ENERGIA SOLAR TÉRMICA I

Transcripción

1 II MÁSTER ENERGÍA SOLAR Y 1 RENOVABLES ENERGIA SOLAR TÉRMICA I SESIÓN 3: COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR: (I) EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN PROFESOR: ABRAHAM RUIZ A.RUIZ@GENER.ES

2 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 1.1. PROPIEDAS FUNDAMENTALES DE LOS LÍQUIDOS 2

3 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 1.1. PROPIEDAS FUNDAMENTALES DE LOS LÍQUIDOS 3 El principio i i básico de funcionamientoesel i que sigue: CAPTACION de la energía radiante para ser transformada en energía térmica, con el aumento de la temperatura de un fluido de trabajo. INTERCAMBIO de la energía térmica desde un circuito primario, o de captación hasta el circuito secundario o de almacenamiento ALMACENAMIENTO, de la energía térmica para su posterior utilización. ió Estas funciones deben complementarse con la producción de energía térmica mediante un sistema convencional, para asegurar la satisfacción de la demanda energética en momentos de escasa radiación. APOYO

4 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 1.1. PROPIEDAS FUNDAMENTALES DE LOS LÍQUIDOS 4 Subsistema de CAPTACION: está formado por uno o varios colectores que transforman la radiación solar incidente en energía térmica, que es transferida al fluido de trabajo contenido en su interior. Subsistema de INTERCAMBIO: Realiza la transferencia de la energía térmica captada desde el circuito de colectores al circuito de acumulación. Subsistema de ALMACENAMIENTO o acumulación, constituido por uno o mas depósitos que almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso. En el caso de calentamiento de agua para piscinas, el sistema de almacenamiento es el propio vaso de la piscina.

5 1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 1.1. PROPIEDAS FUNDAMENTALES DE LOS LÍQUIDOS 5 Subsistema hidráulico. Constituidoportuberías, id t bombas, b válvulas que se encargan de conducir el fluido caliente desde el sistema de captación al de acumulación y de ahí, hasta la red de consumo. Subsistema de regulación y control, es responsable de asegurar el correcto funcionamiento de la instalación para proporcionar un adecuado servicio de agua caliente y aprovechar la máxima energía solar posible. Subsistema de energía auxiliar, se utiliza para complementar el aporte solar suministrando la energía necesaria para cubrir la demanda prevista y garantizando la continuidad del suministro.

6 6 El captador td solar es el elemento encargado de transformar la radiación solar (radiación electromagnética) en energía térmica (agua caliente, aire caliente, etc. ) en definitiva un fluido a una temperaturat superior a la dl del ambiente. Existen diversos tipos y diseños de captadores con costes y rendimientos diferentes y se pueden utilizar en diversas aplicaciones. Actualmente el más utilizado es el colector solar plano del cual existen muchas variantes.

7 7 Sb Sabemos que todo cuerpoexpuestoal sol se calienta y simultáneamente se producen perdidas por radiación, convección y conducción quecrecen con la temperatura. En equilibrio termodinámico, la potencia incidente (irradiancia solar) en un captador solar será igual a la potencia perdida. El equilibrio se produce a 100ºC cuando G=1000W/m2. Si además de las perdidas que se producen, extraemos energía útil del mismo (caso del captador solar ), se tiene:

8 ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR 8 En la siguiente figura se muestra un esquema de un captador solar plano para líquidos. En ella se representan los elementos más importantes del mismo.

9 ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR Desde el punto de vista geométrico,enuncaptador t solar se diferencian los siguientes términos relativos a la superficie del mismo: Área total: área máxima proyectada por el captador completo, excluyendo cualquier medio de soporte y acoplamiento de tubos. Área de apertura: área proyectada máxima a través de la cual penetra la radiación solar sin concentración en el captador. Área del absorbedor: área proyectada máxima de la proyección del absorbedor. No incluye ninguna parte del absorbedor que no es alcanzada por la radiación solar cuando su dirección es perpendicular al plano de proyección que define el área del absorbedor.

10 EFECTO INVERNADERO La radiación ió electromagnética al incidiridi sobre un cuerpo puede ser total o parcialmente absorbida, reflejada o transmitida. La mayor parte del espectro de la radiación solar esta comprendido entre 0.3 y 3μm. El vidrio es transparente entre 0.3 y 3μm y opaco fuera de esas longitudes de onda. La irradiación después de atravesar el vidrio incide sobre el absorbedor, el cual se calienta y emite a su vez radiación con longitud de onda comprendida entre 4.5 (370ºC) y 7.2 μm (129ºC) para la cual el vidrio es opaco.

11 CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA La cubierta transparente plana: Es el elemento transparentet ala radiación solar y opaco a la radiación de onda larga que emite el absorbedor (material selectivo trasmisivo), produciendo así el efecto invernadero enel interiordelcaptador. Algunos captadores llevan varias cubiertas transparentes que reducen las pérdidas pero aumentan mucho el coste de los equipos. Funciones: Protege los elementos internos del colector, absorbedor y aislamiento. Forma parte de los elementos de aislamiento del colector y permite la creación del efecto invernadero. Reduce las pérdidas térmicas por convección y radiación en el absorbedor. Debe permitir que la radiación solar penetre fácilmente Debe resistir los efectos del medio ambiente (estanqueidad)

12 12 Características: CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA Alto coeficiente de transmisión en el intervalo (0.3 3μm). Bajo coeficiente de transmisión para longitud de onda > 3μm. Bajo coeficiente de conductividad térmica. Alto coeficiente de reflexión en la cara interior de la cubierta para longitudes de ondas largas. Rechazo a la suciedad por la cara exterior (facilidad de limpieza). Buena resistencia mecánica (viento, nieve, granizo, etc.). Mt Materiales il utilizados: Vidrio selectivo. Materias plásticas.

13 Vidrio. Propiedades ópticas: CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA La transmisión energética es función del espesor, del ángulo de incidencia y del tipo devidrio(composición química). Podemos definir el coeficiente de transmisión de un vidrio como:

14 Vidrio. i CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA La composición química del vidrio tiene un gran influencia sobre τ. Un alto contenido en sales de hierro reduce notablemente la transmisividad de un vidrio. Por ello lo recomendable es el uso de vidrios selectivos con bajo contenido en FeO. Normalmente se fabrican vidrios especiales para cubiertas de captadores solares tanto desde el punto de vista mecánico (templado, 3 4 mmespesor) y óptico (τ>90%). La distancia entre el vidrio y el absorbedor esta comprendida entre los 2 4cm.

15 Materiales il plásticos CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA Hay plásticos con coeficientes de transmisión similares al vidrio, i cuyas características principales i las podríamos resumir: Poca densidad (fácil mantenimiento). Poca fragilidad. Baja conductividad térmica. Alto coeficiente de dilatación lineal. Baja resistencia a temperaturas elevadas. Dureza poco elevada. Inestabilidad química y deterioro físico bajo la acción de

16 ABSORBEDOR El absorbedor: es el elemento fundamental de uncaptador td solar plano, su misión es recibir la radiación solar, transformarla en energía térmica y transmitirla al fluido caloportador. Se suele emplear cobre o aluminio. i En el caso de queel fluido que pasa por el absorbedor sea el mismo que se utiliza en el sistema (ej. piscinas) se emplean absorbedores de acero o plástico.

17 ABSORBEDOR En el mercado existen it muchos diseños de absorbedores b para líquidos: Dos placas metálicas separadas algunos milímetros entre las cuales circula el líquido caloportador. Placa metálica sobre la que están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido.

18 ABSORBEDOR El uso demateriales metálicos en captadores td radica principalmente i en su elevada conductividad térmica y su baja emisividad. Por el contrario, este tipo de materiales poseen una baja absortividad lo cual reduce la captación de energía electromagnética y su transformación en térmica. Por ello es necesario cubrir el absorbedor con una superficie adecuada, básicamente se utilizan dos tipos de tratamiento para cubrirla.

19 ABSORBEDOR Tratamientos t no selectivos. Pinturas: Coeficiente de absorción elevado, coeficiente de emisión elevado (α ε) Las perdidas por emisión son elevadas y crecen con la temperatura. Tratamientos selectivos: Coeficiente de absorción elevado (α 0.9) Coeficiente de emisión bajo (ε 0.1) Superposición de varias capas (metal y compuestos metálicos). Normalmente suelen ser metales pulimentados recubiertos por una capa de pintura negra a base de oxido de cromo, níquel, hierro o cobre. El cociente α/ε es el índice de selectividad o efectividad de un absorbedor, a medida que aumenta, aumenta la calidad del absorbedor b de uncaptador.

20 20 Las características que definen un buen absorbedor, destacamos: Perdida de carga ABSORBEDOR En termosifón inferior a 3mm por m2 de captador. En forzada la perdida de carga no es un factor crítico. Corrosión interna No utilizar uniones cobre hierro a fin de evitar la corrosión del hierro. Evitar que el fluido pueda llegar a ser corrosivo. Capacidad del absorbedor Es recomendable el uso de captadores con absorbedores de baja inercia térmica. Homogeneidad en la circulación del fluido caloportador en el absorbedor El caudal debe ser el mismo en todas las partes del absorbedor. Puentes térmicos Resistencia a la presión Transmisión de calor Disposición de entradas y salidas

21 21 Tipos deabsorbedores: b d Los dos tipos principales de configuración del absorbedor del colector son parrilla de tubos (arpa) y serpentín. El modelo empleado principalmente es el primero, puesto que, aunque provoque un menor tiempo de residencia y cierto desequilibrio hidráulico, provoca una pérdida de carga muy baja, lo que facilita la cantidad de colectores a conectar en paralelo y el dimensionado de los circuladores del circuito primario. Se disponen circuitos interiores cuando las condiciones del fluido a trasportar aseguren un ph entre 7.2 y 7.6, no siendo válido el empleo del hierro. Si se usa aluminio se deben emplear inhibidores de iones de Cu y Fe ABSORBEDOR

22 EL ÍNDICE I.A.M. El I.A.M. (Modificación ió dlá del ángulo de incidencia) id i es larelaciónl entre el factor de eficiencia del captador medio diario y el factor de eficiencia dado por el fabricante (máximo). Podemos decir que es el parámetro que mide como cambia la capacidad de captación del captador conforme se modifica el ángulo con que incide la radiación. Para captadores solares planos su valor eta entre 0,96 (captadores cubierta simple) y 0,94 (captadores doble cubierta). En la actualidad existen muchos captadores con valores I.A.M superiores a la unidad dependiendo de la configuración y geometría del absorbedor y la cubierta plana transparente.

23 AISLAMIENTO TÉRMICO Para evitar la cesión de calor desde el interior del captador al exterior es necesario proveer al equipo de capas de aislamiento en el lateral y en fondo. Un buen aislamiento en estas zonas que no están expuestas generalmente al sol contribuye a disminuir el factor de pérdidas del captador, aumentando su rendimiento. Los aislantes deben de poseer, entre otras, las siguientes características: Buen comportamiento a altas temperaturas. En Verano pueden alcanzarse los 200ºC de temperaturas. t Bajo nivel de desprendimiento de vapores. Conlaaccióndelcalorlosaislantespuedendesprender vapores que pueden condensarse en la cubierta. Bajo nivel de degradación con el tiempo. Resistentes a la humedad. Por lo general los aislantes se degradan con rapidez ante la presencia de humedad, por lo que se debe de evitar la penetración accidental de agua o la presencia de condensaciones en el captador. En el mercado existen diferentes tipos de aislantes, los más utilizados en captadores planos son: Lana de vidrio, corcho expandido, XPS, EPS, resina de melanina (λ<0,05 05 W/mK a 50ºC)

24 LA CARCASA La caja o carcasa se encarga de encapsular todos los elementos que componen el colector, dotando al conjunto de rigidez mecánica. Es el elemento que sirve para conformar el captador, fijando la cubierta. Habrá que prestar atención a la corrosión y deterioro debido a la radiación solar y a los agentes atmosféricos. Está realizada preferentemente en aluminio anodizado, si bien para soluciones de menor calidad constructiva se utilizan materiales con una mas baja resistencia a la intemperie. Como elemento fundamental de la caja se encuentra la junta de la cubierta. Es un elemento de material elástico cuya función es asegurar la estanqueidad de la unión entre cubierta y carcasa. Servirá a su vez para absorber las diferencias en las dilataciones entre la carcasa y la cubierta, para que no se produzca rotura en ningún elemento del captador. MARCO ALUMINIO ANODIZADO RACOR CONEXIÓN TUBO DE COBRE DEL COLECTOR 22 mm TUBOS DE COBRE DEL COLECTOR CRISTAL PIRAMIDAL ABSORBEDOR AISLAMIENT O DE LANA DE ROCA

25 LA CARCASA Las condensaciones en el interior i de la carcasa,sobre todo enel absorbedor, b son peligrosas ya que producen óxidos en los metales reduciendo su rendimiento y vida útil. Para evitarlas los fabricantes utilizan varias técnicas: Captadores completamente estancos Se les realiza un cierto vacio en el interior para evitar deformaciones por efecto de la temperatura. Captadores estancos al agua pero no al aire Son más económicos que los anteriores y más resistentes. En contrapartida el rendimiento del captador disminuye. La durabilidad de los captadores térmicos es, sin duda, un factor decisivo en la selección del mismo, más aún cuando se pretende que su vida útil se extienda mas allá de los 20 años. Las principales causas de fallo de un captador son: Entradadeaguaenelinteriordelcaptador Degradación del tratamiento del absorbedor Corrosión del absorbedor Degradación y rotura de la cubierta Degradación del material de las juntas

26 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR 26 Balance energético en un captador: El flujo energético y las pérdidas que se producen en un captador solar:

27 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Las prestaciones energéticas de los captadores td se dt determinan mediante ensayo de eficiencia energética descrito en la norma UNE EN En este ensayo se determina el calor útil que proporciona el captador solar en función de la temperatura del circuito primario y de la irradiancia solar. Los datos experimentales obtenidos se representan en una gráfica en forma de rendimiento en función de la temperatura característica: Temperatura característica:

28 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Seobserva que el ajuste de dt datos se puederealizar con una recta: La norma indica que se debe realizar una aproximación cuadrática cuando las medidas recojan una tendencia cóncava. De esta forma se obtiene la siguiente curva cuadrática: Por lo tanto los datos que proporcionan los fabricantes son los siguientes: Coeficiente de rendimiento ηo (adimensional). Coeficiente de perdidas lineal a1 (W/m2K) Coeficiente de pérdidas cuadrático a2 (W/m2) En algunos casos la curva del captador esta representada en función de la temperatura característica expresada en función de la temperatura de entrada del captador: Luego la curva de rendimiento queda expresada de la siguiente forma: Donde: K0 es el factor de eficiencia óptica y k1 el coeficiente global de perdidas. El método de las curvas f (f chart) requiere la curva lineal del captador basada en la temperatura de entrada.

29 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Rendimiento instantáneo de un captador: Puntos significativos de la curva de rendimiento de un captador: Corte con el eje de ordenadas: d Rendimiento i óptico o máximo. ái Corte con el eje de abscisas: Rendimiento instantáneo nulo, bien por baja irradiancia solar, bien por que la temperatura en el interior del colector es tan alta que las perdidas térmicas son iguales a la energía absorbida.temperatura de estancamiento. Según UNE EN12975 Testc /G=1000W y tamb=30º. A raíz del balance energético de un captador, Qué tipo de captadores existen en el mercado?, En función dl del rendimiento para qué tipo de instalaciones se utilizan?

30 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR

31 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR

32 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Qué tipo de curva de rendimiento tendrán cada uno de los captadores vistos?

33 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Colectores solares de tubo de vacio: Los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas paredes se hace un vacío muy elevado (en torno a 0,005 pa), y el vidrio interior suele llevar un tratamiento a base de metal pulverizado para aumentar la absorción de radiación. Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo fluorescente; en torno a los 60mm de diámetro y 180cm de largo encaje sellado con juntas conexión tubo-en-tubo tubo repartidor muelle

34 34 Colectores solares de tubo de vacio: RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Existen dos conceptos de funcionamiento diferentes: SISTEMAS DE FLUJO DIRECTO: el fluido caloportador circula por el tubo expuesto al sol, calentándose a lo largo del recorrido. SISTEMAS HEAT PIPE: El concepto heat pipe es una evolución del tubo de flujo directo que trata de eliminar el problema del sobrecalentamiento, presente en los climas más calurosos. En este sistema, se utiliza un fluido que se evapora al calentarse, ascendiendo hasta unintercambiador ubicado en el extremo superior del tubo. Una vez allí, se enfría y vuelve a condensarse, transfiriendo el calor al fluido principal. Este sistema presenta una ventaja en los veranos de los climas cálidos, pues una vez evaporado todo el fluido del tubo, éste absorbe mucho menos calor, por lo que es más difícil que los tubos se deterioren o estallen.

35 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Colectores solares de tubo de vacio: Tipos constructivos de tubos: A)Tubo de vacío con absorbedor plano B) Absorbedor doblado para incrementar el rendimiento en radiaciones inclinadas C) Media aleta con reflector para reducir la pérdida térmica del área D) Tubo de cristal forrado con reflector externo. Se evita el anillo de metal en el cristal E) Reflector interno: se incrementa el rendimiento i y se protege contra la degradación F) Tubo cristal con revestimiento i t de y forma optimizada de de la cubierta del tubo

36 RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR Colectores solares de tubo de vacio:

37 37 Inclinación de captadores: En fotovoltaica, la inclinación óptima son 30º ya que es la que mayor captación solar acumula a lo largo del año. Sin embargo, en térmica no siempre interesa obtener el máximo anual. Pensemos, por ejemplo, en las necesidades de agua caliente para usos domésticos. El consumo de ACS no difiere mucho del invierno al verano. Si situamos los colectores a 30º obtendremos la máxima cantidad anual de ACS pero repartida delasiguiente forma: poca en inviernoy mucha en verano. Dependiendo del objetivo a lograr emplearemos una inclinación mayor o menor: Captación lo más uniforme posible a lo largo del año: 45 º. Captación preferentemente en invierno: 55 º. Captación preferentemente en verano: 5 º INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE

38 INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE Orientación de los colectores Estructura soporte Determinación de las sombras. Distancia mínima entre captadores. IDEM que lo explicado para la energía solar fotovoltaica.