TEMA 4. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Transcripción

1 ecnología Energética Prolemas ema 4 EMA 4 ENERGÍA SOLAR ÉRMICA PROBLEMAS 1 Se dispone de un colector instalado en Alicante (L = 38 º 22 N) con un ángulo de inclinación s = 50º y orientado hacia el Sur (γ = 0º) La reflectividad del suelo tiene un valor de ρ = 0,2 Se conoce de medidas experimentales que la irradiación gloal diaria promedio del mes de enero sore una superficie horizontal en Alicante vale H = 8,9 MJ/m 2 día a) Ángulo de altitud solar a las 1330 del día medio del mes de enero ) Ángulo del ocaso o semiángulo horario del día medio del mes de enero c) Irradiación diaria solar extraterrestre promedio del mes de enero sore superficie horizontal d) Índice de claridad diario promedio del mes de enero e) Componente difusa de la irradiación gloal diaria promedio del mes de enero sore f) Componente difusa de la irradiación gloal entre las 1300 y las 1400 promedio del mes de enero sore g) Irradiación gloal entre las 1300 y las 1400 promedio del mes de enero sore h) Componente directa de la irradiación gloal entre las 1300 y las 1400 promedio del mes de enero sore i) Irradiación total entre las 1300 y las 1400 promedio del mes de enero sore superficie inclinada j) Factor R k) Componente directa de la irradiación gloal diaria promedio del mes de enero sore l) Irradiación total diaria promedio del mes de enero sore superficie inclinada 2 Calcular el factor de eficiencia de un colector solar con las siguientes características: coeficiente gloal de pérdidas, U L = 8 W/m 2 K; distancia entre tuos, d = 15 cm; diámetro interior de los tuos, D = 1 cm; espesor de la placa asoredora, t = 0,05 cm; conductividad térmica de la placa asoredora, k p = 385 W/m K; coeficiente de transferencia de calor del fluido, h fi = 300 W/m 2 K 3 Se dispone de un colector solar plano situado en Valencia (L = 39,48 º N) con una inclinación de 50º y orientado hacia el Sur (γ = 0º) Los datos del colector son los siguientes: transmisividad, τ = 0,9; asortividad, α = 0,9; área de la placa asoredora, A p 39

2 ecnología Energética Prolemas ema 4 = 2 m 2 ; temperatura del agua a la entrada del colector, f,in = 40 ºC; caudal másico de agua, m& = 0,02 kg/s; coeficiente gloal de pérdidas, U L = 8 W/m 2 K; factor de eficiencia, F = 0,84; calor específico del agua, c p = 4180 J/kg K Los datos de temperatura amiente y de la irradiación total horaria promedio de un mes se presentan en la siguiente tala Completar la tala calculando el calor útil otenido por el colector, el incremento de temperatura del fluido al atravesar el colector y el rendimiento del colector Horas I [MJ/m 2 h] 0,7 1,1 2,4 2,2 1,1 0,7 U L ( f,in - ) [MJ/m 2 h] Q u [MJ/h] f η [%] 9,0 10,1 14,5 15,3 16,1 16,1 4 (Examen de ferero de 2004) Se pretende colocar un colector de la marca Solahart modelo M para otener agua caliente en un chalet de la provincia de Madrid (L = 40 º N) El colector se coloca con un ángulo de inclinación s = 40º y orientado al sur (γ = 0º) La reflectividad del suelo es ρ = 0,25 y la temperatura amiente durante el mes de julio = 22 ºC Los datos del colector son los siguientes: transmisividad de la cuierta, τ = 0,94; asortividad de la placa asoredora, α = 0,95; área útil del colector, A p = 1,80 m 2 ; coeficiente gloal de pérdidas térmicas, U L = 4,9 W/m 2 K; calor específico del agua, c p = 4190 J/kg K; temperatura de entrada del agua, f,in = 45 ºC; caudal de agua, m& = 1,5 l/min Se conoce de medidas experimentales que la irradiación gloal diaria promedio del mes de julio sore una superficie horizontal en Madrid vale H = kj/m 2 día a) Ángulo del ocaso o semiángulo horario del día medio del mes de julio ) Irradiación diaria solar extraterrestre sore superficie horizontal promedio del mes de julio c) Índice de claridad diario promedio del mes de julio d) Componente difusa de la irradiación gloal diaria sore superficie horizontal promedio del mes de julio e) Factor R f) Irradiación total diaria promedio del mes de julio sore superficie inclinada g) Irradiación asorida por el colector diaria promedio del mes de julio h) Factor de evacuación del calor del colector saiendo que su curva de rendimiento experimental tiene la siguiente expresión: η = 0,73-0,49 * i) Calor útil diario promedio del mes de julio otenido por el colector 40

3 ecnología Energética Prolemas ema 4 j) Incremento de temperatura promedio del fluido del colector k) Rendimiento del colector promedio del mes de julio 5 (Examen de septiemre de 2004) Se pretende colocar un colector de la marca Solahart modelo M para otener agua caliente en un chalet de la provincia de Madrid (L = 40 º N) El colector se coloca con un ángulo de inclinación s = 40º y orientado al sur (γ = 0º) La reflectividad del suelo es ρ = 0,25 y la temperatura amiente media durante el mes de marzo = 11 ºC Los datos del colector son los siguientes: transmisividad de la cuierta, τ = 0,94; asortividad de la placa asoredora, α = 0,95; área útil del colector, A p = 1,80 m 2 ; coeficiente gloal de pérdidas térmicas, U L = 4,9 W/m 2 K; factor de evacuación del calor, F R = 0,817; calor específico del agua, c p = 4190 J/kg K; temperatura de entrada del agua, f,in = 45 ºC; caudal de agua, m& = 1,5 l/min A partir de medidas experimentales realizadas se conoce que la irradiación gloal diaria promedio del mes de marzo sore una superficie horizontal en Madrid vale H = kj/m 2 día amién se conocen los siguientes datos: declinación solar, δ = -2,42º; ángulo del ocaso o semiángulo horario del día medio del mes de marzo, ω s = 87,97º; constante solar del día medio del mes de marzo, G cn = 1379,8 W/m 2 a) Irradiación diaria solar extraterrestre sore superficie horizontal promedio del mes de marzo ) Índice de claridad diario promedio del mes de marzo c) Componente difusa de la irradiación gloal diaria sore superficie horizontal promedio del mes de marzo d) Factor R e) Irradiación total diaria promedio del mes de marzo sore superficie inclinada f) Irradiación asorida por el colector diaria promedio del mes de marzo g) Calor útil diario promedio del mes de marzo otenido por el colector h) Rendimiento del colector promedio del mes de marzo 6 Se tiene una instalación de agua caliente en Kinshasa (L = 4,3 º S) Se conocen los siguientes parámetros del colector: F R (τα) = 0,72; F R U L = 8,05 W/m 2 K; F R / F R = 0,935; ( τα ) /( τα ) = 0,96 La inclinación del colector es de 4,3º y su orientación es hacia el Ecuador Se considera una demanda de agua de 60 litros por día y por ocupante, siendo 10 el número de ocupantes El agua dee calentarse de 20 a 45 ºC La capacidad de almacenamiento del depósito es de 75 litros de agua por metro cuadrado de colector El depósito tiene un volumen de 250 litros, un coeficiente de pérdidas de 0,75 W/m 2 K y es de forma cilíndrica de 0,5 m de diámetro y 1,16 m de altura Los datos de temperatura amiente y de la irradiación total diaria promedio de cada mes se presentan en la siguiente tala Completar la tala estimando la fracción de carga térmica suministrada por energía solar en cada mes del año para una instalación con una superficie colectora de 5 m 2 41

4 ecnología Energética Prolemas ema 4 Mes H [MJ/m 2 día] Marzo 17,99 25,4 Julio 12,40 21,8 Noviemre 16,476 24,5 Q [GJ] X c Y f 7 Se pretende instalar un colector solar en Oviedo (L = 42,34º N) omando como mes de referencia septiemre ( H = 12,1 MJ/m 2 día) comparar el valor de la irradiación total diaria promedio del mes para las inclinaciones de 30º, 40º y 50º 8 Se quiere instalar un colector solar con una inclinación de 40º en San Seastián (ρ = 0,2; L = 43,3º N) El colector solar tiene un área de 2 m 2 y su curva de rendimiento viene dada f, in por la siguiente expresión: η = 0,8 4 con I expresado en [Wh / m 2 h] La I temperatura de entrada del agua será de 40 ºC Calcular para el periodo comprendido entre las 1500 y las 1600 del día medio del mes de ferero ( H = 7,2 MJ/m 2 día; = 10 ºC): a) El calor útil otenido en el colector solar ) El caudal de agua que dee circular si se quiere otener un incremento de temperatura entre la entrada y la salida de 6 ºC (c p = 4180 J/kg K) 9 Se pretende instalar un sistema de captación solar en una vivienda de San Seastián (ρ = 0,2; L = 43,3º N) Se conocen los datos climatológicos de los meses de aril (H = 15,2 MJ/m 2 día; = 14 ºC; sup = 13 ºC) y diciemre ( H = 4,32 MJ/m 2 día; = 10 ºC; sup = 8 ºC) La instalación va a aastecer de agua caliente sanitaria a load,min = 45 ºC a una vivienda ocupada por 4 personas con un consumo diario de 350 litros y un consumo en hora punta (entre las 7 y las 8 de la mañana) de 170 l/h Se van emplear colectores solares inclinados 40º, con un área de captación de 1,8 m 2 y los siguientes valores de sus parámetros: (τα ) = 0,95; U L = 5 W/m 2 K; expresión del rendimiento: η = 0,8075-0,5 * Entre el circuito primario y el secundario de la instalación se coloca un intercamiador del que se conocen los siguientes datos: U int = 1000 W/m 2 K; h,ent = 55 ºC; c,ent = 40 ºC; c,sal = 52 ºC Por el circuito primario circula agua con un 20% de etilenglicol (m& = 0,028 l/s (por cada colector), c p = 3975 J/kg K; ρ 1 kg/l) Por el circuito secundario circula agua con un caudal de 0,02 l/s (c p = 4180 J/kg K) 42

5 ecnología Energética Prolemas ema 4 Se dispondrá de un depósito de acumulación situado en el exterior de 1 m 3 de forma cilíndrica con 0,9 m de diámetro y 2 m de altura y un coeficiente de pérdidas de 0,85 W/m 2 K Se pide: a) Calcular la irradiación total diaria promedio del mes de aril sore la superficie de los colectores ) Calcular la carga térmica diaria a suministrar c) Indicar el número de colectores solares en paralelo a instalar, suponiendo que su rendimiento medio es del 35%, para que durante el mes de aril toda la carga térmica se satisfaga mediante energía solar d) Calcular el factor de evacuación del calor del colector e) Calcular para el intercamiador situado entre los circuitos primario y secundario la capacidad térmica de flujo mínima, C min y la eficiencia, ε f) Determinar el factor de carga térmica suministrado por la instalación de energía solar durante el mes de diciemre 43