Presentación 3 – Energía Solar Térmica

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Tecnologías y Componentes de un sistema solar
térmico
Martin Guillaume
Ingeniero en Energía Solar
Centro de Desarrollo Energético Antofagasta,
Universidad de Antofagasta
HISTORIA
• Aprovechamiento directo energía solar: calentar, secar ropa,
deshidratar comida…
• Desarrollo de la tecnología:
 Invernaderos
 Siglo III a.C.: Arquímedes incinera los barcos romanos a
través del uso de espejos para concentrar la luz solar.
 El suizo Horace de Saussure 1767 inventa el
colector solar
 1792 Lavoisier crea un horno solar para fundir
metales
 1874 Charles Wilson diseña una instalación para la
destilación de agua marina en el desierto de
Atacama.
http://www.sitiosolar.com/historia-de-la-energia-solar-termica-parte-i/
HISTORIA
T < 150 ºC
150 ºC < T < 500 ºC
T > 500 ºC
BAJA TEMPERATURA
• Temperatura < 150°C
• Producción de Agua Caliente Sanitaria : ACS
• Sistemas solares térmicos de baja temperatura: CAPTADORES
1.
Captadores solares de placa plana sin cubierta transparente
2.
3.
4.
5.
6.
Captadores solares de placa plana con cubierta transparente
Captadores solares de placa plana de alta eficiencia
Captadores de vacío
Captadores con concentración CPC
Cocina y horno solar
BAJA TEMPERATURA
• Otras aplicaciones:
1.
2.
3.
Calentamiento agua piscinas
Calefacción y Enfriamiento
Calor para procesos
TECNOLOGÍAS
1. Captadores solares de placa plana sin cubierta
transparente
• Son los captadores lo más sencillos
• Son económicos y fáciles de instalar.
• Materiales de plástico negro (polietileno,
PVC, polipropileno).
• Al no estar protegidos contra la temperatura exterior, ni contra la acción
del viento, no tienen efecto invernadero por lo que su rendimiento en
condiciones desfavorables es bajo.
TECNOLOGÍAS
• Con una temperatura ambiente de por
lo menos 20° C se produce agua
caliente de 40° C aproximadamente.
• Su aplicación principal será aquella que
no necesita una temperatura elevada
del fluido y que sea utilizado en
condiciones meteorológicas favorables.
• Se usan principalmente en piscinas u
otros procesos que no requieran agua a
temperatura elevada.
sistema-energia-solar.com
TECNOLOGÍAS
2. Captadores solares de placa plana con cubierta
transparente
• Tecnología la mas utilizada
• Los elementos que lo componen son:
 Cubierta transparente
 Absorbedor
Captador de Placa Plana
CPP
 Aislamiento
 Caja contenedora
TECNOLOGÍAS
• Mas protecciones y mejor aislamiento
Menos perdidas térmicas
• Las temperaturas de trabajo pueden alcanzar valores cercanos a los
100°C durante todo el año.
• Aplicaciones: - ACS
- Calefacción
- Calor de proceso
TECNOLOGÍAS
3. Captadores solares de placa plana de alta eficiencia
• Una variación de los CPPs son captadores que utilizan cubiertas
transparentes de doble vidrio o materiales aislantes transparentes
situados entre el absorbedor y la cubierta transparente.
• Estos captadores poseen una mayor eficiencia, pudiendo conseguir
temperaturas del fluido caloportador más elevadas.
• Pueden ser utilizados en aplicaciones donde se requiera una mayor
temperatura o en condiciones climatológicas más desfavorables.
TECNOLOGÍAS
4. Captadores de tubo de vacío
• El vacío permite de reducir las pérdidas
térmicas y se consigue alcanzar
temperaturas mas elevadas.
• Usualmente pueden trabajar hasta 120°C.
• Tiene mejor comportamiento
frente a las pérdidas, aunque
el rendimiento óptico puede
ser menor que el de los CPP.
TECNOLOGÍAS
• Están compuestos de:
 Tubos para la circulación del
fluido
 Placa de aluminio negra
(absorbedor)
 Tubos de vació
• Son especialmente adecuados para ser
 Caja de conexión
instalados en zonas de insolación
medio-baja, incluso con condiciones
climáticas rígidas.
• Existe dos tipos de funcionamiento
para los sistemas de tubos de vacíos:
• U Pipe (Circulación directa)
• Heat Pipe
TECNOLOGÍAS
U Pipe (Circulación Directa):
1.
Se usa el mismo fluido a dentro de los
tubos
2.
Se transfiere a los tubos el calor por
medio de la lamina de aluminio
(absorbedor).
TECNOLOGÍAS
Heat Pipe:
1.
Se usa un fluido especifico a dentro de
cada tubo
2.
El fluido cambia a estado de vapor y se
eleva hasta el condensador.
3.
El calor entonces se transfiere al fluido
caloportador del circuito primario y al
hacerlo el vapor se convierte de nuevo en
líquido, volviendo a la base del tubo de
calor.
TECNOLOGÍAS
5. Captadores con concentración CPC
• Si se aumenta la radiación que llega al
absorbedor se podrá aumentar la temperatura
de trabajo del fluido sin necesidad de
incrementar en la misma proporción las
pérdidas térmica.
• Los CPC están formados por dos paraboloides.
TECNOLOGÍAS
6. Cocina y horno solar
• Tecnología sencilla
• Aprovechan concentración y efecto invernadero
• Modelos artesanales
• Hace falta seguimiento solar manual cada 15-20
minutos
• Temperatura de más de 200 grados, según la
calidad del concentrador
• Tiempos de ebullición mínimos de 12-15 minutos
TECNOLOGÍAS
Dentro de la gran variedad de modelos de captadores se elegirá en
función de la aplicación a la cual sea destinado o las condiciones
climáticas donde esté situado.
TECNOLOGÍAS
•
Planos con
recubrimiento
•
Con tubos de
vacío
•
Placa plana sin
cubierta
Diferencia temperatura (Tcoll-Tamb)
http://www.archiexpo.es/prod/kingspan-solar/colectores-solarestermicos-planos-70015-907317.html
http://sunstar.cl/1_6_Tipos-de-equipos-solares.html
DESCRIPCIÓN DE UN SST
Los elementos principales
que constituyen los
Sistemas Solares Térmicos:
•
•
•
•
El Colector Solar
El Intercambiador
El Acumulador
Las Bombas
Otros elementos necesarios son:
• sistema de control,
• tubería,
• válvulas,
• vaso de expansión,
• sensores de caudal, presión y
temperatura
DESCRIPCIÓN DE UN SST
Los Sistemas Solares Térmicos (SST) para la producción de ACS son
compuestos de los siguientes esquemas:
1. Sistema de captación: transforma la radiación solar incidente en
energía térmica aumentando la temperatura de un fluido de trabajo.
2. Sistema de acumulación: almacena el agua caliente hasta que se
precise su uso.
3. Sistema de intercambio: realiza la transferencia de energía térmica
entre el fluido de trabajo, que circula por el circuito primario, y el
circuito segundario (agua de consumo)
4. Sistema de apoyo:(auxiliar o de respaldo): complementa el aporte
solar suministrando la energía necesaria para cubrir el consumo
previsto. Sin embargo, no se considera incluido en el SST.
5. Red hidráulica: esta constituido por todos los circuitos hidráulicos, tal
como cañerías, con su aislante, accesorios, bombas, válvulas, etc.
6. Sistema eléctrico y de control: para el funcionamiento y la protección
DESCRIPCIÓN DE UN SST
5
Elementos del sistema:
1. Colector Solar
2. Acumulador
3. Intercambiador Interno
4. Bomba recirculación
5. Centralita de control
6. Apoyo térmico
6
2
1
3
4
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Absorbedor:
• El elemento absorbedor
transforma en calor la
radiación solar y lo transmite al fluido caloportador.
• La cantidad de la radiación absorbida depende de la absortancia de la superficie
expuesta del absorbedor y del ángulo de inclinación.
• Las pérdidas por radiación se deben a la alta temperatura superficial que llega a
tener el absorbedor.
• Esta pérdidas en el rango del infrarrojo dependerán de la temperatura y
emisividad del absorbedor y de la temperatura «aparente» del cielo.
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Absorbedor:
• Para reducir las pérdidas por radiación del absorbedor
existen tratamientos superficiales selectivos que sin
reducir absortancia tienen muy baja emisividad.
Superficie
Absortancia
Emisividad
Cromo negro
0.94-0.97
0.1-0.2
Níquel negro
0.9
0.15
Pinturas negro
mate
0.95
0.85
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Absorbedor:
• Los materiales más comúnmente utilizados son el
cobre, aluminio, acero inoxidable o plásticos
especiales.
• Pueden existir diferentes tipologías de absorbedores, dependiendo del recorrido
del fluido por la superficie:
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Cubierta Transparente:
• La función principal de la cubierta es reducir las
pérdidas térmicas y generar un efecto invernadero.
• Los materiales más empleados como cubierta transparente son el vidrio y alguno
plásticos, siendo el vidrio el utilizado en la mayoría de los captadores. No servirá
cualquier vidrio, debe tener unas determinadas características para mejorar su
eficiencia, como que tenga un bajo contenido en sales de hierro para aumentar la
transmisividad y que esté templado con el fin de mejorar sus propiedades
mecánicas.
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Aislamiento:
• Para evitar las perdidas producidas en la parte
posterior del absorbedor se le añade
térmico.
• Factores importantes:
• Durabilidad
• Baja conductividad
• Resistencia a la humedad y al fuego
• Precio
• Disponibilidad
un aislante
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Aislamiento:
• Este aislamiento debe soportar adecuadamente unas
temperaturas de trabajo altas
Material
Conductividad
(W/m °C)
Temp.
max
Resistencia a la
humedad
Resistencia al
fuego
Poliestireno Extruido
0.03
80°C
Impermeable
No sin tratar
Fibras minerales
0.04
450°C
Mala
Alta
Fibra de vidrio
0.053
430°C
Impermeable
No inflamable
Espuma rígida de policioruro
de vinilo
0.031
70°C
Impermeable
No inflamable
Espuma rígida de
poliuretano
0.029
100°C
Impermeable
No sin tratar
DESCRIPCIÓN DE UN SST
1. El colector solar
Cubierta Transparente:
• La caja sustenta al absorbente, al aislamiento y a la
cubierta transparente, consiguiendo que el captador
sea un elemento compacto.
• Los materiales más utilizados son el aluminio y al acero galvanizado,
empleándose en ocasiones acero inoxidable, plásticos especiales y madera.
Cuando el captador va a ser integrado en la envolvente del edificio, materiales
como el hormigón y el ladrillo pueden formar parte de la caja.
DESCRIPCIÓN DE UN SST
2. El acumulador
• Se dimensiona el tamaño del acumulador según el consumo y la
producción de energía sola térmica del sistema de captación
• Características del acumulador:
• Aislamiento y perdidas térmicas
• Resistencia a la temperatura y a la presión
• Durabilidad
• Disposición vertical
• El acumulador puede disponer de intercambiador interno
DESCRIPCIÓN DE UN SST
3. El intercambiador de calor
• Permite de separar los circuitos primarios y segundarios con sus distintos
fluidos y permite de realizar la transferencia de calor entre aquellos.
• Los intercambiadores externos normalmente utilizados son los de placas
DESCRIPCIÓN DE UN SST
4. Las bombas de circulación
• Las bombas se encargan de mover el fluido de trabajo en el circuito
primario y el ACS en el circuito segundario.
• Los materiales de las bombas del circuito primario serán compatibles con
el fluido de trabajo y resistir a las temperaturas.
DESCRIPCIÓN DE UN SST
5. Tuberías
• En el circuito primario se debe utilizar tuberías de cobre o acero
inoxidable
• En el circuito segundario se puede utilizar cobre, acero inoxidable o
también materiales plásticos que soporten la temperatura máxima de
trabajo y esté autorizado su uso por la compañía suministradora de agua
potable
DESCRIPCIÓN DE UN SST
6. Válvulas
• La elección de las válvulas se realizará de acuerdo a la función que
desempeñen:
Para aislamiento
Válvula de esfera
Para equilibrado
Válvula de asiento
Para vaciado
Válvula de esfera
Para llenado
Válvula de esfera
Para purga de aire
Válvula de esfera
Para seguridad
Válvula de resorte
Para retención
Válvula de disco doble compuerta
DESCRIPCIÓN DE UN SST
7. Vaso de expansión
• El vaso de expansión deberá ser capaz de compensar el volumen del
medio de transferencia de calor en todo el grupo de captadores completo
incluyendo todas las tuberías de conexión entre captadores, mas un 10%
(seguridad).
DESCRIPCIÓN DE UN SST
8. Sistema eléctrico y de control
• Constituidos de :
• Termómetros
• Manómetros
• Caudalímetros
• Contadores de energía
• Los sensores de temperatura deben estar aislados de la influencia de las
condiciones ambientales
• Los contadores de energía son compuestos de medidores de caudal y de
temperaturas conectados a un microprocesador electrónico.
OTRAS TECNOLOGÍAS
La Concentración Solar
¿Porque concentrar la energía solar?
1. Para aumentar la densidad de potencia o flujo radiativo (kW/m2)
2. Para conseguir temperaturas elevadas, hasta 3500 – 4000 °C
¿Con que objetivos?
1. Aumentar el rendimiento en las plantas termoeléctricas
2. Realizar procesos de (más) alta temperatura
¿Otras ventajas?
1. Integración de sistemas de almacenamiento térmico
2. Hibridación con sistemas tradicionales e hibridación con fotovoltaico
3. Cogeneración (producción simultaneas de calor y electricidad)
OTRAS TECNOLOGÍAS
Fluido
caloportador
Tecnologías principales:
1. Parabólico lineal
2. Torre central
3. Espejos de Fresnel
4. Disco parabólico
(Stirling)
OTRAS TECNOLOGÍAS
Tecnologías principales a nivel de laboratorio:
5. Horno Solar
6. Simulador Solar
OTRAS TECNOLOGÍAS
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Para lograr ser un país desarrollado, no solamente
debemos explotar los recursos naturales, si no también el
desarrollar el conocimiento, la investigación y la
innovación, avanzando a una sociedad del conocimiento.