Plataforma Web para dimensionar sistemas solar térmicos en la República de Chile

Transcripción

1 Plataforma Web para dimensionar sistemas solar térmicos en la República de Chile Soto Sepúlveda, Eduardo Abstract: Iberoamericasolar.org es una plataforma de cálculo, sin costo para los usuarios, donde pueden evaluar una instalación solar térmica (y fotovoltaica en el futuro) y puedan conocer a través de una estimación de la producción de calor solar mediante de un método dinámico de cálculo. Estos resultados preliminares permiten hacer una estimación de los costes de la instalación y la producción de calor solar, con lo que se puede evaluar la amortización de la planta. Los usuarios acceden a través de la página Web a un sistema donde deben ir completando la información necesaria para la simulación. La idea es que tanto usuarios con y sin conocimientos avanzados en sistemas solar térmicos puedan evaluar una instalación. Por otra parte, las empresas pueden ingresar las características de los elementos que poseen y sus datos de contacto para que posteriormente, si el usuario lo desea, pueda Palabras clave: simulación, energía solar, ACS, página web, PHP, MySQL. 1. INTRODUCCIÓN En la búsqueda de métodos que permitan dimensionar un sistema solar térmico para calentamiento de agua mediante energía solar, ha permitido encontrar diferentes herramientas informáticas de gran calidad y que presentan buenos resultados comparativos con instalaciones reales. Cada software debe contar con una base de datos climatológica de las zonas en cuestión para conocer las condiciones en cada lugar y así poder establecer los valores de producción de energía con aporte energía solar. En muchos países, las normativas exigen un determinado porcentaje mínimo de aporte solar, estableciendo zonas climatológicas para un mínimo de producción de cobertura anual de la demanda de ACS. Este porcentaje de aporte solar en las instalaciones solar térmicas en edificaciones exige un dimensionamiento de la instalación con un grado bajo de incertidumbre debido a que una instalación sobredimensionada trae consigo costes elevados y un subaprovechamiento de la instalación, mientras que un subdimensionamiento genera un problema en el cumplimiento de la normativa vigente además de los altos costes de energía auxiliar necesaria para suplir las necesidades. El método f-chart es el más común y está validado por diversas normativas para el dimensionamiento. Este método permite evaluar con buena presición, el aporte de energía solar o grado de cobertura que la instalación solar térmica proporciona al sistema. El método se basa en un perfil de consumo típico, obtenido según mediciones de larga data, con el cual se establece una ecuación que permite estimar el aporte de calor mediante energía solar y el porcentaje de la demanda total en el mes. En los capítulos posteriores se explicará detalladamente el método f-chart. La estimación del aporte mediante una instalación térmica no es sólo lo que interesa saber previo a la ejecución de un proyecto solar térmico. También es necesario conocer la evolución de las temperaturas en distintas partes del circuito ya que de ello dependerá el diseño de sus componentes y sistemas de seguridad para el sobrecalentamiento, las bajas temperaturas, seguridad del agua potable para el consumo entre otros aspectos. Para ello se utilizan métodos de cálculo dinámico, que permiten estudiar la evolución de la temperatura a lo largo de los minutos, horas, días o intervalos de tiempo mayor. Se explican en este documento algunos métodos de cálculo dinámico. Este proyecto consiste en el desarrollo de una herramienta para la simulación dinámica que permita diseñar los elementos de una instalación solar térmica para agua caliente sanitaria (ACS) en una determinada ubicación geográfica. Iberoamericasolar.org es una plataforma de cálculo, sin costo para los usuarios, donde ellos puedan evaluar una instalación solar térmica (y fotovoltaica en el futuro) y puedan conocer a través de una estimación de la producción de calor solar mediante de un método dinámico de cálculo. Las ventajas del sistema son, Base de datos climática que crece constantemente debido a la incorporación de nuevos datos Flexibilidad en la evaluación de un sistema debido a que no requiere de licencias ni requisitos adicionales del sistema operativo. Base de datos de los componentes del sistema en constante crecimiento debido a que las empresas actualizan constantemente la base de datos. Los usuarios pueden contactar a las empresas a través de la plataforma Web. Esto permite simplificar el proceso de las cotizaciones de equipos debido a que el contacto usuario-empresa establece una base para el estudio previo y dimensionamiento de la instalación. Posibilidad de realizar optimización del ángulo de inclinación de los colectores solares. Este y otros aspectos de diseños pueden ser mejorados a través de la simulación dinámica observando los resultados (pensado para usuarios con conocimientos avanzados). La plataforma Web puede servir para simular sistemas y entregar informes para

2 postular a subenciones estatales en programas de fomento a las energías renovables. 2. OBJETIVOS Iberoamericasolar.org tiene como objetivo principal, promover el uso de la energía solar en Iberoamérica. Iberoamericasolar.org tiene los siguientes objetivos específicos: 1. Ser una plataforma gratuita para los usuarios donde puedan ver los beneficios sociales, técnicos y económicos de la energía solar. 2. Ser una plataforma para que las empresas y los usuarios se contacten en el proceso de evaluación, cotización y ejecución del sistema solar térmico (y fotovoltaico en el futuro). 3. ETAPAS Este proyecto contempla varias etapas, de las cuales algunas fueron desarrolladas en el proyecto de fin de máster. A continuación se describe de manera secuencial las etapas de desarrollo del proyecto Primera etapa Contratación del dominio Web y servidor. Se contrató el dominio y se habilitó el Webhosting en un servidor Apache (PHP y MySQL) para el hospedaje de la plataforma de cálculo. Estado del arte de las técnicas actuales del dimensionamiento de sistemas solar térmicos. Se realizó una búsqueda de los métodos utilizados para evaluar el aporte solar en instalaciones de ACS y el estudio normativas de Chile y España que recomiendan algunos métodos para esto. También, se evaluaron algunos software como TRNSYS y otros métodos como f-chart para la comparación de sus resultados. Método de conversión de datos de radiación sintéticos a valores horarios. Se estudió un método de conversión de información climatológica de radiación solar y temperatura ambiente para la generación de datos horarios. Modelo de simulación de la plataforma Web. Se estudió el método de simulación cuasi estático para sistemas solar térmicos. En este apartado, se desarrolló el balance energético de colector solar, intercambiador de calor y depósito de acumulación describiendo las ecuaciones principales que gobiernan los elementos. Plataforma Web. Se desarrolló la programación en PHP y AJAX de las página Web del sistema de cálculo para la simulación dinámica. Informe y pruebas básicas de la plataforma Web. Se realizó un informe donde se describen las características principales del proyecto y su programación Segunda etapa A continuación se describen las etapas posteriores al proyecto de fin de máster, Pruebas. Se compararan resultados de sistemas solar térmicos en operación con los resultados obtenidos de la simulación con el sistema Web. Base de datos climatológica. Se buscará información de los diferentes países y ciudades de Iberoamérica para complementar la base de datos de radiación solar, temperatura ambiente y del agua de red. Contacto con proveedores de servicios y productos de ACS con energía solar. Se desarrollará una búsqueda de las empresas en los distintos países donde se tenga información climatológica para que ingresen las características de sus productos. Desarrollo de la plataforma Web para sistemas fotovoltaicos. Siguiendo una metodología similar a la de este proyecto, se desarrollará una plataforma que permita la evaluación técnica y económica de los sistemas fotovoltaicos. Interconexión y difusión. Iberoamericasolar.org pretende ser un servicio integrable a otros sitios Web. Para ello se desarrollará un paquete de archivos que se pueda instalar tanto en blogs, CMS (como Joomla y Wordpress). 4. MODELOS Existen varias formas de estimar la producción de energía aportada por un sistema solar térmico, siendo unos más precisos que otros. Se debe seleccionar un método u otro dependiendo del nivel de incertidumbre que tolere el proyecto. A continuación se presentan algunos métodos que son los más comunes en la estimación del aporte solar en un sistema de ACS. Algunos de ellos cómo

3 el f-chart son recomendados en las normativas vigentes como el RITE en España y en el manual para instalaciones solares en Chile [3] Método f-chart Uno de los métodos más comúnmente utilizado y que cumple con los puntos anteriores es el método f- chart. Esta metodología está reconocida como muy fiable y precisa por organismos como el IDAE y CDT de la Cámara chilena de la construcción. El método f-chart consiste en obtener, a partir de una serie de correlaciones experimentales, la cobertura solar de la instalación (porcentaje de la demanda energética que se puede cubrir con aportación solar). Para ello previamente se determina la superficie colectora y el volumen de almacenamiento. Este método es adecuado para el diseño de este tipo de instalaciones, permitiendo conocer en forma precisa las condiciones de funcionamiento mensuales de la instalación. Ampliamente aceptado como un proceso de cálculo suficientemente exacto para largas estimaciones, no debe aplicarse para estimaciones de período más corto, como un día o una semana, al usar valores medios mensuales de temperatura, radiación solar, etc. orientación cualquiera, es posible resolver varias ecuaciones simultáneamente para estimar el comportamiento térmico del colector. Una vez conocidas las temperaturas de entrada y salida del colector, se puede determinar el flujo de energía transferido al depósito acumulador. Se desarrollaron las ecuaciones necesarias para obtener la energía útil que aporta un colector a una determinada hora. Una vez calculadas las variables que dan el comportamiento térmico del sistema para esa hora, se podrá calcular las variables térmicas en el intervalo horario siguiente, hasta completar todos los balances horarios para el período de tiempo, y cierre del bucle de cálculos horarios. Este modelo fue programado en un Sitio Web donde es posible simular un sistema solar térmico a partir de los datos que el usuario ingrese Simulación dinámica TRNSYS Es un solver de ecuaciones algebraicas y diferenciales que incorpora una librería con los más comunes sistemas termoenergéticos y diseñado especialmente para simulaciones transitorias. Las simulaciones pueden realizarse en los intervalos de tiempo especificados por el usuario: desde varias horas hasta varios segundos, dependiendo del tipo de proceso que requiera ser estudiado. Mediante una interface basada en iconos gráficos, el usuario directamente define los componentes de su sistema y los conecta. Esta interface gráfica tiene la capacidad de definir los parámetros y variables de entrada de cada uno de los componentes del sistema y de crear el archivo de entrada para que el ejecutable TRNSYS pueda realizar la simulación Modelo cuasi estático Este es un método intermedio entre f-chart y TRNSYS que permite visualizar en forma aproximada la evolución de la temperatura y obtener la energía del balance energético del sistema hora a hora. Es claro que este modelo no considera todas las ecuaciones que definen los elementos del sistema pero permite tener una idea más clara de los procesos dentro en el colector solar y el acumulador que permiten definir ciertas características en el diseño del sistema de ACS con energía solar. Una vez conocida el valor de la radiación horaria sobre una superficie con una inclinación y Figura 1. Esquema de operación del la pagina Web 4.3 Página Web de cálculo El sistema Web posee un motor de cálculo en PHP que permite leer y escribir una base de datos MySQL que contiene información de datos climatológicos, información de los componentes del sistema solar térmico y otros parámetros necesarios para realizar la evaluación Ubicación Los usuarios deben ingresar sus datos básicos: nombre, correo electrónico, país y ciudad. Estos serán utilizados exclusivamente para fines de contacto y envío de información de la plataforma Web y se explican dentro de clausulas sobre el uso que se le darán a los datos. Posteriormente se habilitará un sistema de contacto a empresas para solicitar una cotización de los equipos (colectores solares, acumuladores, etc.) y su instalación. Este sistema tendrá fines de establecer un servicio para las empresas locales que se encuentren dentro de la región o país donde el usuario realizó la simulación.

4 En la siguiente figura se muestra la interfaz de usuario para definir las características del consumo de ACS. La gráfica muestra el perfil seleccionado (en azul) y se compara con el perfil f-chart (en naranja) que se utiliza como referencia para una comparación Irradiación Solar y temperatura ambiente Figura 2. Página inicial de Iberoamericasolar.org. Solicitud de los datos básicos de usuario: nombre, correo electrónico, país y ciudad También, las empresas que ofrezcan tanto servicios de instalación como venta de equipos, tendrán acceso a una plataforma que les permita ingresar sus equipos y características. Con esto se espera tener la base de datos actualizada con todos los productos actuales en el mercado para las distintas regiones. La segunda etapa de la evaluación, consiste en seleccionar el perfil de consumo de ACS que más se parezca a la de la vivienda, edificio público o privado. En la sección se describieron distintos tipos de estimaciones del consumo diario de ACS, la plataforma Web incorpora los perfiles de consumo mencionados en esa sección, con la posibilidad de agregar otros tipos de perfiles especiales Consumo de ACS Los datos de irradiación solar son fundamentales para cualquier simulación de un sistema que utilice energía solar. En los capítulos anteriores, se explicó el método de expansión de los datos sintéticos a datos horarios. Esta información sirve para hacer los balances energéticos necesarios en el colector solar, intercambiador de calor y el acumulador. La información de radiación solar diaria [Wh/m 2 día] es obtenida de las mediciones de radiación solar realizadas por un organismo competente reconocido en el país. En Chile, existen publicaciones como el libro Irradiancia Solar en Territorios de la República de Chile. El Registro Nacional Solarimétrico pone a disposición parte de su colección de datos en el libro publicado en Conjunto por la Universidad Técnica Federico Santa María, el Gobierno de Chile (CNE), el PNUD y GEF. Editado bajo el proyecto CHI/00/G32. El libro fue publicado bajo la dirección del profesor Pedro Sarmiento M. y recopila más de 40 años de mediciones de radiación solar global en plano horizontal, incorporando más de 100 puntos de medición a lo largo de Chile. En el Manual de diseño para el calentamiento de agua [3], se encuentran las tablas de radiación solar, temperatura ambiente y del agua de red para algunas de las ciudades de Chile. Esta información fue expandida a datos horarios a través del método de generación de datos, para distintos ángulos de inclinación sobre la horizontal (de 0º a 90º, en pasos de 10º) con un albedo de 0,2, orientación norte (hemisferio Sur). Esta información fue calculada en una planilla Excel y llevadas a una base de datos MySQL. A continuación se muestra la pantalla de la página donde se selecciona la inclinación de los colectores solares y se puede ver la información del recurso solar de la irradiación solar global, directa y difusa. Figura 3. Página para definir el perfil del consumo y la demanda en litros de ACS

5 Figura 4. Página Web para configurar el ángulo de inclinación de la superficie de colectores solares Configuración del sistema Figura 6. Resumen de la información registrada en Iberoamericasolar.org utilizada para el cálculo de las variables energéticas A continuación se muestra una tabla de la energía total mensual de ACS, la energía solar aportada, la energía auxiliar y el grado de cobertura de la energía solar en el mes. Al final de la tabla se muestra el resultado total anual. Esta información es representada en forma gráfica como en la siguiente gráfica de ejemplo. Figura 5. Página para la configuración del sistema de ACS La última etapa consiste en definir la configuración del sistema solar térmico para ACS. Aquí se ingresan los siguientes parámetros para la simulación: Configuración del circuito de ACS Configuración de los colectores solares Configuración del depósito de acumulación Características del intercambiador de calor Resultados de la simulación Una vez configurado el sistema, el siguiente paso es calcular la energía total de ACS consumida en el mes y el año. En la primera parte, se muestra un resumen de la información ingresada que fue utilizada para realizar los cálculos. Figura 7. Ejemplo de gráfica de la energía total mensual utilizada en el sistema de ACS La temperatura en el acumulador y la temperatura de entrada y salida del colector es representada en otra gráfica donde se muestra la evolución diaria de la temperatura. La simulación es el resultado de un bucle o proceso iterativo que simula el sistema solar térmico a partir de una temperatura inicial del acumulador previamente configurada por el usuario. El bucle calcula los procesos energéticos hasta que los perfiles de temperatura diarios se estabilizan. La simulación utiliza un valor de temperatura inicial del acumulador debido a que es necesario establecer una condición inicial para los cálculos en la primera hora del día, posteriormente el valor inicial de temperatura del acumulador se sustituye por el valor final del día anterior. Este proceso se realiza varias veces hasta que la los perfiles diarios de temperaturas son iguales. Esto se comprueba mediante una comparación de la energía de ACS de la simulación anterior y la que se realizó posteriormente.

6 instalación solar térmica. Esta información puede ser utilizada para tener una idea del comportamiento del sistema durante los días del mes y un valor más preciso de la producción debido a que pueden introducirse distintos tipos de perfiles de consumo no estando limitado al perfil f-chart. Figura 8. Ejemplo de gráfica de la temperatura en el día del sistema de ACS simulado En azul se muestra la temperatura del acumulador, en verde la temperatura de salida de los colectores, en naranja la temperatura de entrada de los captadores y en negro la temperatura media en el captador Envío de correo electrónico La información puede ser enviada a través de una opción que permite enviar la información al correo electrónico de cada usuario desde la página web. Esta opción permite al usuario acceder posteriormente a los resultados obtenidos y contactarse con un especialista para ser asesorado en la optimización y diseño final del sistema de ACS. Figura 9. Envío de correo electrónico con la información de la simulación 5. CONCLUSIONES Cada método se utiliza para estudiar una instalación solar térmica. El método f-chart debido a su simplicidad permite determinar en forma rápida y segura el grado de cobertura solar de una instalación, pero no proporciona información relevante al diseño de la instalación que en algunos casos es crítica debido a los sobrecalentamientos. Por otra parte, TRNSYS, requiere de muchos conocimientos y experiencia con el programa para introducir los datos e interpretarlos. En este proyecto se ha desarrollado un método que reúne dos de las características más importantes de los métodos anteriormente descritos. Mediante un método de expansión de de los valores medios diarios de irradiación solar, es posible obtener información para hacer un balance horario de la El modelo simplificado de la instalación permite que el cálculo sea rápido y pueda implementarse en un servidor. La base de datos de información climatológica, puede ir creciendo y mejorando constantemente lo que presenta una gran ventaja frente a programas que deben actualizarse constantemente. El método tiene limitaciones. Al considerar un valor medio mensual para una zona determinada y luego expandir los datos de irradiación solar horario, se está considerando que ese perfil diario es igual para todos los días de cada mes. Por lo tanto, el perfil conseguido representa un perfil promedio de la instalación en los días del mes. No obstante, la base de datos climatológica posee los valores máximos de irradiación para el lugar, que pueden ser utilizados para un estudio del sobrecalentamiento de la instalación. Es claro que queda mucho trabajo por seguir desarrollando. Dentro de las cosas por hacer, está comparar los resultados con mediciones en instalaciones reales para el ajuste de los modelos, desarrollo de otras técnicas de control de instalaciones, modelos de otras configuraciones de instalaciones solar térmicas, agregar más colectores solares a la base de datos. También será necesario desarrollar una interfaz de usuario que permita un fácil manejo del sitio Web. 6. AGRADECIMIENTOS Primero, quiero agradecer a la Fundación Carolina, el Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos (CIRCE) que hicieron posible a través de la beca, viajar desde Chile a España para estudiar en el Máster Europeo en Energías Renovables en el Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza. Una vez terminadas las clases del máster, el profesor José Antonio Turégano creyó en esta idea y se convirtió en mi tutor. Agradezco a él y al Grupo de Energía y Edificación de la Universidad de Zaragoza por proporcionarme todo el apoyo en estos meses de trabajo. Hago una mención especial al profesor Sergio Díaz, por proporcionarme información y consejos durante la realización del proyecto. También quiero agradecer al Sr. Pedro Serrano y Andrés Olivares, ambos profesores de la Universidad Técnica Federico Santa María en Valparaíso Chile, por darme apoyo y buenas ideas desde el otro lado del charco.

7 Finalmente agradezco a mis excelentes compañeros, que hicieron de este año de estudios una gran experiencia de vida. 7. BIBLIOGRAFÍA [1] Solar Thermal System Successful Planning and Construcction Dr. Felix A. Peuser, Karl-Heinz Remmers, Martin Schnauss Solarpraxis ISBN [2] Energía Solar Térmica Ignacio Zabalza Bribián, Alfonso Aranda Usón Prensas Universitarias de Zaragoza ISBN [3]Sistemas Solares Térmicos Manual de diseño para el calentamiento de agua Corporación de Desarrollo Tecnológico, de la Cámara Chilena de la Construcción ISBN [4] Aplicación informática Cálculo dinámico IST Miguel Ángel Hernández Cruz Grupo de Energía y Edificación, Universidad de Zaragoza Enero 2005 [5] Proyecto de fin de carrera: Análisis de la optimización de una instalación de colectores solares. Identificación de sus principales problemas y soluciones. Desarrollo de un material multimedia Diego Martínez Sáenz Universidad de Zaragoza [6]An Introduction to Solar Radiation Muhammad Iqbal Academic Press ISBN [7] Energía Solar Lluís Jutglar Ediciones Ceac ISBN

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