ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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1 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

2 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.

3 HISTORIA T < 150 ºC 150 ºC < T < 500 ºC T > 500 ºC

4 Temperatura < 150 C BAJA TEMPERATURA Producción de Agua Caliente Sanitaria : ACS Sistemas solares térmicos de baja temperatura: CAPTADORES 1. Captadores solares de placa plana sin cubierta transparente 2. Captadores solares de placa plana con cubierta transparente 3. Captadores solares de placa plana de alta eficiencia 4. Captadores de vacío 5. Captadores con concentración CPC 6. Cocina y horno solar

5 BAJA TEMPERATURA Otras aplicaciones: 1. Calentamiento agua piscinas 2. Calefacción y Enfriamiento 3. Calor para procesos

6 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.

7 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

8 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

9 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

10 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.

11 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.

12 TECNOLOGÍAS Están compuestos de: Tubos para la circulación del fluido Placa de aluminio negra (absorbedor) Tubos de vació Caja de conexión Son especialmente adecuados para ser 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

13 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).

14 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.

15 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.

16 TECNOLOGÍAS 6. Cocina y horno solar Tecnología sencilla Aprovechan concentración y efecto invernadero Modelos artesanales Hace falta seguimiento solar manual cada minutos Temperatura de más de 200 grados, según la calidad del concentrador Tiempos de ebullición mínimos de minutos

17 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.

18 TECNOLOGÍAS Planos con recubrimiento Con tubos de vacío Placa plana sin cubierta Diferencia temperatura (Tcoll-Tamb)

19 Los elementos principales que constituyen los Sistemas Solares Térmicos: El Colector Solar El Intercambiador El Acumulador Las Bombas DESCRIPCIÓN DE UN SST Otros elementos necesarios son: sistema de control, tubería, válvulas, vaso de expansión, sensores de caudal, presión y temperatura

20 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

21 DESCRIPCIÓN DE UN SST Elementos del sistema: 1. Colector Solar 2. Acumulador 3. Intercambiador Interno 4. Bomba recirculación 5. Centralita de control 6. Apoyo térmico 4 3

22 1. El colector solar DESCRIPCIÓN DE UN SST

23 1. El colector solar Absorbedor: DESCRIPCIÓN DE UN SST 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.

24 1. El colector solar Absorbedor: DESCRIPCIÓN DE UN SST 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 Níquel negro Pinturas negro mate

25 1. El colector solar Absorbedor: DESCRIPCIÓN DE UN SST 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:

26 1. El colector solar Cubierta Transparente: DESCRIPCIÓN DE UN SST 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.

27 1. El colector solar Aislamiento: DESCRIPCIÓN DE UN SST Para evitar las perdidas producidas en la parte posterior del absorbedor se le añade un aislante térmico. Factores importantes: Durabilidad Baja conductividad Resistencia a la humedad y al fuego Precio Disponibilidad

28 1. El colector solar Aislamiento: Este aislamiento debe soportar adecuadamente unas temperaturas de trabajo altas Material DESCRIPCIÓN DE UN SST Conductividad (W/m C) Temp. max Resistencia a la humedad Resistencia al fuego Poliestireno Extruido C Impermeable No sin tratar Fibras minerales C Mala Alta Fibra de vidrio C Impermeable No inflamable Espuma rígida de policioruro de vinilo Espuma rígida de poliuretano C Impermeable No inflamable C Impermeable No sin tratar

29 1. El colector solar Cubierta Transparente: DESCRIPCIÓN DE UN SST 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.

30 2. El acumulador DESCRIPCIÓN DE UN SST 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

31 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

32 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.

33 5. Tuberías DESCRIPCIÓN DE UN SST 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

34 6. Válvulas DESCRIPCIÓN DE UN SST La elección de las válvulas se realizará de acuerdo a la función que desempeñen: Para aislamiento Para equilibrado Para vaciado Para llenado Para purga de aire Para seguridad Para retención Válvula de esfera Válvula de asiento Válvula de esfera Válvula de esfera Válvula de esfera Válvula de resorte Válvula de disco doble compuerta

35 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).

36 8. Sistema eléctrico y de control Constituidos de : Termómetros Manómetros Caudalímetros Contadores de energía DESCRIPCIÓN DE UN SST 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.

37 La Concentración Solar OTRAS TECNOLOGÍAS Porque concentrar la energía solar? 1. Para aumentar la densidad de potencia o flujo radiativo (kw/m 2 ) 2. Para conseguir temperaturas elevadas, hasta 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)

38 OTRAS TECNOLOGÍAS Fluido caloportador Tecnologías principales: 1. Parabólico lineal 2. Torre central 3. Espejos de Fresnel 4. Disco parabólico (Stirling)

39 OTRAS TECNOLOGÍAS Tecnologías principales a nivel de laboratorio: 5. Horno Solar 6. Simulador Solar

40 OTRAS TECNOLOGÍAS

41 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.

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