Fundamentos de Energía Solar Térmica

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1 Mestrí en Ingenerí de l Energí Fundmentos de Energí Solr érm Curso 010 PROYECO SISOL PROYECO SISOL SUMIDERO INVERIDO SELECIVO SOLAR Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy

2 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Mestrí en Ingenerí de l Energí Fundmentos de Energí Solr érm Curso 010 Proyeto SISOL Sumdero Invertdo Seletvo Solr CONENIDO 1 Resumen... 3 Introduón Clsfón de ls helds Crterzón de ls helds de rdón Métodos tvos pr el ontrol de helds de rdón Generlddes Sumdero Invertdo Seletvo Sstem SIS Solr Anteedentes Consderones báss pr el dseño de un SISOL Análss termodnámo de l hmene onvetv Euones y prmetrzón del modelo Espefón del oletor solr Estmón de l Irrdn Hpótess pr el dmensonmento del oletor solr Seleón y dmensonmento del oletor solr Consderones omplementrs pr l onstruón del prototpo... 6 Apénde A: Nomenltur, smbologí y unddes utlzds... 8 Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. de 30

3 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Resumen En el presente doumento se nlz l posbldd de provehr l energí solr térm pr el ontrol de helds de rdón en terrenos ultvdos, mednte un sstem de remoón de re frío del tpo Sumdero Invertdo Seletvo (SIS), en el ul el flujo vertl de re se ndue mednte el porte ontroldo de lor h un hmene onvetv, desde un umuldor de gu lente vnuldo en ruto errdo on un oletor solr plno. Plbrs lve: Energí solr térm; Held de rdón; SIS; Sumdero nvertdo seletvo; Coletor solr plno; Chmene onvetv; Aumuldor de lor. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 3 de 30

4 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Introduón.1 Clsfón de ls helds [Refs. 8.1; 8.] En generl, desde el punto de vst físo-meteorológo, ls helds se grupn en dos tpos de fenómenos onodos omo helds de dveón y helds de rdón. Ls helds de dveón son l onseuen del psje de re de orgen polr sobre un determndo terrtoro. Son eventos muy rros en nuestro medo, s ben undo ourren sus efetos pueden ser devstdores. Ls helds de rdón, muho más freuentes en el Uruguy, ourren normlmente en ls nohes de nverno y prmver, undo el elo está desuberto (sn nubes n nebls) y en usen de brss. Ello onfgur un esenro que puede repetrse hst vrs deens de vees lo lrgo del ño, dndo lugr dños que, dependendo de l freuen on que ests helds ourren, pueden mplr pérdds eonóms muy mportntes. En lo que sgue, únmente se trtrá este tpo de rdón, y que su ontrol es ftble mednte plón de l tén que se nlz en el presente doumento.. Crterzón de ls helds de rdón [Refs. 8.1; 8.] Bjo ls ondones tmosférs deuds pr l ourren de helds de rdón (elo noturno despejdo, usen de brs y de nebl) el suelo se enfrí por rdón trvés de l tmósfer, que result sem-trnsprente l rdón eletromgnét de longtud de ond lrg. El suelo, más frío que el re, enfrí su vez l re por trsmsón rdnte del re y, en menor grdo por onduón turbulent y moleulr. Dho enfrmento es más pronundo en ls ps bjs de l tmósfer (prmers deens de metros) y v reduéndose medd que se sende. Este fenómeno, provodo en defntv por el enfrmento rdtvo noturno del suelo, se onoe omo "nversón del grdente térmo" y l ltur l ul se produe l máxm tempertur se le denomn "nvel de nversón térm" o "teho de tempertur"; tene lugr un ltur vrble entre lgunos metros y vrs deens de metros sobre el suelo, dependendo este vlor de ls ondones tmosférs y sendo menor unto más lm es l nohe y unto más plno es el terreno. Es der que, ontrrmente lo que ourre durnte el dí, bjo ls ondones props pr l ourren de un held de rdón l tempertur del re ument on l ltur en ls ps nferores de l tmósfer. Sendo l densdd del re dereente on l tempertur, se produe un orgnzón estble de l tmósfer, pues ls ps más bjs son ls más frís y, por lo tnto, ls más denss. En ests ondones l tmósfer puede representrse delmente omo un suesón en vertl de estrtos o ps horzontles de re de densdd reente unto más próxms l suelo se enuentren. Este fenómeno se denomn estrtfón de l tmósfer. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 4 de 30

5 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Fg..1: Evoluón del perfl de temperturs durnte el enfrmento rdtvo noturno Fg..: Dstrbuones de tempertur y densdd on l ltur durnte un held de rdón En ls zons de topogrfí onduld, el re frío (más denso) fluye h los vlles y hondonds en form de orrentes de densdd, mntenendo l estrtfón de l tmósfer y umulándose en ls zons más bjs, formndo sí verdderos lgos de re heldo. Ello expl que, durnte ls helds de rdón, los dños más mportntes se regstren en ls zons más bjs de ls qunts. Los regstros de tempertur nvel del suelo presentn vrones del orden de ºC.5ºC pr ls ondones típs del Uruguy, entre ls ms de ls loms y los puntos más bjos de los vlles ontguos. En estos últmos, se hn observdo temperturs del orden de -1 ºC -5 ºC durnte ls nohes de held. Fg..3: Corrente de densdd en un tmósfer estrtfd Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 5 de 30

6 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Métodos tvos pr el ontrol de helds de rdón 3.1 Generlddes [Ref: 8.1] Exsten dverss téns tvs pr el ontrol o mtgón de los dños produdos por ls helds de rdón en ultvos gríols. Básmente, es posble relzr un lsfón prmr de uerdo on ls sguentes tegorís: Sstems de lor seo, bsdos en l utlzón de quemdores (fjos o móvles), o dretmente en l ombustón de mterles resdules en estufs y trros onvenentemente dstrbudos tles efetos en el áre que dese protegerse. Máquns de vento, mednte ls ules se ndue un flujo de re que pretende elmnr l p de re frío formd rs del suelo por mezl y dluón on re más lente extrído ls ps nmedtmente superores (máquns de eje nlndo), o ben, drenándol en dreón vertl sendente (máquns de eje vertl); est últm tegorí perteneen los sstems onodos omo Sumderos Invertdos Seletvos, desrrolldos prnpos de l déd de los 90 por el Dr. Ing. Rfel Gurg. Otros métodos: empleo de oberturs, spersón de gu, generón de re lente on turbns, dluón del re frío on helópteros, métodos ombndos, et. Fg. 3.1: Sstem de lor seo pr ontrol de helds Fg. 3.: Máqun de vento de eje nlndo Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 6 de 30

7 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Sumdero Invertdo Seletvo [Ref: 8.3; 8.5] L denomnón de estos equpos (onodos por su sgl SIS ) obedee su prnpo de operón, en el sentdo de que drenn el re frío en dreón vertl h rrb, en form seletv porque extren espeífmente el re heldo de l sub-p dyente l suelo y lo expuls h rrb. Este sstem produe un ón onvetv muy pequeñ omprd on ls grndes máquns de vento de eje horzontl y su efetvdd está supedtd l vlor de nversón térm de med ltur. Dependendo de l topogrfí del lugr en el que se enuentrn sentdos los ultvos y de l poten o pdd del equpo, d SIS puede proteger un superfe del orden de 1 6 hetáres. Fg. 3.3: Esquem de funonmento de un SIS Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 7 de 30

8 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Fg. 3.4: SIS Exfrost Modelo M.5 Motorzón: Elétr Dámetro nomnl: 3m Altur nomnl: m Altur de Instlón: 1.5m Cudl de re: 5 m 3 /s Cobertur nomnl: h Fg. 3.5: SIS Exfrost Modelo M3.5 Motor: Kohler 4t x 13hp Combustble: gsoln Dámetro nomnl: 3m Altur nomnl: m Altur de Instlón: 1.5m Cudl de re: 35 m 3 /s Cobertur nomnl: 3 h Fg. 3.6: SIS Exfrost Modelo M5 Motor: Kohler 4t x 55hp Cobertur nomnl: 10 h Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 8 de 30

9 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Sstem SIS Solr 4.1 Anteedentes [Refs. 8.4; 8.5; 8.11] A los efetos de plnter un nteproyeto pr el desrrollo de un sumdero nvertdo seletvo (SIS) que funone prtr de energí solr térm (SISOL), se proedó relevr l nformón dsponble pr los dspostvos SIS onvenonles. En prtulr, es neesro onoer el udl de re que el dspostvo debe generr, pr un obertur dd (superfe de terreno protegd ontr l rdón) S ben l nformón tén espeíf no bund en los stos de eso públo, n se enontrron nformes ténos ndependentes que ubrern los spetos opertvos ntrínseos de l máqun (udl de re, rterísts meáns y velodd de gro del rotor, dmensones y geometrí detlld, et.), prtr de los dtos publdos por un proveedor de equpos en su págn nsttuonl onluye que el udl de re generdo por el equpo vrí en el entorno de 0 m 3 /s 40 m 3 /s, pr oberturs nomnles (máxms) del orden de 1 h 3 h. L poten de motorzón orrespondente (que puede ser mednte motores elétros o de ombustón ntern) vrí entre 10 hp y 15 hp proxmdmente. Ls dmensones típs de estos equpos se enuentrn en el entorno de m de dámetro y 3m de ltur, elevándose el borde nferor del SIS 1.5m de l superfe del suelo, proxmdmente Su dseño suele norporr un opón de rrnque utomáto, progrmdo pr un tempertur nvel del suelo de ºC. Los regstros mínmos de tempertur que pueden lnzrse nvel del suelo durnte un held de rdón son sgnftvmente menores que este vlor en usen de medds de ontrol, según se menon en l Seón [.]; sn embrgo, un vez que el SIS estblee un udl de re en su régmen opertvo, los vlores de l tempertur del re heldo en los puntos más bjos del terreno (vlles) osln entre 0ºC y -5ºC, dependendo de l topogrfí lol. 4. Consderones báss pr el dseño de un SISOL En funón de los dtos dsponbles pr los SIS onvenonles y de ls rterísts de ls helds de rdón en nuestro medo, se fjron los sguentes prámetros básos de dseño pr el nteproyeto de un SISOL: Cudl de re: Q m = 30 m 3 /s Autonomí: t h = 6 hr empertur de entrd del re: e = - ºC empertur med tmosfér: -nf = 0 ºC Busndo un geometrí que permter lnzr l utonomí busd y l myor smpldd onstrutv, se plnteó l utlzón de un hmene onvetv líndr vertl, onformd por un hz de tubos prlelos (dutos de rulón de re) rodedos por un envolvente líndr oxl on los tubos (rs), l ul se llen on gu; los extremos de l rs se errn on sends pltns perfords (pls) en ls ules se nsertn los tubos. De est form, se obtene un Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 9 de 30

10 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 onfgurón nálog l de un lder humotubulr smple, de un pso en tubos, montd en posón vertl. L superfe exteror de l hmene onvetv debe ontr on slón térm pr mnmzr l pérdd de lor h el medo exteror. L rs se vnul mednte un ruto termosfóno on un oletor solr plno ubdo l pe de l hmene onvetv, onvenentemente orentdo y dmensondo pr ls ondones solrmétrs dsponbles en el lugr de emplzmento. El volumen mínmo requerdo de gu y el oefente medo globl de ntermbo térmo pueden determnrse, de form prelmnr y relzndo lguns hpótess prmrs de dseño (que luego podrán ser justds o orregds en funón de los resultdos del nálss térmo detlldo de l hmene onvetv), prtr de los prámetros básos Q, t h, 1, -nf : [4.1] t h t h t 0 [4.] [4.3] [4.4] [4.5] [4.6] [4.7] [4.8] [4.9] [4.10] [4.11] Q v S l ND L e D S t N 4 E C P V E E V U m E t s 4 L S 0 S C t P E l e Q p t E h s t h p t h L e D e N D e p e e A los efetos de un prmer estmón se sumen ls sguentes smplfones y vlores proxmdos, rzonblemente omptbles on los vlores de dseño estbledos pr los prámetros básos: [4.1] [4.13] [4.14] [4.15] v 14m / s Q 30m 3 / s 3 t h 1,6 x10 s L 1m Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 10 de 30

11 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 [4.16] [4.17] [4.18] e 3. 1mm e e 6. 4mm e p 1. 8mm [4.19] N 10 [4.0] [4.1] [4.] [4.3] [4.4] [4.5] [4.6] [4.7] [4.8] [4.9] [4.30] [4.31] [4.3] [4.33] 73º K e 71º s 73º º K 45º C P 1.007kJ / kg º K 1.96kg / m E K t 38º 0 83º t h 7 º 306º K K K K K K C P 4.190kJ / kg º K 99 kg / m p E 3 3 Susttuyendo y operndo en ls euones [4.1] [4.11] se obtene: [4.34] [4.35] [4.36] [4.37] [4.38] [4.39] 9 E 1,69 x10 J 9 E 1.99x10 J 8 E p.98x10 J V 10.6m D 0. 15m D e. 03m 3 Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 11 de 30

12 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 [4.40] [4.41] S t S e l.14m 76.7m [4.41] [4.4] [4.41] [4.4] S l 680.7m M 38.87kg / s m 0.3kg / s U 3.43W m º K Quedn sí defnds ls dmensones báss prelmnres de l hmene onvetv, prtr de ls ules es posble esbozr un esquem elementl pr el prototpo de un SISOL, tl omo el de l fgur [4.1] Desde el punto de vsto onstrutvo, se propone en prnpo l utlzón de hp fbrd en ero l rbono de ldd omerl, on espesor nomnl e e = ¼ (6.4mm) pr l onformón de l rs de l hmene onvetv y ños de seón rulr de espesor e =.mm pr los dutos de rulón ntern de re. Ls pltns perfords tmbén se fbrn de ero l rbono, on espesor e p = ¾ L superfe exteror de l hmene onvetv se ísl térmmente on poluretno expnddo; el espesor de l slón (e te ) se determn prtr del nálss termodnámo de l hmene, los efetos de otr ls pérdds térms l vlor máxmo rrb prevsto. El re ngres l hmene onvetv desde l tmósfer exteror por su extremo nferor, trvés de un ono de dmsón, el ul permte mnmzr l pérdd de rg en est seón. Asmsmo, se prevé un ono nvertdo en el extremo superor de l hmene, el ul se utlz tnto pr redur l pérdd de rg en el espe de re, omo pr oletr gu de lluv que se utlz pr reponer ls pérdds por evporón en l rs. En l perfer del ono de sld se ub, demás, un persn permetrl de álbes vertles móvles, que hblt l rulón de re undo se lnzn ls ondones de held, o ben, undo se exede l tempertur máxm prevst del gu lmend en l rs. El lor se sumnstr l gu de l rs trvés de un oletor solr plno, orentdo onvenentemente h el norte e nstldo l pe de l hmene. El dmensonmento del oletor se relz pr ls ondones más severs del nverno, prtr de los dtos proporondos por un Fbrnte de equpos en el Ctálogo éno orrespondente. Es mportnte destr que los álulos nterores no mpln neesrmente l vbldd de un SISOL; únmente dn un de prelmnr de uáles deberín ser sus dmensones pr permtr el lmenmento de un ntdd de energí térm sufente pr l utonomí desed y erogr un udl de re rzonble. Sn embrgo, ello no mpl que l ptón de es energí y su trnsferen h el re rulnte, un ts deud y omptble on los rngos de Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 1 de 30

13 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 tempertur de los fludos, puedn efetvmente relzrse utlzndo un dseño smple y onfble. Como prmer pso pr dh onsttón, en l Seón [5] se desrrolln ls euones neesrs pr efetur un nálss termodnámo de l hmene onvetv, el ul deberí onsttur l bse pr el dseño detlldo de un prototpo. A ontnuón, en l Seón [6], se dmenson y espef un modelo de oletor solr, pz de proveer l ntdd de energí requerd por el SISOL. Por últmo, en l Seón [7] se dsuten lgunos spetos donles reltvos l onstruón y l dseño de detlle del prototpo, uyo nálss en profunddd exede el lne del presente nteproyeto, pero que serín relevntes desde el punto de vst opertvo y del desempeño del equpo. 600 A A Fundón Admsón Chmene Convetv L = 100 Desrg 175 De = 03 Peso totl sn gu: 7,980kg Peso totl on gu: 38,500kg Detlle de Pltns (esl = 3x) e = 3.5 De = 03 D = 15 N = Fg. 4.1: Esquem báso de un SISOL [PRELIMINAR] Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 13 de 30

14 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Análss termodnámo de l hmene onvetv 5.1 Euones y prmetrzón del modelo [Refs. 8.6; 8.7; 8.11] S se sume que el re se omport omo un gs del y se onsder únmente l fuerz sensonl de orgen térmo, el dferenl de presón dsponble entre l bse de l hmene onvetv y l tmósfer exteror en el extremo superor de l hmene, donde el re es desrgdo nuevmente h el exteror: [5.1] p g L 0 dh Pr proeder on el álulo de est ntegrl defnd se utlz l sguente orrelón lnel pr l dependen de l densdd del re on l tempertur, de uerdo on lo tdo tles efetos en l bblogrfí de referen: [5.] K 1 K ref [5.b] [5.] K kg / 1 m 3 K 0.004kg / m º K 3 [5.d] ref º 300 K l euón [5.1] devene: [5.3] p K g L L 0 dh 0 dh En l euón [5.3] l segund ntegrl defnd puede proxmrse ntroduendo el vlor medo de l tempertur del re en un p de espesor smlr l de l ltur de l hmene onvetv: [5.4] L 0 dh L Pr determnr el perfl de temperturs del re rulnte en el nteror de l hmene onvetv, se plnte un blne dferenl de energí en un trmo de hmene de longtud dh: [5.5] C m d U D dh m gdh P Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 14 de 30

15 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Suponendo que l vrón de l tempertur del gu en l rs de l hmene onvetv es lnel on l ot h, debdo l estrtfón térm del gu durnte el funonmento del SISOL, se puede esrbr: [5.6] K o 1 h El vlor del oefente K 1 depende del modelo de estrtfón doptdo pr modelr el omportmento termodnámo del gu en el nteror de l rs. S no exstese estrtfón lgun, l tempertur del gu serí proxmdmente unforme en tod l rs, on lo ul se tendrí: [5.6b] K 1mín 0 [5.6b] o L En l prát, est ondón stuón serí dfílmente lnzble, l menos sn reurrr un omplejdd onstrutv que probblemente resultrí nomptble on un dseño smple y onfble del SISOL. Por otr prte, l estrtfón del gu en l rs serí máxm undo l tempertur del re frío que ngres por l bse de l hmene se gul on l del gu lmend en el extremo nferor de l rs, y l del re lente que bndon l hmene es sensblemente nferor l del gu en el extremo superor de l rs; en tl so, se tendrí: [5.] o e [5.6] [5.6] L s K 1 máx L L e s L e En l prát, el vlor de K vrrá lo lrgo del tempo entre los límtes defndos por ls euones [5.6b] y [5.6]; no es posble estbleer en form smple ómo será su evoluón, y que ello depende de los detlles onstrutvos de l hmene onvetv y de sus ondones opertvs nles (dstrbuón de temperturs del gu l momento de omenzr rulr re frío por el nteror de l hemen) Más ún, un vez defnds ls rterísts onstrutvs y los vlores nles de los prámetros, se requerrí relzr un nálss del proeso trnstoro (no estonro) de enfrmento de l ms de gu lmend en l rs de l hmene pr estbleer el ndmento de K. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 15 de 30

16 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Por otr prte, tenendo en uent que ls propeddes termodnáms del gu no vrín demsdo pr el rngo de temperturs de trbjo prevsts, es rzonble sumr lgun hpótess smplfdor en relón on el omportmento del prámetro K 1, los efetos del presente estudo. En tl sentdo, se onsder eptble suponer, omo un prmer proxmón, que K 1 se mntene proxmdmente onstnte lo lrgo del funonmento de l hmene onvetv, quedndo defndo su vlor prtr de ls temperturs del gu en los extremos nferor y superor de rs, en el nstnte nl t 0 : [5.6d] K 1 el L o t o S ben se entende que l ondón dd por [5.6d] no se umplrá estrtmente en l prát, los rgumentos ddos en los párrfos nmedtmente nterores pr su dopón se puede gregr l onsderón de que, s el espesor de l slón térm es onstnte lo lrgo de l hmene, es de esperr que el flujo de lor rebdo por el re desde el gu lmend en l rs se proxmdmente onstnte lo lrgo de l msm, y que mentrs el extremo nferor de l hmene se enuentr en ontto on el re menor tempertur, en el extremo superor l velodd de éste será máxm (por serlo su tempertur y, entones, su volumen espeífo); ello sugere que el peso reltvo de los sendos omponentes de ntermbo térmo onvetvo y de onduón, en el oefente globl de ntermbo gu-re, podrín ompensrse, l menos prlmente, lo lrgo de l hmene onvetv (es der, undo uno de ellos dsmnuye, el otro umentrí) Combnndo [5.5] y [5.6] se puede resolver l euón dferenl resultnte y obtener el perfl de temperturs del re en el nteror de l hmene onvetv: [5.7] K 4h e K 1h K 3 e 1 m g K 1C K 3 e o U D U D K 4 C P m P A prtr de l expresón de es posble lulr l prmer ntegrl defnd de l euón [5.3], obtenendo: [5.8] K 1L K 3 K 4L p K gl e e K4L 1 K 4 Los oefentes globles de trnsferen térm entre el gu lmend en l rs de l hmene onvetv y, y se, el re rulnte en su nteror (U ), omo l tmósfer exteror (U e ), se luln respetvmente según: Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 16 de 30

17 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 [5.9] [5.9b] U 1/ u e / 1/ u U 1/ u e / e / 1/ u e e e s s te te e Donde se h omtdo l ontrbuón de l vn metál protetor del slnte térmo exteror (brrer de vpor y proteón meán), debdo que su espesor es normlmente muy redudo (del orden de 1mm) y su ondutvdd térm reltvmente elevd (suelen fbrrse on hp de lumno o ero noxdble usteníto) en omprón on l hp de ero l rbono utlzd pr onformr ls envolventes de l hmene. Consderndo que los oefentes de ntermbo onvetvo entre el re y l superfe dyente (nteror o exteror) son muho menores que los del gu on l envolvente de l rs, ls euones [5.9] dmten l sguente smplfón: [5.9] U 1/ u e / s [5.9d] U e 1/ u e / e / e e s te te L dferen de presón p se vnul dretmente on el udl de re rulnte por el nteror de los dutos de re de l hmene onvetv y ls pérdds de rg que experment en ls seones de dmsón y desrg, sí omo lo lrgo de l prop hmene, de uerdo on l sguente expresón: [5.10] p p e p f p s [5.10b] [5.10] [5.10] [5.10] p p e f e ev e L v f D e s [5.10d] p s s sv s Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 17 de 30

18 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 donde los vlores de l densdd del re se luln, pr un tempertur dd, utlzndo l euón [5.] Los oefentes e y s dependen de l geometrí de ls seones de dmsón y desrg de l hmene onvetv, prtulrmente s se nstln dspostvos tles omo dfusores, álbes guís, sombreretes, odos-velet, et. A los efetos del presente estudo prelmnr se sumrá, onservdormente (puesto que se prevé l utlzón de un ono nvertdo que deberí redur ls pérdds de rg en el extremo superor), que el oefente de pérdd de rg en l sld de l hmene orresponde l de un expnsón súbt de l ven de re: [5.10e] s 1.0 Con respeto l oefente de pérdd en l entrd del re l hmene, su vlor puede mnmzrse dseñndo deudmente l seón de dmsón, de modo de redur l turbulen que, de lo ontrro, se generrí en este setor; de uerdo on lo tdo en l bblogrfí de referen, s se utlz un ono de dmsón on un ángulo e =.5º el vlor del oefente e puede tomrse omo: [5.10f] e 0.06 Fnlmente, el oefente de pérdd de rg dstrbud f puede lulrse prtr de un proedmento tertvo, utlzndo por ejemplo el ábo de Moody, y que depende ntrínsemente de ls restntes propeddes termodnáms del flujo de re, sí omo de su velodd ( trvés del Número de Reynolds del flujo) y tmbén de l rugosdd reltv de l superfe ntern de l hmene onvetv. No obstnte, los efetos del presente estudo y omo un prmer proxmón, se sumrá que l superfe ntern de l hmene puede proxmrse rzonblemente l ondón de tubo lso; bjo tl hpótess, s el Número de Reynolds del flujo de re es superor 10 4 (lo ul se omprobrá más delnte, l relzr los álulos orrespondentes) el oefente de pérdd de rg dstrbud f puede lulrse omo: [5.10g] f 1.8log Re 1.64 Refrendo el udl volumétro y l velodd del re ls ondones de l dmsón de l hmene onvetv, de ls euones [5.10] se obtene: [5.11] p 8eQ 4 D e e e f L D e 1 N De D 4 s s e Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 18 de 30

19 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 L energí térm lmend en el gu de l rs se trnsferrá h el flujo de re rulnte por el nteror de l hmene onvetv, desontds ls pérdds de lor h l tmósfer exteror, de uerdo on ls sguentes euones: [5.1] E E Ep [5.1b] E M C P f t [5.1] E Q e e s e t [5.1d] E U D L t [5.1e] E p U D L e e t sendo: [5.13] [5.13b] [5.13] [5.13d] t t f M f t o o V L L t t f DL D De L Puesto que l densdd y el lor espeífo del gu lmend en l rs no vrín sensblemente on l tempertur, en los álulos se utlzrán los vlores orrespondentes un tempertur med del gu de 3.5ºC, representtv del rngo de vrón esperdo durnte el funonmento de l hmene (10ºC 55ºC): [5.14] C P 4.190kJ / kg º K [5.14b] 993kg / m 3 Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 19 de 30

20 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Pr el álulo de los oefentes de ntermbo térmo onvetvo se utlzn ls orrelones sugerds en ls referens tds, orrespondentes l onfgurón de flujo nteror turbulento desrrolldo (es der, pr Re > 10 4, lo ul se verf en el trnsurso del álulo) y onveón nturl exteror pr un lndro vertl. En el so del oefente de onveón nteror, u, su álulo se relz prtr de ls sguentes euones: [5.15] Nu f Re f 8 1 / Pr Pr / 3 1 [5.15b] 0.5 Pr 000 [5.15] 4 10 Re 5x 10 6 Se sume, en un prmer proxmón, que l tempertur de l superfe nteror de los dutos de re de l hmene, s, puede onsderrse proxmdmente onstnte lo lrgo de tod su extensón; los álulos pueden refnrse dvdendo l hmene en trmos ontguos on temperturs de superfe progresvmente myores on l ltur y plndo l orrelón nteror en d uno de ellos. El Número de Reynolds del flujo nteror y el oefente de trnsferen onvetvo se lul prtr de ls sguentes expresones: [5.15d] Nu u D [5.15e] Re v D En ls orrelones nterores, ls propeddes termodnáms relevntes del re se luln l tempertur med del re m, med rtmét entre ls temperturs de entrd y de sld del re en l hmene onvetv. [5.15f] m e s El oefente de ntermbo onvetvo exteror u e entre l tmósfer y l superfe extern de l rs de l hmene onvetv se determn prtr de: Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 0 de 30

21 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 [5.16] Nu e Pr e R L [5.16b] Gr L g se me L 3 [5.16] R L Gr L Pr e Al gul que pr flujo nterno de re, en un prmer proxmón se puede sumr que l tempertur de l superfe exteror de l envolvente de l hmene, se, puede onsderrse proxmdmente onstnte lo lrgo de tod su extensón, o mejorr l presón de los álulos dvdendo l hmene en trmos ontguos on temperturs de superfe progresvmente myores on l ltur y plndo l orrelón nteror en d uno de ellos. El oefente de trnsferen térm externo, orrespondente l fenómeno de onveón nturl, se lul prtr del número de Nusselt ddo por [5.16]: [5.16d] Nu e ue L e En ls orrelones nterores, ls propeddes termodnáms relevntes del re se luln l tempertur med del re me, med rtmét entre l tempertur tmosfér y l tempertur de l superfe extern de l hmene onvetv. se [5.16e] me Por otr prte, l plbldd de l orrelón [5.16] en l geometrí de nterés (lndro vertl) depende de que se verfque l sguente ondón [5.16f] D L e 35 1 Gr 4 L Los vlores de ls propeddes termodnáms del re y del gu, dependentes de ls respetvs temperturs de los fludos, se determnron por nterpolón lnel prtr de los dtos dsponbles en el Apénde A de l Ref. [8.7], según se detlln en ls Plnlls de Cálulo djunts. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 1 de 30

22 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Espefón del oletor solr 6.1 Estmón de l Irrdn [Refs. 8.8; 8.11; 8.1] A los efetos del plnteo del presente nteproyeto, y los efetos de lustrr el proeso de nálss de l nformón helométr eventulmente dsponble, se reurró l bse de dtos que reúne ls medds de rrdón globl horr relzds por el Despho de Crgs de UE en l loldd de Melll (Depto. de Montevdeo) en el período omprenddo entre gosto del ño 1997 y enero de En l prát, es evdente que serí deseble ontr on nformón espeíf pr l zon de emplzmento del SISOL y representtv del período estonl de nterés, que pr el so quí onsderdo es el nverno, y que l probbldd de ourren de helds de rdón y su severdd son máxms en los meses más fríos del ño, l tempo que se mnmz l dsponbldd del reurso solr. En el presente so, prtr de ls medds de rrdón dr nvel del suelo en el plno horzontl I g, se lulron los respetvos índes de lrdd K t, l ntdd de hors drs de sol N s, l frón dfus dr f d (luld prtr de l orrelón de Erbs et l.) y l rrdón med dr sobre el plno nlndo R m del ptdor. Los álulos orrespondentes se detlln en ls Plnlls de Cálulo djunts. 6. Hpótess pr el dmensonmento del oletor solr De uerdo on lo nddo en l seón nteror, result lro que el sstem de ptón de energí solr deberí dmensonrse prtr de los regstros de rrdón dsponbles pr los meses nvernles y del requermento térmo defndo por ls vrbles E (energí que se debe entregr l gu lmend en l rs de l hmene onvetv) y t h (durón máxm esperd de l held) uyos vlores se lulron en ls seones nterores: [6.1] [6.] 3 t h 6h 1,6 x10 s 9 E 1.99x10 J Adonlmente, debe defnrse el período mínmo requerdo pr l reposón de l energí edd l re durnte un held, lo ul mpl estbleer l freuen máxm esperd pr l ourren de helds. Evdentemente, l hpótess más onservdor y exgente desde el punto de vst opertvo es sumr que pueden produrse helds lo lrgo de dos o más nohes onseutvs, lo ul no es exeponl s ls ondones lmáts fvorbles pr este tpo de fenómenos se prolongn durnte vros dís. Por lo tnto, los efetos del presente álulo se sumrá que el sstem de ptón debe ser pz de sumnstrr drmente l ntdd de energí térm neesr pr elevr l tempertur de l ms de gu umuld en l hmene onvetv (M ) en un mgntud gul l rngo opertvo del SISOL ( f ): Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. de 30

23 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 [6.3] [6.3b] [6.3] 55º C 38º K f 10º C 83º K M 10, 515kg Estos vlores se utlzn onjuntmente on los resultdos obtendos pr l rrdón med dr nvel del suelo sobre plno nlndo en los meses de juno, julo y gosto pr espefr ls dmensones y rterísts esenles del oletor solr, según se detll en l sguente seón. 6.3 Seleón y dmensonmento del oletor solr [Refs. 8.10; 8.11] enendo en uent el rngo de temperturs requerdo pr el gu (10ºC 55ºC) en l rs de l hmene onvetv, se h seleondo un oletor de tpo plno prtr del Ctálogo éno de un fbrnte de equpos, pr onformr l superfe de ptón de energí solr. L ntdd de pneles requerd se determn prtr de los vlores de rrdón med dr sobre el plno del oletor pr los meses onsderdos (juno, julo y gosto), de ls dmensones (áre de pertur) y de l urv de rendmento del oletor seleondo: Modelo 5SR o = K 1 = W/(ºKm ) K = W/(ºK m ) A o =.4 m Los álulos orrespondentes, detlldos en ls Plnlls de Cálulo djunts, ndn que se requere un áre de pertur totl de 154m, es der, un onjunto de 64 pneles oletores onetdos en prlelo. L nlnón del plno del oletor se espef prtr de los vlores de rrdón busndo optmzr su pdd pr los meses de nverno; se obtene de este modo un vlor de 10º en exeso de l lttud geográf del emplzmento, es der, 45º pr el so del Uruguy. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 3 de 30

24 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Fg. 6.1: Crterísts onstrutvs del oletor seleondo Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 4 de 30

25 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Fg. 6.: Crterísts opertvs del oletor seleondo Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 5 de 30

26 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Consderones omplementrs pr l onstruón del prototpo Además de los spetos reltvos l dseño báso del SISOL, su geometrí, dmensones y rterísts opertvs (temperturs, utonomí, et.), todo lo ul fue desrrolldo en ls seones preedentes, exste un sere de spetos que deberín ser nlzdos pr proeder on l onstruón de un prototpo funonl. S ben su trtmento detlldo exede el lne del presente doumento, en l presente seón se nluye un lstdo de estos rubros que servrí omo guí o mro de referen los efetos de evlur l onstruón y montje del prototpo: Espefón de l fundón de l hmene onvetv (proyeto vl del ddo o plte de hormgón rmdo, mentón y/o plotes de poyo); ls dmensones y peso de l estrutur rgd on gu se ndn en l Fgur 4.1. Sstem de ontrol de l persn de álbes móvles ubdos en l seón de sld de l hmene onvetv; según se propone en l Fgur 4.1, el onmento de d álbe se relzrí mednte un sstem de bel y orreder vnuldo un oron rulr grtor. El movmento de l oron serí ontroldo por un sstem neumáto, onsstente en sendos fuelles de expnsón llenos on fludo termoexpnsvo; dhos fuelles serín responsbles de l pertur de l persn undo se lne l tempertur de held (0 ºC) en l bse de l hmene onvetv o ben, l tempertur máxm permtd del gu umuld en l rs; en mbos sos, l pertur de l persn hbltrá el flujo de re sendente trvés de los dutos nterores de l hmene onvetv, en el prmer so los efetos de drenr el re heldo y en el segundo pr lmtr el nremento de l tempertur del re. Sstem de elmnón de vpor y purg de re; prevene l presurzón de l rs en dís lurosos o on nveles elevdos de rrdn solr. En l Fgur 4.1 se prevé tles efetos l nstlón de un tnque de expnsón y de un válvul de segurdd de gu, que puede ser susttud o omplementd on un válvul de purg utomát de tpo termostáto, nstld en el extremo superor de l hmene onvetv. Sstem de reposón de gu; en l Fgur 4.1 se prevé l reoleón de gu de lluv en el ono nvertdo de l seón de sld (extremo superor) de l hmene onvetv. Adonlmente, se prevé un ñerí de llendo y un purg de fondo. Espefón de berturs (regstros) pr nspeón, lmpez y mntenmento de l superfe ntern de l rs. Espefón de un sstem de proteón tód mednte ánodos de srfo (león de mgneso) pr ls superfes nterores sumergds de l hmene onvetv. Dosfón de soluones ntorrosvs (seuestrnte de oxígeno y desnrustntes) en el gu del sstem. Estudo de mterles lterntvos pr l onstruón de l hmene onvetv: envolvente de hormgón rmdo, dutos de PVC, PPL, et. Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 6 de 30

27 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso Referens 8.1 R. L. Snyder, J. P. de Melo-Abreu: Proteón ontr ls helds: fundmentos, prát y eonomí. Orgnzón de ls Nones Unds pr l Agrultur y l Almentón - Rom, SIS Frost Proteton Corporton: Crterísts de ls helds de rdón 8.3 SIS Frost Proteton Corporton: Qué el Sstem SIS 8.4 H. Arbz: Nuevo método de ontrol de helds de rdón: SIS (sumdero nvertdo seletvo) Deprtmento de Frutultur Fultd de Agronomí Unversdd de l Repúbl. Uruguy, ufrost.om/fnmodels.htm 8.6 X. Zhou, J. Yng, B. Xo, F. Xng: Anlyss of hmney heght for solr hmney poer plnt. Appled herml Engneerng. Aepted 13 Februry 008. Avlble on lne t.senedret.om. 8.7 F. P. Inroper, D. P. Wtt: Fundmentls of Het nd Mss rnsfer. rd Edton. John Wley & Sons USA. I.S.B.N G. Abl: Fundmentos de Energí Solr - Undd I: Rdón Solr. Versón 1.0. Insttuto de Fís - Fultd de Ingenerí - Unversdd de l Repúbl. Uruguy, gosto N. P. Qudr: Energí Solr. ª Edón Atulzd, Lbrerí y Edtor Alsn Buenos Ares, Argentn. I.S.B.N ERMICOL: Ctálogo de Equpos Proyeto SISOL Plnlls de Cálulo 8.1 UE: Bse de Dtos de Irrdón Globl Horr Sere Melll. 08/97 01/99 Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 7 de 30

28 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Apénde A: Nomenltur, smbologí y unddes utlzds A o [m ]: C P [kj/kgºk]: Áre de pertur del oletor solr Clor espeífo del re C P [kj/kgºk]: Clor espeífo del re luldo l tempertur m C [kj/kgºk]: Clor espeífo del gu D [m]: Dámetro nteror de los dutos de rulón de re D e [m]: Dámetro exteror de l rs de l hmene onvetv e [m]: Espesor de pred de los dutos de rulón de re e e [m]: Espesor de pred de l rs de l hmene onvetv e p [m]: Espesor de pred de ls pls de erre de l rs e te [m]: Espesor de l slón térm exteror de l hmene onvetv E [J]: Clor bsorbdo por el re en l hmene onvetv durnte el ntervlo t E p [J]: Clor perddo h el exteror desde l hmene durnte el ntervlo t E [J]: Clor eddo por el gu en l hmene onvetv durnte el ntervlo t f d [dm.]: Frón dfus dr g [m/s ]: Aelerón grvttor Gr L [dm.]: Número de Grshof del flujo de re en el exteror de l hmene onvetv h [dm.]: Coefente de pérdd de rg dstrbud del re en l hmene onvetv H g [J/(m d)]: Irrdón dr nvel del suelo sobre el plno horzontl H t [J/(m d)]: Irrdón med dr sobre un plno nlndo K 1 [W/(ºKm )]: Coefente de juste de prmer orden de l urv de rendmento del oletor K [W/(ºK m )]: Coefente de juste de segundo orden de l urv de rendmento del oletor K 1 [kg/m 3 ]: Coefente de orden ero pr l orrelón lnel = () K [kg/(m 3 ºK)]: Coefente de orden uno pr l orrelón lnel = () K t [dm.]: Índe de lrdd K 1 [ºK/m]: Coefente de orden uno pr l orrelón lnel = (h) h [m]: Coordend vertl defnd desde l bse de l hmene onvetv h rrb L [m]: Longtud útl de l hmene onvetv m [kg/s]: Cudl máso untro de re en d duto de l hmene onvetv M [kg/s]: Cudl máso totl de re en el nteror de l hmene onvetv M [kg]: Ms de gu lmend en l rs de l hmene onvetv N [dm.]: Cntdd de dutos de rulón de re en el nteror de l hmene onvetv N s [h]: Cntdd de hors drs de sol Nu [dm.]: Número de Nusselt del flujo de re en el nteror de l hmene onvetv Nu e [dm.]: Número de Nusselt del flujo de re en el exteror de l hmene onvetv Pr [dm.]: Número de Prndtl del flujo de re en el nteror de l hmene onvetv Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 8 de 30

29 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 Pr e [dm.]: Número de Prndtl del flujo de re en el exteror de l hmene onvetv Q e [m 3 /s]: Cudl volumétro de re en l entrd de l hmene onvetv Q m [m 3 /s]: Cudl volumétro medo de re en l hmene onvetv R L [dm.]: Número de Rylegh del flujo de re por el nteror de l hmene onvetv Re [dm.]: Número de Reynolds del flujo de re por el nteror de l hmene onvetv S el [m ]: Áre lterl extern de l hmene onvetv S l [m ]: Áre lterl ntern de ntermbo térmo entre el re y el gu de l rs S t [m ]: Áre trnsversl ntern de rulón de re por l hmene onvetv [ºK]: empertur del re en el nteror de l hmene onvetv -ref [ºK]: empertur de referen del re pr l orrelón lnel = () -nf [ºK]: empertur del re en el exteror l hmene onvetv m [ºK]: empertur med del re en el nteror l hmene onvetv me [ºK]: empertur med del re en el exteror de l hmene onvetv e [ºK]: empertur de entrd del re en l bse de l hmene onvetv s [ºK]: empertur de sld del re en el extremo de l hmene onvetv se [ºK]: empertur de l superfe exteror de l hmene onvetv s [ºK]: empertur de l superfe nteror de l hmene onvetv [ºK]: empertur del gu en el nteror de l rs de l hmene onvetv f [ºK]: empertur fnl del gu lmend en l rs de l hmene onvetv [ºK]: empertur nl del gu lmend en l rs de l hmene onvetv e [ºK]: empertur de entrd del gu en l rs de l hmene onvetv s [ºK]: empertur de sld del gu en l rs de l hmene onvetv L [ºK]: empertur del gu en el extremo superor de l rs de l hmene onvetv o [ºK]: empertur del gu en el extremo nferor de l rs de l hmene onvetv U [W/(m ºK)]: Coefente globl de trnsferen térm entre l rs y el nteror de l hmene u e [W/(m ºK)]: Coefente térmo onvetvo entre el gu y l envolvente exteror de l rs u [W/(m ºK)]: Coefente térmo onvetvo entre el gu y l envolvente nteror de l rs u e [W/(m ºK)]: Coefente térmo onvetvo entre l re y l superfe exteror de l hmene u [W/(m ºK)]: Coefente térmo onvetvo entre l re y l superfe nteror de l hmene U e [W/(m ºK)]: Coefente globl de trnsferen térm entre l rs y el exteror de l hmene V [m/s]: Velodd del re en el nteror de l hmene onvetv V e [m/s]: Velodd del re en l entrd de l hmene onvetv V s [m/s]: Velodd del re en l sld de l hmene onvetv V [m 3 ]: Volumen de gu lmendo en l rs de l hmene onvetv Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 9 de 30

30 Mestrí en Ingenerí de l Energí - Fundmentos de Energí Solr érm - Curso 010 e [º]: E [m]: E p [m]: E [m]: p [P]: p e [P]: p s [P]: p f [P]: t [s]: t h [s]: [ºK]: [ºK]: e [dm.]: s [dm.]: [dm.]: [W/(mºK)]: s [W/(mºK)]: te [W/(mºK)]: t [W/(mºK)]: [Ns/(m )]: s [Ns/(m )]: [Ns/(m )]: [kg/m 3 ]: e [kg/m 3 ]: e [kg/m 3 ]: s [kg/m 3 ]: -nf [kg/m 3 ]: [kg/m 3 ]: Ángulo del ono de dmsón de re de l hmene onvetv Clor bsorbdo por el re en l hmene onvetv durnte el ntervlo temporl t Clor perddo h el exteror desde l hmene durnte el ntervlo temporl t Clor eddo por el gu en l hmene onvetv durnte el ntervlo temporl t Cíd totl de presón del re en l hmene onvetv Cíd de presón del re en l dmsón de l hmene onvetv Cíd de presón del re en l desrg de l hmene onvetv Cíd de presón del re en el duto de l hmene onvetv Intervlo de dsretzón temporl Durón máxm prevst de un held / Autonomí opertv del sstem Inremento de l tempertur el re en l hmene onvetv Reduón de l tempertur del gu en l rs de l hmene onvetv Coefente de pérdd de rg en l dmsón de re de l hmene onvetv Coefente de pérdd de rg en l desrg de re de l hmene onvetv Rendmento nstntáneo del oletor solr Condutvdd térm del re luld l tempertur m Condutvdd térm del ero l rbono Condutvdd térm del slnte térmo exteror de l hmene onvetv Condutvdd térm del slnte térmo nteror de l hmene onvetv Vsosdd dnám del re luld l tempertur m Vsosdd dnám del re luld l tempertur s Vsosdd nemát del re luld l tempertur m Densdd del re en el nteror de l hmene onvetv Densdd del re en l entrd de l hmene onvetv Densdd del re luld l tempertur m Densdd del re en l sld de l hmene onvetv Densdd del re en el exteror l hmene onvetv Densdd del gu en el nteror de l rs de l hmene onvetv Mros enon Vgueret mtenon@dnet.om.uy Pág. 30 de 30