Aprovechamiento de la Energía Solar. Aprovechamiento de la Energía Solar

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1 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) 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 1

2 ESQUEMA BÁSICO ESQUEMA BÁSICO Circuito hidráulico (válvulas, tuberías, bombas) Generador auxiliar Sistema de regulación y control 2

3 COLECTOR CAPTADOR Incidente = Útil + Pérdidas Con CONCENTRACIÓN Sin CONCENTRACIÓN COLECTOR DE PLACA PLANA (CPP) Efecto INVERNADERO Componentes: 1 - Cubierta (Vidrio) 2 - Absorbedor (Superficie Selectiva) 3 - Tubería de circulación del fluido 4 - Aislamiento posterior 5 - Carcasa protectora Paralelepípedo Efecto INVERNADERO 3

4 Efecto INVERNADERO 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 4

5 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 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: Q 1 = S I τ α Pérdidas Coeficiente Global de Pérdidas U (experimentalmente) Q 2 = S U (T c T a ) con T C : Tª placa absorbedora y T a : Tª ambiente Energía Útil (Q): Q = S [ I α τ -U (T c T a )] Temperatura media del fluido: T m =(T ent + T sal )/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 (T m T a )] 5

6 CURVA CARACTERÍSTICA: Rendimiento Ensayo en banco de pruebas Índice de eficacia del colector η = Útil/Incidente η = FR [ (α τ) N -U (T m T a )/I ] Clasificación (según sistema de INTERCAMBIO) Circuito Abierto o DIRECTO Circuito Cerrado o INDIRECTO Radiación Colector Intercambiador Colector Acumulador Acumulador Circuito abierto Circuito cerrado 6

7 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) Ejemplo de sistema en TERMOSIFON COMPACTO 7

8 Ejemplo de sistema TERMOSIFÓN para consumo directo o acumulación intermedia Ejemplo de sistema en circulación FORZADA ABIERTO 8

9 Ejemplo de sistema en circulación FORZADA INDIRECTO PARTIDO Primario solución anticongelante Ejemplo de sistema en circulación FORZADA INDIRECTO PARTIDO Primario fluido con anticongelante 9

10 10

11 DISEÑO de la instalación ÓPTIMO aprovechamiento Sujeción y Orientación (hacia el Hemisferio SUR) d min 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 + d 1 2 z z = + = tan h tanα 0 L senα L senα senα = + = L + cosα tan h0 tanα tan h0 h 0 = (90º - φ) 23,5 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 11

12 Conexionado serie-paralelo Captadores en filas, instalando válvulas de cierre a la entrada y salida de las baterías 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 12

13 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) 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 >

14 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 Depósito de expansión (absorber dilataciones del agua) V = 1.25 V C V R 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) 14

15 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 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 (T m T a )/I ] Correcciones: 0.97 por ángulo de incidencia y efecto suciedad y envejecimiento 15

16 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 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 16

17 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 MÉTODO F-Chart Cálculo de las cargas caloríficas (calor necesario mensual) Qa = Ce C N (T ac -T red ) 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 17

18 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 D ,0018 D ,0215 D1 3 Con los límites de aplicación: 0 < D1 < 3 y 0 < D2 < 18 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 18

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