Curso energía Solar Térmica

Transcripción

1 INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 1

2 CONTENIDO A) Editorial B) Introducción C) Módulo I Introducción a las energías a) Sistema Internacional de Unidades b) Evolución de la demanda energética c) Energías Renovables d) Tablas de Conversión de Unidades D) Módulo II Introducción a la energía solar a) El Sol b) Radiación Solar c) Distribución mundial de la energía d) Usos y aplicaciones de la energía solar e) Radiación directa, difusa y total E) Módulo III Los colectores y paneles solares a) El Efecto Invernadero b) Constitución de un colector solar plano de aire c) Ecuación del balance energético d) Superficies de un colector e) Sistema térmico de energía solar f) Inclinación y orientación de colectores solares g) Paneles solares líquidos h) Formas Constructivas i) El rendimiento energético de un panel solar j) Energía útil de un panel k) Eligiendo un panel solar plano l) Colectores planos especiales m) El acumulador de calor F) Módulo IV Las Instalaciones de energía solar a) Descripción de una instalación de agua caliente sanitaria b) El campo de colectores c) Montaje de colectores en serie y paralelo d) Cálculo de la instalación desde el punto técnico e) Método de cálculo F-Chart f) Uso racional de una instalación de energía solar g) Aspectos económicos de la energía solar h) Corrosión en instalaciones solares INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 2

3 G) Construcción de un colector solar plano económico a) Materiales a utilizar b) La placa colectora y circuito hidráulico c) El marco d) ensamblado final Editorial Este curso se creo con la idea de que las energías renovables, en especial la energía solar, son fuentes de energía indispensables en este momento para el presente y futuro de la humanidad. Este curso esta escrito gracias a los conocimientos y vivencias que decenas de empresarios, instaladores y usuarios de la energía solar compartieron con nosotros, con las cuales, el estudiante del curso podrá aprender tanto los fundamentos de la energía solar, como los elementos prácticos para resolver problemas prácticos en la utilización de la energía solar en sus aplicaciones térmicas. Cabe señalar que se puso especial énfasis en que el alumno aprenda los fundamentos de la energía solar, con lo que le será más fácil entender y aplicar los conceptos relacionados con la energía solar térmica. Que estés leyendo estas líneas, es el resultado de la visión de un grupo de emprendedores que notaron una falta de cursos de calidad y económicos disponibles y que se pudieran estudiar a distancia. Sin más preámbulos empecemos con el curso. Ing. Delfino Racete Ingeniero Civil Editor en Jefe INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 3

4 Introducción Al finalizar este curso tendrás los suficientes conocimientos para realizar y/o proyectar instalaciones de energía solar térmica que funcionen correctamente y no presenten problemas. Es importante aclarar que alrededor de una cuarta parte de los temas de este curso no son específicos de la energía solar. Esto se hizo con la intención de que el alumno aprenda de una manera más completa como trabajar la energía solar, al presentarle conceptos que le ayudaran a un mejor entendimiento de todo lo que hay atrás de la utilización de la energía solar térmica. El primer tema trata sobre el uso de unidades del sistema Internacional, ya que no en todos los países de habla hispana se usa este método, y es el que mayormente se usa al trabajar con energía solar. Estas a sólo un paso de distancia de convertirte en un experto de la energía solar térmica, ponte cómodo y disfruta de este maravilloso viaje que te adentrara al mundo de la energías renovables y limpias. Definiciones Fundamentales para este curso Energía Solar Visto desde el punto de vista de su estudio, la energía solar se refiere al aprovechamiento de la energía que viene del sol, ya sea de manera térmica o fotovoltaica. Radiación Solar Es el flujo de energía que llega desde el sol como ondas electromagnéticas, ya sea como luz visible, infrarrojo o ultravioleta. Colector o panel solar Es el aparato encargado de captar la energía que hay en la radiación solar para convertirla en energía útil y aprovechable por los humanos. INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 4

5 MÓDULO I, INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS Objetivos Conocer los sistemas y unidades físicas existentes, y aprender a realizar la conversión de uno a otro. Estudiar las energías existentes, su clasificación y rasgos principales. Introducción A lo largo del presente curso de energía solar térmica precisaremos, en muchas ocasiones, efectuar mediciones y cálculos de diversas magnitudes. En consecuencia, habremos de conocer con precisión las unidades que expresaremos y su significado físico. Se dará una visión histórica de la energía en el mundo. Se examinan también cada una de las energías y sus posibilidades. De esta forma se adquirirá una visión generalizada de la situación energética presente y futura inmediata. El sistema internacional de unidades de medida El Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI, es el sistema de unidades más extensamente usado. Junto con el antiguo sistema métrico decimal, que es su antecesor y que ha perfeccionado, el SI también es conocido como sistema métrico, especialmente en las naciones en las que aún no se ha implantado para su uso cotidiano. Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesas y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas o fundamentales. En 1971, fue añadida la séptima unidad básica, el mol. Una de las principales características, que constituye la gran ventaja del SI, es que sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales. La única excepción es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, que está definida como la masa del prototipo internacional del kilogramo o aquel cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por instrumentos INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 5

6 similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y por ende asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones duplicadas, el cumplimiento de las características de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad. Desde el 2006 se está unificando el SI con la norma ISO 31 para formar el Sistema Internacional de Magnitudes (ISO/IEC 80000). A mayo del 2008 ya se habían publicado 7 de las 14 partes de las que consta. Magnitud Física Unidad básica Símbolo Longitud Metro M Tiempo Segundo S Masa Kilogramo Kg Intensidad corriente Amperio A eléctrica Temperatura Kelvin K Cantidad de sustancia Mol mol Intensidad luminosa candela cd Definiciones de las unidades básicas Kelvin (K). Unidad de temperatura termodinámica. o Definición: Un kelvin es la temperatura termodinámica correspondiente a la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Segundo (s). Unidad de tiempo. o Definición: El segundo es la duración de periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. Metro (m). Unidad de longitud. o Definición: Un metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/ de segundo. Kilogramo (kg). Unidad de masa. o Definición: Un kilogramo es una masa igual a la almacenada en un prototipo. Amperio (A). Unidad de intensidad de corriente eléctrica. o Definición: Un amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a newton por metro de longitud. INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 6

7 Mol (mol). Unidad de cantidad de sustancia. o Definición: Un mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplea el mol, es necesario especificar las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas. Candela (cd). Unidad de intensidad luminosa. o Definición: Una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia hercios y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián. Las unidades derivadas del SI Con esta denominación se hace referencia a las unidades utilizadas para expresar magnitudes físicas que son resultado de combinar magnitudes físicas tomadas como fundamentales. El concepto no debe confundirse con los múltiplos y submúltiplos, los que son utilizados tanto en las unidades fundamentales como en las unidades derivadas, sino que debe relacionarse siempre a las magnitudes que se expresan. Si estas son longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia o intensidad luminosa, se trata de una magnitud fundamental, y todas las demás son derivadas. Existen decenas de unidades derivadas, pero a continuación enlistamos las más importantes relacionadas con el estudio y la aplicación de la energía solar. Velocidad Es el cociente entre una longitud y un tiempo. Se expresa en m/s. Aceleración Es el aumento de velocidad regular que sufre un objeto, equivalente a un metro por segundo cada segundo. Se expresa en m/s2. Fuerza INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 7

8 Un newton es la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s 2 a un objeto cuya masa es de 1 kg. Se expresa por N=m kg/s2 Energía (trabajo) Un joule es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza. En términos eléctricos, un joule es el trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1 Voltio y con una intensidad de 1 Amperio durante un tiempo de 1 segundo. Se expresa por J=N m=m2 kg/s2 Potencia (watts) Un vatio es la potencia que da lugar a una producción de energía igual a 1 joule por segundo. En términos eléctricos, un vatio es la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1 amperio. Se expresa por W=J/s=V A=m2 kg/s3 Presión Un pascal es la presión que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una superficie de 1 metro cuadrado normal a la misma Se expresa por Pa=N/m2 Potencial eléctrico Es la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un vatio de potencia. Se expresa por Voltio (V)=W/A Otras unidades que se utilizan en la práctica de la energía solar pero no pertenecen al Sistema Internacional Centígrado (Grado Celsius) Esta unidad de temperatura es igual al grado kelvin ºC= 1 ºK. La diferencia esta en el punto de origen de cada una. Los grados centígrados toman su punto de origen en la fusión del hielo, mientras que los kelvin lo hacen en el cero absoluto que es ºC. Es por eso que es indiferente si se usa grado centígrado o kelvin para expresar una temperatura. Caloría INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 8

9 Es una unidad métrica de energía, y es la energía necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de 1 gramo de agua de 15 a 16 grados centígrados. Una caloría es igual a 4.18 Joules. Kilowatt hora Es la energía desarrollada de mil watts durante una hora. No pertenece a las unidades derivadas del sistema internacional por que la hora no es una unidad básica del sistema internacional. Ver tablas de conversión al final de la Módulo Evolución de la demanda energética Es evidente que hoy en día una sola persona gasta muchísima más energía de lo que gastaba una persona hace 100 años, por lo que la necesidad nos ha llevado a encontrar mejores fuentes energéticas con el pasar de los años. Las principales fuentes de energía durante miles de años, hasta hace alrededor de doscientos años, fueron la madera, usada tanto en casa como en la industria, la energía hidráulica, aprovechada en corrientes de río o en cascadas para mover molinos y la energía eólica, en donde todos conocemos los famosos molinos que se usaban para los granos. Después de estos cientos de años en donde la madera fue la principal fuente energética de las personas (y que como todo en exceso los bosques sufrieron de talas sin control, el carbón paso a ser el substituto perfecto, ya que tiene un mayor poder calorífico por unidad. Durante alrededor de cien años, el carbón fue la principal fuente energética, usada para mover barcos, trenes, para cocinar y calentar hogares. Pero a partir de la invención de la electricidad y la invención del motor de combustión, el petróleo y la electricidad se convierten el las principales fuentes de energía. En la gráfica de abajo, podemos ver como a partir de que entramos en la era del petróleo, el consumo energético se dispara gracias al bajo costo del petróleo en esos días y lo que incita a un consumo excesivo y despilfarrador de energía. INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 9

10 Año Consumo de energía Pero desde finales de los años 80, el precio del petróleo comenzó a subir y nuevas fuentes de energía empezaron a ser investigadas, principalmente las energías renovables. Es hasta principios de este nuevo siglo XXI, que los precios del petróleo superan lo que las personas pueden costear, y es en donde las energías renovables salen a relucir y comienza el boom de este tipo de energías limpias. Hoy en día todavía están en proceso de crecimiento, pero nosotros, estudiosos y practicantes de ellas, las llevaremos a primer plano en menos de diez años. Clasificación de las energías Las energías se clasifican en dos grandes grupos, las energías primarias y las energías secundarias. La diferencia entre una y otra es que en las primarias se obtiene la energía directamente de la fuente, mientras que en las secundarias necesitan sufrir al menos una transformación para poder aprovechar la energía INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 10

11 Energías primarias Carbón Petróleo Biomasa Solar etc Energías secundarias Electricidad Nuclear Hidráulica Geotérmica Cabe señalar que una energía puede ser primaria o secundaria. Como la energía hidráulica, si se esta usando para generar electricidad es secundaria, ya que necesita de transformadores para generarla, pero si en cambio se pone un molino dentro del caudal de un río, es primaria, ya que se esta usando su energía directamente para mover el molino. Dividir las energías en primarias y secundarias es algo que se hace desde hace mucho tiempo, pero últimamente se da más importancia a otra división (y que nos interesa más), que es en energías renovables y no renovables. Diferenciarlas es muy fácil, las energías no renovables se agotaran en algún momento, como el petróleo, ya que son generadas por la Tierra durante millones de años, y las energías renovables son las que estarán ahí por siempre, o al menos durante varios miles de años. Energías Renovables Las más importantes son: Energía solar: Este tipo de energía existirá mientras exista el sol y es la más abundante en todo el mundo. Como ya comentamos antes, el costo de la energía solar hasta el día de hoy no es competitivo, ya que las tecnologías de los combustibles fósiles o no renovables llevan años perfeccionándose, mientas que la tecnología solar es relativamente nueva, pero con el paso de los años igualará e inclusive bajara los precios de las energías no renovables. Energía Eólica: La energía eólica actualmente se aprovecha a partir de aerogeneradores o turbinas de viento. Un aerogenerador consiste en una torre muy elevada en cuya punta se colocan unas hélices que giran al para del viento y generan electricidad. Biomasa: La energía de la biomasa consiste en la energía producida por la fotosíntesis de los vegetales. El aprovechamiento de esta energía consiste en cultivar especies vegetales apropiadas para la obtención de madera o residuos vegetales que pueden servir como combustible. INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 11

12 Hidráulica: Para generar energía a partir de la hidráulica se tienen que tener dos factores en cuenta: un caudal y un desnivel. El principal uso de la energía hidráulica es al construir presas, en donde se genera un desnivel, y la energía del agua cayendo es aprovechada para mover turbinas que generan la electricidad. Olas y corrientes marinas: Esta es posiblemente una de las energías renovables que más eficientes puede ser, debido a la densidad del agua, pero que lamentablemente es la menos avanzada de las que hemos nombrado hasta ahora. Hasta hoy la manera en que se ha aprovechado es poniendo turbinas en el fondo de los ríos y que se mueven al pasar del agua. Energías no renovables En esta sección no entraremos en detalles, ya que no nos interesas, pero a continuación mostramos una lista de las más usadas e importantes: Carbón Petróleo Gas Natural Energía nuclear de fisión Arenas asfálticas Datos Interesantes La energía solar es la energía con mayor potencial, su gran desventaja es que no es constante. El gas natural, al igual que el petróleo se obtiene de restos fósiles y debe ser destilado para su aprovechamiento real. Actualmente el petróleo cubre el 50% de la demanda energética mundial, el carbón el 30%, el gas natural el 10% y el restante 10% lo cubren las energías renovables y otras no renovables. INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 12

13 Tablas de Conversión de Unidades Longitud Volumen Masa Densidad INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 13

14 Presión Energía Energía Específica Capacidad Calorífica y Entropía Específica INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 14

15 Potencia INDTRODUCCIÓN Y MÓDULO I PÁGINA 15