Diseño, instalación y evaluación de un sistema solar térmico con tubos de vacío para suministro de agua a 90 ºC

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1 Diseño, instalación y evaluación de un sistema solar térmico con tubos de vacío para suministro de agua a 90 ºC C.J. Porras, F.R. Mazarrón, J. Furió y J.L. García 1 1 Universidad Politécnica de Madrid, Dpto. Ingeniería Rural, Ciudad Universitaria, Madrid: joseluis.garciaf@upm.es Resumen Entre los sistemas utilizados para calentamiento de agua destacan los colectores de placa plana (flat plate collectors, FPCs) y los más modernos colectores de tubo de vacío (evacuated tube collectors, ETCs). El uso de colectores solares en la producción agrícola ha aumentado en las últimas décadas, utilizándose FPCs en la mayoría de los casos. No obstante, los beneficios de los FPCs se reducen considerablemente bajo condiciones desfavorables, como días fríos, nubosos o ventosos. Además, los FPCs no son adecuados para aplicaciones cuya temperatura sobrepase los 80 C. El vacío de los ECTs reduce las perdidas por convección y conducción, pudiendo operar bajo condiciones en los que los FPCs presentan un pobre rendimiento debido a las pérdidas de calor. Además, los ECTs son adecuados para aplicaciones en las que se requieren temperaturas por encima de 80ºC. En este trabajo analiza la utilización de sistemas de energía solar térmica con colectores de vacío para la obtención de agua a más de 80ºC. Para ello se ha llevado a cabo el diseño, instalación y evaluación de un sistema solar térmico para suministro de agua a 90 ºC. Bajo las condiciones de ensayo en Madrid, se ha comprobado que el rendimiento medio en el colector puede alcanzar el 60 %, reduciéndose al 50 % en el interacumulador. Los resultados obtenidos podrían ser de utilidad para aplicaciones agroindustriales como en los procesos de secado de tabaco, limpieza de equipos en instalaciones ganaderas, secado de madera, etc. Palabras clave: Captador solar, tubos de vacío, suministro de agua, alta temperatura Design, installation and evaluation of a solar thermal system with evacuated tube collectors for water at 90 C Abstract Solar energy could be harnessed in several ways. One of the most promising energy forms are solar collectors with thermal conversion, which can be used to heat water or air. There are two common types of stationary collectors used in solar water heating systems, flat plate collectors (FPCs) and most modern evacuated tube collectors (ETCs). Use of solar collectors in agricultural production has increased over the last decades; FPCs are used in most cases. Their benefits however are greatly reduced when conditions become unfavorable during cold, cloudy and windy days. In addition, FPCs are not suitable for applications at the temperature of above 80 C. The vacuum envelope of ETCs reduces convection and conduction losses. ETCs can perform even in cold weather when FPCs perform poorly due to heat loss. In addition, ETCs are suitable for applications at the temperature of above 80 C. This study analyzes the use of solar thermal energy systems with evacuated collectors for obtaining water above 90 C. For that purpose, we have carried out the design, installation and evaluation of a solar thermal system for water supply at 90 C. Under defined test conditions in Madrid, it was found that the average performance in the collector can reach 60%, falling to 50% in the interaccumulator. The results could be useful for agro-industrial applications as drying snuff, cleaning equipment in livestock buildings, wood drying, etc. Keywords: Solar collector, evacuated tubes, water supply, high temperature

2 Introducción Entre los sistemas utilizados para calentamiento de agua destacan los colectores de placa plana (flat plate collectors, FPCs) y los más modernos colectores de tubo de vacío (evacuated tube collectors, ETCs). Estos tubos de vacío están conformados por dos tubos concéntricos entre los cuales se ha aspirado el aire. El uso de colectores solares en la producción agrícola ha aumentado en las últimas décadas, utilizándose FPCs en la mayoría de los casos. No obstante, los beneficios de los FPCs se reducen considerablemente bajo condiciones desfavorables, como días fríos, nubosos o ventosos. Además, los FPCs no son adecuados para aplicaciones cuya temperatura sobrepase los 80 C (Ibáñez, 2005; Méndez y Cuervo, 2008; Platón y San José, 2009; Fernández, 2010). El vacío de los ECTs reduce las perdidas por convección y conducción, pudiendo operar bajo condiciones en los que los FPCs presentan un pobre rendimiento debido a las pérdidas de calor (Balzar, 1996; Georgiev, 2005; Zhang and Yamaguchi, 2008). Además, los ECTs son adecuados para aplicaciones en las que se requieren temperaturas por encima de 80ºC (Esen, 2004; Kadam y Samuel, D., 2006; Fargali et al., 2008; Boughali et al., 2009). En este trabajo se analiza la utilización de sistemas de energía solar térmica con colectores de vacío, para la obtención de agua a 90ºC. Para ello se ha llevado a cabo el diseño, instalación y evaluación de un sistema solar térmico con tubos de vacío con tecnología Heat Pipe, para suministro de agua a 90 ºC. Material y Métodos El edificio en el que se ha instalado el sistema solar experimental, es el edificio principal de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de Madrid (figura1). El captador solar está compuesto por 24 tubos de vacío con tecnología Heat Pipe, con una superficie neta de captación de 2 m 2. Se encuentra orientado hacia el sur (α =0) y la inclinación de la superficie del módulo y el plano horizontal (ß) es de 41 º. El sistema también incluye un interacumulador de agua de 80 litros, un vaso de expansión con membrana fija de 8 litros, una bomba de impulsión en el circuito primario de 3 velocidades y los elementos de seguridad reglamentarios. Figura 1. Instalación experimental de colectores de tubo de vacío, en el edificio principal de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de Madrid.

3 El circuito hidráulico se ha realizado con tubería de cobre de un diámetro exterior de 22 mm, recubriéndose con un aislante térmico cuyo coeficiente de conductividad térmica es igual a 0,040 W/(m* ºC), a 20 ºC. Se ha utilizado agua como fluido caloportador. Se ha utilizado un controlador de sistema solares de la firma Sonder Control mod. Allegro 453 que permite la conexión de 5 sondas de entradas y 3 salidas de relés libres de tensión. Se han asociado al mismo 3 entradas de sondas del tipo PTC 1000, de 1 Kohms a 0º, fabricadas con vaina de acero inoxidable Aisi 316L de diámetro 6 mm x longitud 50 mm, sumergible (IP68). La figura 2 muestra un esquema de la instalación desarrollada. Para la obtención de las diferentes temperaturas necesarias para la caracterización del sistema, se ha dotado de un conjunto de sensores PT-100 sumergibles (IP68) de 6 mm de diámetro instaladas en un montaje a 4 hilos (S1-S9). Para los caudales del circuito primario y secundario se ha instalado dos caudalímetros de lectura digital (C1-C2). Para registrar los datos se han utilizado dos equipos de adquisición de datos de la firma Datataker modelo DT50, que disponen de 5 entradas de canales analógicos, 5 entradas de canales digitales y 5 entradas de contadores. Para la monitorización de los parámetros atmosféricos (radiación, temperatura, humedad relativa y velocidad de viento) se ha instalado una unidad específica modelo HOBO Micro-HWS. Fig. 2. Esquema de la instalación experimental de colectores de tubo de vacío. El sistema se programó fijando una temperatura de consigna para el vaciado del depósito de 90 ºC, una presión del circuito primario de 2. 5 bar con un régimen continúo de circulación, y un intervalo de captura de datos de 1 min de forma ininterrumpida. El sistema se ensayó durante tres meses en el periodo estival. En primer lugar se llevó a cabo una puesta a punto del sistema, analizando la influencia de parámetros como el aislamiento y el caudal del circuito primario. Una vez optimizados, se realizó un estudio del balance energético del sistema durante el periodo diario de radiación solar. Este periodo se estableció como el tiempo en el que la radiación solar incidente sobre el plano inclinado del panel (41º) es superior a 200 W/m 2. Para todos los escenarios se calcularon la potencia útil captada por el colector (W/m 2 ), la potencia perdida por el colector (W/m 2 ), el rendimiento del colector solar, el rendimiento del depósito y la potencia útil recogida en el interacumulador.

4 Resultados y Discusión En lo referente a la puesta a punto del sistema, dos factores afectaron significativamente el rendimiento del mismo: el caudal circulante y el aislamiento. El caudal circulante se ensayo dentro del intervalo recomendado por el fabricante ( L/h), llegando a alcanzar con 114 L/h incrementos de rendimiento del colector del 5,7 % respecto a otros caudales recomendados. De forma equivalente, el aislamiento adicional en las conducciones hidráulicas ocasionó un incremento del rendimiento del colector de un 6,6 %. Con el sistema optimizado, se alcanzó un rendimiento medio del colector próximo al 60%. Tras la puesta a punto del sistema se llevó a cabo el estudio de balance energético de la instalación. En la figura 3 se puede apreciar, durante el transcurso de un día típico de verano, la evolución de la temperatura del colector de vacío, la temperatura del depósito y la temperatura ambiente en el sistema. A diferencia de los colectores solares planos, el sistema desarrollado permite calentar el agua del depósito de 80 L a 90 ºC durante el periodo analizado. Una vez alcanzados los 90 ºC en el interior deposito, se produce la descarga del agua caliente del mismo y el posterior enfriamiento del circuito por la entrada de agua fría, registrándose bajadas bruscas de temperatura. Figura 3. Evolución de la temperatura del colector de vacío, la temperatura del depósito y la temperatura ambiente en un día típico Cuando la radiación solar está por debajo de los 200 W/m 2, el colector no es capaz de aportar energía suficiente al sistema. Cuando la radiación solar supera el umbral de 200 W/m 2, el colector empieza a aportar energía al circuito, produciendo un incremento de la temperatura del colector y del depósito. En la figura 4 se puede observar como la potencia del colector supera los 400 W/m 2 la mayor parte del día. En el depósito, la potencia oscila entre los 200 y 300 W/m 2 la mayor parte del tiempo. El incremento destacado de potencia en el depósito es consecuencia de la descarga del agua en el mismo, con la consiguiente reposición por agua fría.

5 Figura 4. Balance energético del sistema El rendimiento medio obtenido en el colector alcanza un valor próximo al 60%, en las condiciones del ensayo. En el interacumulador, este valor se sitúa sobre el 50 %, obteniéndose un rendimiento útil del sistema cercano al 30 %, para el objetivo planteado de suministrar agua a 90 ºC. Finalmente cabe destacar que durante un corte accidental del suministro eléctrico de un día de duración se alcanzaron temperaturas superiores a 160ºC en el colector sin que este sufriese daños. Conclusiones Se ha comprobado que el sistema puede calentar el depósito de 80 litros a 90 ºC durante el periodo analizado. El rendimiento del sistema se ve afectado por el caudal circulante, registrándose diferencias de rendimiento del colector del 5,7 % dentro de los valores recomendados por el fabricante. El aislamiento adicional es otro factor importante, consiguiendo incrementar el rendimiento del colector en un 6,6 %. Se ha comprobado que el rendimiento medio en el colector se ha situado en torno al 60 %, que el rendimiento medio en el interacumulador se ha situado sobre el 50 % y que el rendimiento útil del sistema está cercano al 30 %, para el objetivo planteado de suministrar agua a 90 ºC, en las condiciones del ensayo. Bibliografía Balzar, A. et al., A solar cooker using vacuum tubes collecter with integrated heat pipes. Solar Energy, 58: Boughali, S. et al., Crop drying by indirect active hybrid solar-electrical dryer in the Eastern Algerian Septentrional Sahara. Solar Energy, 83: Esen, M., Thermal performance of a solar cooker integrated vacuum-tube collector whit heat pipes containing different refrigerants. Solar Energy, 76: Fargali, H. et al., Medicinal herb drying using a photovoltaic array and solar thermal system. Solar Energy, 82: Fernández J., Compendio de energía solar: Fotovoltáica, térmica y termoeléctrica. Ed. Antonio Madrid Vicente. Madrid. Georgiev, A Simulation and experimental results of a vacuum solar colector system with storage. Energy Conversion and Management, 46: Ibañez. M., Tecnología solar. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid.

6 Kadam, D., Samuel, D., Convective flat-plate solar heat collector cauliflower drying. Biosystem Engieenering, 93 (2): Mendez, J., Cuervo R., Energia solar térmica. Ed. Fundacion Confemetal. Madrid. Platon, A., San José, F., Optimización del dimensionado de instalaciones de energía solar térmica. Era solar: Energias Renovables, 153: Zhang, X., Yamaguchi, H., An experimental study on evacuated tuve solar collector using supercritical CO2. Applied Thermal Engineering, 28: