67-23/37 UBA Ing. O. Jaimovich Capítulo 6 Conversión solar en baja temperatura:

Transcripción

1 Capítulo 6 Converión olar en baja temperatura: Como ya e definió, e trata del aprovechamiento de la radiación olar tal como llega a la uperficie de la Tierra, e decir, como vector energético extenivo. Colector plano: E el converor que aprovecha la radiación olar total, tanto la directa (imagen del Sol) como la difua (claridad). El principio de funcionamiento e baa en la capacidad de aborber energía radiante que poee el cuerpo negro. Dicha energía e aborbe en forma de calor, el cual e utiliza para calentar un fluido en contacto directo o indirecto con el material que aborbe la radiación. E abido que la radiación térmica e tranmite en el vacío de acuerdo con la expreión de Stephan-Boltzman: ( ) 4 4 E = σ. e. T e T r donde e e el coeficiente de abortividad, que varía entre 0 (reflector perfecto) y 1 (aborbedor perfecto o cuerpo negro perfecto ); σ e la contante de Boltzman; Te e la temperatura aboluta del cuerpo emior, y Tr la correpondiente al receptor. Ee flujo de radiación depende aimimo, de la poición orbital de la Tierra repecto del Sol (etación del año) y de factore de aborción y diperión a nivel de la atmófera. La diperión e debe eencialmente a la molécula del aire, vapor de agua, polvo; en cuanto a la aborción, e debida a lo gae preente, como el nitrógeno y el oxígeno, que aborben en el epectro de onda corta en la ionofera, mientra que el ozono e reponable de la aborción en la banda ultravioleta. En la atmófera también preentan aborción la molécula de agua, monóxido y dióxido de carbono. Para el cálculo de converore en baja temperatura, e decir, en bae a la radiación in concentrar, olamente e tiene en cuenta el epectro comprendido entre 0,3 y 2,5 μ de longitud de onda. A nivel de la uperficie terretre, e decir, en la aplicacione no epaciale, e reciben do clae de radiación: Radiación directa: Cuando e viible la imagen del Sol. Radiación difua: Depende de la naturaleza y cantidad relativa de lo elemento preente en la atmófera, en un momento determinado. Mientra la determinación de lo parámetro correpondiente a la radiación directa contituyen como e verá a continuación un problema eencialmente geométrico, la determinación de la radiación difua procede de la totalidad de la bóveda celete,y u ditribución generalmente no e uniforme pue depende fundamentalmente de la condicione climática. Ademá de la variable de poicionamiento de un punto P obre la uperficie terretre (latitud y longitud), e puede conocer en cada momento la poición del Sol por medio del ángulo horario y la declinación del Sol. Capítulo 6 1

2 A tal efecto e puede analizar en el Gráfico 4 la determinación de la principale coordenada del Sol repecto de un punto de la uperficie terretre y para un intante determinado: N d P L L = latitud h = ángulo horario h d = declinación Gráfico 4 S Aimimo, para conocer la contante de la radiación olar para ee punto P on neceario lo iguiente parámetro, egún el iguiente Gráfico 5: Cenit γ = azimut β ψ O β = Altura ψ = cenit S γ P N E Nadir Gráfico 5 La contante olar: Se define como contante olar a la energía recibida del Sol por unidad de uperficie normal a la dirección de lo rayo y por unidad de tiempo, a la ditancia media entre la Tierra y el Sol. Dicha ditancia media e determina en Km. El valor adoptado actualmente e de W / m².min = cal / m². min Finalmente, cabe detacar que para el cálculo de intalacione ailada extraterretre y para ajutar lo valore de inolación en intalacione terretre e utiliza la contante olar iguiente: Capítulo 6 2

3 I0 = r. Ic. co θ donde I0 e la intenidad de radiación obre una uperficie expreada en Kcal / h. cm² Ic e la contante olar que repreenta la intenidad de radiación que recibe una unidad de uperficie normal a lo rayo olare y ituada a la ditancia media entre el Sol y la Tierra, y u valor e de 2 Kcal / min. m² r e el cuadrado de la relación entre la ditancia media entre Tierra y ol y la ditancia real entre ambo, que varía entre 1,034 (invierno) y 0,967 (verano) θ e el ángulo de incidencia de la radiación repecto de la uperficie coniderada. Exite una ley (Ley de Bonguez) que relaciona la intenidad de la radiación que llega a un punto de la uperficie terretre con el epeor de la capa atmoférica y la altura olar ( el valor β ante determinado), con lo cual e puede etimar teóricamente la cantidad de radiación diponible en un determinado lugar y en un determinado momento. Cuando una uperficie orientada hacia el ecuador etá inclinada un ángulo β repecto a la horizontal, el ángulo de incidencia θ t puede calculare como: co θ t = co (L - β). co δ. co ω + en L. en δ donde L e la latitud, δ la declinación olar y ϖ el ángulo entre el plano meridiano que contiene al Sol y el plano meridiano del lugar (ángulo horario). La intenidad de radiación I0 puede integrare con repecto al tiempo para obtener la energía total incidente obre una uperficie en un determinado lapo, como por ejemplo, la radiación diaria H0: H 0 =. ω ω I d. ω = r.i π π ( col.coδ.coω+ enl.enδ) lo límite de integración on ± ω donde ω e el ángulo horario de la pueta del Sol. De igual forma, para una uperficie horizontal, la radiación horaria Ih0 ería: donde ω e el ángulo horario en el punto medio de la hora. c. ω ω 24 =. r. Ic. + 2π I ( co L. coδ. enω ω. en L. enδ ) 12 π = r. Ic en co L.coδ.coω + en.enδ = π 24 h0 L ( 0,0072. co L. coδ. coω + en L. enδ ) r. I. ( co L.. coδ.coω en. enδ ) = r. I. L c c +.d ω = Capítulo 6 3

4 Tipo de Colectore: Sobre la bae del colector plano típico, egún Figura 6: MARCO VIDRIO PLACA AISLACIÓN CAJA Figura 6 e pueden contruir variante como la iguiente (figura 7 y 8): AGUA DE SALIDA PLACA COLECTORA TUBOS CALENTADORES COLECTORES DE AGUA AGUA DE ENTRADA Figura 7 Capítulo 6 4

5 Otra poibilidad contructiva e: PLACA ONDULADA METÁLICA ENNEGRECIDA (COLECTOR) ESPACIOS POR DONDE CIRCULA EL FLUIDO A CALENTAR (OMITIDOS LOS COLECTORES) Figura 8 PLACA METÁLICA SOLDADA O FIJADA En ete cao e puede reemplazar el material de amba placa por materiale no metálico, que i bien no cuentan con la conductibilidad térmica de éto, el menor coto en materiale y contrucción que e traducen en un menor coto total por unidad de uperficie, compena la merma de rendimiento. Procedimiento elemental de cálculo: De acuerdo a la experiencia generalizada, la máxima inolación la recibe un colector plano que funcione todo el año (e decir, la cuatro etacione) orientado hacia el Ecuador, y con un ángulo fijo de inclinación repecto a la horizontal igual al valor de la latitud del lugar, multiplicada por el coeficiente fijo c = 0,9 con lo cual e aegura prácticamente que la cantidad de energía auxiliar requerida erá mínima, para una determinada uperficie de aborción. Otra regla encilla indica que un colector inclinado 1,5 vece el ángulo de latitud del lugar, recibe la mima inolación en ambo olticio. Determinada la inclinación del colector, e etima el área necearia de aborción: Con lo dato geográfico y de inclinación, e determina en la tabla el valor de inolación i [ Kcal / m². día ] Conociendo la cantidad de agua requerida por día G[ litro / día ] y la temperatura del agua de entrada al itema t0 [ C] y la temperatura requerida o de alida del itema tr [ C], e determina el alto térmico del agua como Δ t = (tr - t0) C Capítulo 6 5

6 la cantidad de calor requerida erá entonce, QR [ Kcal / día ]= G. c. Δ t Si e conoce el valor del rendimiento η del colector a utilizar e lo utiliza, i no, e puede coniderar como valor etimado η = 0,35 En bae a ello, e puede determinar el área necearia de colector como S R = QR i η 2 [ m ] En bae al valor de área requerida, e elige el valor de uperficie en unidade entera inmediatamente uperior a dicho valor. El cálculo e completa con la etimación de la autonomía requerida y de la fuente auxiliar de calentamiento, en bae a lo criterio anteriormente expueto. Aimimo, e requiere determinar la capacidad del depóito. Para ello e efectúan la iguiente conideracione para una bae diaria: QR = energía requerida por el itema, o energía de carga QC = energía captada por el colector QT = energía tranferida al depóito QP = energía de pérdida en el itema Se debe cumplir entonce que QC = QR + QT + QP lo valore de pérdida pueden determinare en bae a lo dato aportado por lo fabricante de lo equipo, o bien etimare en forma práctica, para una intalación con una capacidad nominal de una Kcal diaria, QP = 1500 Kcal / día. La dipoicione de lo colectore, una vez determinado u inclinación repecto de la horizontal y el área requerida, e decir, el número de elemento, e pueden coniderar lo iguiente cao típico. Intalacione con calentamiento directo. Intalacione con calentamiento indirecto. Capítulo 6 6

7 En línea generale, e pueden definir lo iguiente criterio comune para ambo cao: 1. Lo colectore e colocan en paralelo para aumentar el caudal diponible para un determinado alto térmico. 2. Lo colectore e diponen en erie para lograr un mayor alto térmico a caudal contante. 3. La intalacione comune diponen de lo colectore en arreglo erie-paralelo. Una intalación típica de calentamiento directo podría er como la de la figura 9: VENTEO AISLACIÓN TANQUE ESTRATIFICADO COLECTORES CALENTADOR AUXILIAR SALIDA A CONSUMO PURGA VÁLVULA UNIDIRECCIONAL Figura 9 En eto cao, la circulación por lo general e por termoifón (circulación natural); y la fuente de calor auxiliar en la mayoría de lo cao e un calefactor por reitencia directamente umergido en el agua del termo tanque. En el equema de la figura anterior, la etratificación de la temperatura e logra evitando la corriente interna, para lo cual e diponen de atenuadore a la entrada y la alida del tanque. En lo itema de calentamiento directo también e pueden coniderar intalacione con circulación forzada, en lo cao en lo que por neceidade de proyecto ean neceario grande recorrido de cañería y/o cambio de nivel. De toda forma, iempre e deberá tener en cuenta la poibilidad del deagote nocturno en la época de baja temperatura, por el riego de rotura por congelamiento en la erpentina o conducto de lo colectore. Aimimo, aunque no e llegue al punto de congelación, epecialmente en lo itema de circulación natural erá neceario prever una válvula adicional de tipo unidireccional en el circuito principal con el fin de evitar la circulación invera nocturna. Capítulo 6 7

8 Dicha circulación tendría el efecto de refrigerar el agua calentada de día y contenida en el termo tanque. En la figura 10 e detalla una intalación de calentamiento TANQUE indirecto: DE EXPANSIÓN VENTEO TANQUE AISLADO COLECTORES SALIDA A CONSUMO CALENTADOR AUXILIAR VÁLVULA UNIDIRECCIONAL BOMBA PURGA ENTRADA DE AGUA Figura 10 En eto cao, la bomba mima puede ervir de elemento antirretorno, pero en general, también e dipone una válvula unidireccional para evitar el efecto refrigerante nocturno. Finalmente, exiten otro tipo de aprovechamiento del vector olar directo en baja temperatura, en el campo térmico. A tal efecto, en la figura 11 e muetra un equema implificado de una central de aprovechamiento del vector olar directo para la generación de energía eléctrica por medio de un itema de converión en bae a un ciclo de vapor. El cao que e detalla correponde a la central experimental montada en el Monte Tabor (Etado de Irael). El traductor primario lo compone un itema de colectore plano de tipo elemental, e decir, in vidrio, erpentina ni ailación, y conectado en el equema cláico erie-paralelo, prácticamente bolone plático de color negro, y por lo que e hace circular agua en circuito cerrado. Capítulo 6 8

9 Ea agua calienta a u vez, un olvente alifático liviano, monoclorobenceno, que e vaporiza y evoluciona en una turbina, la cual mueve un generador eléctrico. CIRCUITO DE CALENTAMIENTO PRIMARIO Q CIRCUITO DE MONOCLORO BENCENO COLECTORES Figura 11 En el equema e obviaron lo elemento de control y demá acceorio, pero lo importante en ete cao e el tipo de colectore y la dipoición elegida. Repecto al tipo de colector, e determinó como la olución má económica por má que tenga un rendimiento eniblemente menor que el correpondiente al modelo de la Fig. 6, pero en compenación e pudo adoptar un área uficientemente grande de captación; aimimo, por er una ubicación con latitud cercana al Ecuador, e optó por la dipoición directa obre el terreno, evitándoe de eta forma el coto de la etructura correpondiente por un lado, y el mayor coto que e hubiee derivado de la rigidización de lo colectore para u uo inclinado, por eo e pudo utilizar ea epecie de bolo plático. Ea central fue de tipo experimental, pero abrió el camino para la utilización de ditinto tipo de fluido, incluyendo lo compueto como lo freone. Capítulo 6 9

10 Concluione: El aprovechamiento del vector olar directo en baja temperatura etá orientado epecíficamente a la obtención de agua caliente para uo anitario o calefacción y para uo indutriale. Otro gran campo de utilización, como fuente de energía primaria, e para lo proceo de dealinización de agua de mar, aunque en eto cao lo captadore difieren de lo vito anteriormente. Finalmente queda la utilización del vector para producción de energía eléctrica por medio de u uo como fuente caliente en ciclo de vapor. A efecto de racionalizar el uo de un vector abundante y difuo como el olar directo, e deben tener en cuenta la iguiente conideracione: a) Todo uo implica una cadena de tranformacione: ENERGÍA SOLAR TRASDUCTOR ENERGÍA PRODUCTO O ea: VECTOR ENERGÉTICO PRIMARIO T i η i ; con η p 1 i VECTOR ENERGÉTICO SECUNDARIO b) Cada tranformación implica una nueva pérdida en el rendimiento total del proceo: Se puede aproximar el rendimiento global de un proceo para la obtención de una forma de energía útil a partir del vector olar como n ηt = Π i = 1 c) Lo bajo rendimiento globale redundarán en mayore coto iniciale. Aunque el vector energético primario ea gratuito y renovable, un rendimiento global bajo requerirá en principio, una mayor área de captación y u intalacione correpondiente, haciendo que lo coto iniciale crezcan proporcionalmente, afectando la rentabilidad total de proyecto. d) Como corolario e puede definir como proyecto má viable aquel que implique la menor cantidad de tranformacione de energía. η i Capítulo 6 10