total
OI+S
General
10 %
10 %
15 %
Superposición
20 %
15 %
30 %
40 %
20 %
50 %
Integración
arquitectónica
CONCEPTO DE INTEGRACION
INTEGRACION ARQUITECTONICA:
Cuando mó
módulos/captadores cumplen una
doble funció
función, energé
energética y arquitectó
arquitectónica
(revestimiento, sombreado y cerramiento) y
ademá
además, sustituyen a elementos constructivos
convencionales o son elementos de la
composició
composición arquitectó
arquitectónica.
nica.
CONCEPTO DE SUPERPOSICION
SUPERPOSICION ARQUITECTONICA: Cuando
los mó
módulos/captadores se colocan paralelos a
la envolvente del edificio.
No se acepta la envolvente horizontal.
SUPERPOSICION: Si está
está sobrepuesto
en cerramiento/cubierta.
INTEGRACION : Si forma parte del
cerramiento/cubierta.
CONCEPTO “GENERAL”
GENERAL: Cuando no es superposició
superposición ni
integració
ó
n
arquitectó
ó
nica.
integraci
arquitect
INCLINACION Y ORIENTACION OPTIMAS
TECNOLOGIA
INCLINACION
OPTIMA
ORIENTACION
OPTIMA
FOTOVOLTAICA
LATITUD-10º
SUR
TERMICA
Demanda Anual
constante
LATITUD
TERMICA
Demanda
Preferente
Invierno
LATITUD+10º
TERMICA
Demanda
Preferente
Verano
LATITUD-10º
SUR
INCLINACION MINIMA: 5º
- SI LA LATITUD ES 41º :
N
165°
-165°
-150°
150°
-135°
135°
-120°
120°
105°
-105°
W
E
30°
75°
10
°
-75°
50°
60°
70°
90°
Ángulo de
inclinación
30°
β
-60°
·
100%
95% - 100%
90% - 95%
80% - 90%
70% - 80%
60% - 70%
50% - 60%
40% - 50%
30% - 40%
< 30%
-45°
-30°
15°
+
Ángulo de
S
α
-15°
Azimut
-
SI LA LATITUD ES DISTINTA DE 41º:
Pérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2 + 3,5·10-5·α2]
Pérdidas (%)=100·[1,2·10-4·(β- βopt)2]
para 15º< β< 90º
para β< 15º
EJEMPLO CASO I:
N
165°
-165°
-150°
150°
-135°
135°
-120°
120°
100%
105°
95% - 100%
90% - 95%
80% - 90%
-105°
W
E
70% - 80%
60% - 70%
50% - 60%
10°
x
· ·
30°
75°
-75°
40% - 50%
30% - 40%
50°
60°
70°
-60°
< 30%
90°
-45°
Ángulo de
inclinación β
30°
Datos
Pérdidas 0+I
Latitud 41º
Suroeste 50º
Inclinación
20º
Demanda
constante
Demanda
invierno
→ α=+50º
→ β=20º → 92%
-30°
15°
S
-15°
+
Ángulo de
Azimut α
-
Pérdidas O+I =
8%
Pérdidas O+I =
8%
EJEMPLO CASO II:
N
-165°
165°
-150°
150°
-135°
135°
-120°
120°
100%
105°
-105°
W
95% - 100%
90% - 95%
80% - 90%
E
10°
·
30°
75°
50°
60°
·
-75°
70°
-60°
< 30%
90°
-45°
Ángulo de
inclinación
70% - 80%
60% - 70%
50% - 60%
40% - 50%
30% - 40%
30°
Datos
-30°
15°
S
-15°
β
+
Ángulo deAzimut
α
-
Latitud 41º
Sureste 20º
Inclinación 30º
Pérdidas
0+I
→ α= - 20º
→ β=30º →
97%
→ Pérdidas
O+I= 3%
PERDIDAS POR SOMBRAS TEMPORALES
E. S. TERMICA
E. S. FOTOVOLTAICA
PERDIDAS POR SOMBRAS
DEBIDAS A LA PROPIA INSTALACION: Distancia entre hileras
d1 ≥ 2,5·h
Cálculo de acimut y altura solar
¡mejor en el punto medio del campo!
Cálculo de pérdidas por sombras
Elevación (º)
80
0h
β=35° α=0°
-1h
1h
D1
-2h
D2
60
C1
D5
-3h
40
-4h
20
C9
B1
B7
A1
B6
A2
A5
A6
D8
C8
A4
A7
B9
C6
B4
B3
3h
D6
B2
A3
-6h D11
-7h D13
C4
B5
C7
-5h D9
C2
C3
C5
D7
2h
D4
D3
4h
D10
B8
C10
A8 B10
C11
D12 6h
C12
A9
A10
B11
5h
B12
D14
7h
0
-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
A
B
C
D
13
0.00
0.00
0.00
0.00
11
0.00
0.01
0.12
0.44
9
0.13
0.41
0.62
1.49
7
1.00
0.95
1.27
2.76
5
1.84
1.50
1.83
3.87
3
2.70
1.88
2.21
4.67
1
3.17
2.12
2.43
5.04
2
3.17
2.12
2.33
4.99
4
2.70
1.89
2.01
4.46
6
1.79
1.51
1.65
3.63
8
0.98
0.99
1.08
2.55
10
0.11
0.42
0.52
1.33
12
0.00
0.02
0.10
0.40
14
0.00
0.00
0.00
0.02
Acimut (º)
Diagrama de trayectorias del sol
Tabla de referencia
Aporta valores de coeficientes
Ejemplo de uso de apéndices
Supongamos edificio a β=35º, α= + 30º
Elevación (º)
80
β=35° α=30°
0h
-1h
1h
D1
-2h
D2
C1
D5
-3h
40
-4h
20
C9
B1
B7
B6
A1 A2
A5
D8
C8
A4
A6 B8
A7
B9
C6
B4
B3
3h
D6
B2
A3
-6h D11
-7h D13
C4
B5
C7
-5h D9
C2
C3
C5
D7
2h
D4
D3
60
4h
D10 5h
C10
D12 6h
A8 B10
C11
C12
A9
A10
B11
B12
D14 7h
0
-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
A
B
C
D
13
0.00
0.00
0.00
0.00
11
0.00
0.00
0.03
0.06
9
0.02
0.10
0.19
0.56
7
0.54
0.55
0.78
1.80
5
1.32
1.12
1.40
3.06
3
2.24
1.60
1.92
4.14
1
2.89
1.98
2.31
4.87
2
3.16
2.15
2.40
5.20
4
2.93
2.08
2.23
5.02
6
2.14
1.82
2.00
4.46
8
1.33
1.36
1.48
3.54
10
0.18
0.71
0.88
2.26
12
0.00
0.06
0.32
1.17
14
0.00
0.00
0.00
0.22
120
Acimut (º)
Sumatorio de porcentajes por coeficientes: 0.25*A1; 0,25*A2; 0,5*A3, ….
DATOS INICIALES: αp= 0º, βp= 42º;h1 = 7 m, h2 = 7 m, a1 = 5 m, b1 = 6 m, ,a2 = 4 m y b2 = 9 m.
Resultan: α1= - 40º, β1= 63,67º, α2 = - 24º y β2= 45º.
1
2
H
H
h1
a1
b1
a2
h2
b2
β2
β1
βp
d1
α1
d2
α2
0
Sur
Norte
3
E le v a c ió n (º)
80
0h
-1 h
1h
1
-2 h
D1
D2
C1
D5
-3 h
40
-4 h
-5 h
20
D9
C4
B1
B7
A1
D8
B6
A2
C8
A4
A5
A6
A7
B9
C6
B4
B3
3h
D6
B2
A3
D 11
-7 h D 1 3
C2
2
B5
C7
C9
-6 h
C3
C5
D7
2h
D4
D3
60
4h
D 10
C10
D 12
A8
B10
C11
C12
A9
A 10
B11
5h
B8
B12
D 14
6h
7h
0
-1 2 0
-9 0
-6 0
-3 0
0
30
60
90
120
A c im u t (º)
Para α= 0º, β= 35º, que es lo más parecido a α= 0º, β= 42º.
Resulta, A5 = 1,84, A3 = 2,70, B3 = 1,88, B5 = 1,50, C3 = 2,21 y D3 = 4,67.
Porcentajes, en función del área sombreado , de 0,25 a D3, de 0,75 a C3, de 1
a B3, de 0,25 a B5, de 0,75 a A5 y 0,75 a A3.
Sumando los valores de los coeficientes con sus porcentajes, resulta el
porcentaje de reducción de la radiación incidente debido a la sombra del muro:
1,84*0,75+2,70*0,75+1,88*1+1,50*0,25+2,21*0,75+4,67*0,25= 8,485%
Datos
Pérdidas totales
Ejemplo CASO II
→ α= - 20º
→ β=30º
→ Pérdidas O+I= 3%
Latitud 41º
Sureste 20º
Inclinación 30º
→ Pérdidas
Sombras = 3%
→ Pérdidas totales= 6%
E le v a c ió n (º)
80
0h
-1 h
1h
D2
D1
-2 h
C2
C1
D5
-3 h
40
-4 h
-5 h
20
C9
-6 h
D 11
-7 h
C8
A4
A5
A6
A7
B9
D8
B6
A2
A1
A3
B7
C6
B4
B3
3h
D6
B2
B1
B5
C7
D9
C4
C3
C5
D7
2h
D4
D3
60
4h
D 10
C10
D 12
A8
B10
C11
D 13
C12
A9
A 10
B11
5h
B8
B 12
D 14
6h
7h
0
-1 2 0
-9 0
-6 0
-3 0
0
30
60
90
120
A c im u t (º)
Apéndice: Tabla C.2; β=35º; α= - 30º :
Pérdidas sombras=
D14+D12+D10+D8+C12+C10+B12+ 0,5·D6+0,5·C8+05·B10+0,5·D13 =
0,08+0,05+0,5+1,64+0,03+0,15+0+0,5·0,65+0,5·0,1+0,5·0,22= 2,935%~ 3%
Terrazas planas
Estructura
soporte sobre
el tejado
Parasol FV:
Claraboyas en
cubiertas
Tejados inclinados
Montados sobre el tejado
Sustituyendo parte
del tejado
Con refrigeración
posterior
Fachadas
Total o
parcialmente
integrada
Haciendo efecto
invernadero
Cerramiento de balcón
Fachadas: Voladizos
Otras combinaciones (I)