CALOR SOLAR PARA PROCESOS INDUSTRIALES

Transcripción

1 CALOR SOLAR PARA PROCESOS INDUSTRIALES Ignacio R. Martín Domínguez Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Medio Ambiente y Energía Sistemas Térmicos y Energía Renovable Chihuahua, Chih.

2 Energía y Desarrollo La energía es un insumo básico en toda actividad humana El funcionamiento de la industria, el comercio, el transporte, el suministro de alimentos, agua, salud y vivienda, todo depende de la disponibilidad de energía La energía no puede dejarse de utilizar Sin energía no hay civilización Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 2

3 Precios del Petróleo Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 3

4 Producción Mundial de Petróleo Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 4

5 La energía tiene costo Ante la escasez y aumento del costo de la energía, se requiere hacer un uso cada vez más eficiente de ella, y sustituir en lo posible el uso de fuentes fósiles de energía por energías renovables Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 5

6 Que son las Energías Renovables? Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 6

7 Disponibilidad de Energía Solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 7

8 Variabilidad Anual de la Energía Solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 8

9 Variabilidad Diaria de la Energía Solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 9

10 Obstáculos para la utilización de la energía solar El principal obstáculo es el económico Características de la energía solar Densidad energética baja, máximos temporales de 1,000 W/m 2 Intermitente. Solo se tiene disponible durante el día, y su intensidad varía desde cero al amanecer hasta un máximo a medio día, para regresar a cero al anochecer Disponibilidad impredecible. Puede suceder que se presenten nublados, lluvia, nieve, granizo, polvo Si bien la energía solar nos llega gratis, el equipo requerido para colectarla y utilizarla no lo es Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 10

11 Usos de la Energía Solar Directa Calentamiento de agua Calor de proceso Enfriamiento Desalinización Secado Bombeo de agua Generación de energía eléctrica Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 11

12 Sistemas de Captación de Energía Solar Directa Los dispositivos utilizados para captar la radiación solar y convertirla en calor se denominan Colectores Solares Colectores Térmicos, hacen uso del Efecto Foto Térmico y transfieren la energía colectada a algún fluido de trabajo Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 12

13 Colectores Solares Térmicos Qué son y para que sirven Convierten radiación en calor Minimizar pérdidas al ambiente Colectores planos Área de absorción igual al área de apertura Temperatura de equilibrio baja Colectores concentradores Área de absorción menor que área de apertura Concentración (soles) Temperatura de equilibrio función del número de soles Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 13

14 Colectores Planos Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 14

15 Colectores Planos Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 15

16 Colectores Concentradores Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 16

17 Colectores Concentradores Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 17

18 Temperaturas y Eficiencias de Colectores Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 18

19 Balance de Energía en un Colector Solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 19

20 Eficiencia de un Colector Solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 20

21 Eficiencia de Diferentes Tipos de Colectores Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 21

22 Aplicación según la Eficiencia Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 22

23 CALOR SOLAR DE PROCESO En diversos procesos industriales es posible sustituir el uso de fuentes convencionales de energía, utilizando energía solar térmica Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 23

24 Campo de Aplicación Las industria en donde se puede usar energía solar para suministrar calor de proceso son, entre otras: Alimentos Agrícola y Forestal (secado) Minería Textil Procesos químicos Papelera Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 24

25 Disponibilidad de la Energía Solar vs. Demanda del Proceso Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 25

26 Disponibilidad de la Energía Solar vs. Demanda del Proceso Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 26

27 Sistemas Industriales La estimación de la energía obtenible de un arreglo serie-paralelo de colectores es complicada No se tiene control sobre algunas de las variables Irradiación solar Temperatura ambiente Temperatura del agua de entrada Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 27

28 Simulación de Sistemas Solares utilizando TRNSYS Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 28

29 Encendido (0, 1) Datos del Ejemplo Número de Colectores Flujo L / min Colector Consumo de agua L/día Calentador Auxiliar Gas L.P. Capacidad Calorífica (MJ / kg) Costo ($ / kg) Eficiencia ( % ) Periodo de Servicio Durante el Día 1 Horario de Servicio Tiempo de Servicio Condiciones Climáticas de la Ciudad de Chihuahua Hora del día Simulación en TRNSYS 365 días/año Consumos integrados cada 15 min Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 29

30 Simulación en TRNSYS Se realizan cálculos para intervalos de tiempo de 15 min, para todos los días del año Se simulan las condiciones ambientales del lugar geográfico seleccionado Se consideran todas las características físicas y de comportamiento de cada dispositivo incluido Se calculan los totales diarios y el anual de los flujos energéticos Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 30

31 1 Jan 31 Jan 1 Mar 31 Mar 30 Apr 30 May 29 Jun 29 Jul 28 Aug 27 Sep 27 Oct 26 Nov 26 Dec Energía Térmica ( MJ ) Valor de Energía ( $ / día ) Totales Diarios y Promedio Ajustado *Carga: 3,000 L / dìa, *4 L / min por colector, *8 Colectores Energía Requerida (Carga) Energía Colectada por Día Fecha Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 31

32 1 Jan 31 Jan 1 Mar 31 Mar 30 Apr 30 May 29 Jun 29 Jul 28 Aug 27 Sep 27 Oct 26 Nov 26 Dec Energía Térmica ( MJ ) Valor de Energía ( $ ) Comportamiento Suavizado Energía Colectada por los Colectores *Carga: 3,000 L / dìa, *2 L / min por colector, *8 Colectores Energía Requerida (Carga) Fecha Energía Aportada por el Calentador Auxiliar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 32

33 1 Jan 31 Jan 1 Mar 31 Mar 30 Apr 30 May 29 Jun 29 Jul 28 Aug 27 Sep 27 Oct 26 Nov 26 Dec Energía Térmica ( MJ ) Valor de Energía ( $ / día ) Resultados para un consumo de 2,000 L/día *Carga: 2,000 L / día, *4 L / min por colector Promedio Diario de Energía Colectada 8 Colectores Energía Requerida (Carga) Colectores Colectores 4 Colectores 6 Colectores Suministro de Energía Auxiliar Fecha Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 33

34 Ahorro de Combustible Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 34

35 Conclusiones Es posible sustituir el uso de combustibles fósiles por energía solar Aplicaciones industriales que requieren temperaturas de hasta 260 C son tecnológicamente posibles La correcta selección de la tecnología a utilizarse, y el dimensionamiento optimizado de los sistemas, es fundamental para el éxito técnico y económico del uso de la energía solar Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 35