Lección 001. ENERGÉTICA SOLAR INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA MÁSTER EN INSTALACIONES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS EN EDIFICIOS Curso

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1 Lección 001. ENERGÉTICA SOLAR INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA MÁSTER EN INSTALACIONES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS EN EDIFICIOS Curso Segundo semestre Profesor: Manuel Lucas Miralles Departamento: Ing. Mecánica y Energía

2 CONTENIDOS: 1. La energía del sol 1.1 Radiación Solar 1.2 La constante solar 1.3 Efecto de la atmósfera 2. Geometría solar 2.1 Coordenadas solares 2.2 Hora solar Hora civil 2.3 Irradiación sobre una superficie 3. Criterios de diseño del campo de colectores

3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: El estudiante será capaz de entender el concepto de radiación solar Sabrá definir el concepto de constante solar Conocer los ángulos que definen la posición del sol Distinguir entre hora civil y hora solar Manejar la carta solar Emplear los distintas opciones para conocer la radiación solar como dato de partida para el diseño de instalaciones Calcular las pérdidas por sombras de un campo de colectores Calcular las pérdidas por orientación e inclinación Calcular la distancia entre filas de captadores

4 1. LA ENERGÍA DEL SOL RADIO = km MASA = x MASA DE LA TIERRA EDAD = 5000 MILLONES DE AÑOS DISTANCIA MEDIA TIERRA-SOL = 150x10 6 km POTENCIA IRRADIADA = 4x10 23 kw!!!!! Zona convectiva : K, 10-5 kg/m 3 Zona radiativa : K, 70 kg/m 3 Nucleo: 15% vol, 40% masa 90% En, 10 7 K, 10 5 kg/m 3 H + H + H + H --> He + 2 electrons + 2 neutrinos + energía

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6 CUÁNTO TARDA LA ENERGÍA EN LLEGAR A LA TIERRA?

7 1.1 RADIACIÓN SOLAR TEMPERATURA EFECTIVA?? J.M. Pizazo (U.P.V.)

8 1.1 RADIACIÓN SOLAR

9 UV: 6,4% Visible:48% Infrarojo:45,6%

10 1.2 LA CONSTANTE SOLAR G SC G SC W S W 4 R cos( N) DISTANCIA TERRA-SOL = 150x10 6 km POTENCIA IRRADIADA = 4x10 23 Kw N : DÍA JULIANO

11 1.2 LA CONSTANTE SOLAR Irradiación diaria extraterrestre para el día medio de cada mes en el hemisferio Norte

12 1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA

13 1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA Cirulación atmosferica y oceanica 0.2% Evaporación 23% producción de materia viviente 0.02% Reflexion 30% Absorción (Atmosfera, mares, suelo) 47% Luz + Clorofila 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2

14 1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA RADIACIÓN TOTAL = RADIACIÓN DIRECTA + RADIACIÓN DIFUSA Imax 1100 W ALBEDO:= radiación reflejada por los cuerpos situados alrededor de la superficie sobre la que nos interesa calcular la radiación

15 2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL ERES TAN VANIDOSO! TE COMPORTAS COMO SI TODO EL MUNDO GIRARA A TU ALREDEDOR

16 2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL Precesión Nutación años Estrella Polar => Estrella Vega 19 años 23,5º ±9 2

17 2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL

18 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL

19 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES

20 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL

23 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES Coord. Ecuatoriales = Declinación = Ang. Horario = 15 (TSV-12) TSV= Tiempo solar verdadero Coord. Horizontales A = Azimut h = Altura Solar

24 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES Cenit hs = Altura Solar N S As = Azimut

25 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES POSICIÓN DEL SOL = F(LUGAR, DÍA, HORA) Duración del día!

26 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES Determina la altura solar y el acimut del sol el día 6 de junio a las 10 horas solares en Madrid (40,42º N) ,45º sen N ,25 ENERO 0+día JULIO 181+día FEBRERO 31+día AGOSTO 212+día MARZO 59+día SEPTIEMBRE 243+día ABRIL 90+día OCTUBRE 273+día MAYO 120+día NOVIEMBRE 304+día JUNIO 150+día DICIEMBRE 334+día senh sen sen cos cos cos sen sen senh cos A Z cos cosh

27 2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES PARA VALENCIA 39,48º N h_max= 90º-lat+dec

28 CONSTRUCCIÓN DE LA CARTA SOLAR

29 EMPLEO DE LA CARTA SOLAR

30 EMPLEO DE LA CARTA SOLAR

31 EMPLEO DE LA CARTA SOLAR Ej.3: Calcula la posición del sol el 21 de marzo a las 17 hr. Ej.4: Calcula la posición del sol el 21 de octubre a las 11 hr. Ej.5: Si el sol se encuentra en Az=-10º y hs=60º, qué día del año es?

32 2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) HORA CIVIL TSV HCR 4 LONGref LONGlugar Et HCR: hora civil LONG REF = -30º VERANO LONG REF = -15º INV. Et = Ecuación del tiempo Et 9.93sen (198º 1.971N ) 7.37sen(175º 0.986N)

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34 2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) HORA CIVIL E t 229,2 0, ,01868 cos( D ) 0,032077sen( 60 0, cos(2 D ) 0,04089sen(2 D ) D N 1 D )

35 2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) HORA CIVIL Ej.1: Determinar la hora solar verdadera cuando el reloj marca las 13 h del 22 de julio para Sevilla ciudad. La ciudad de Sevilla está a 5º 41 al oeste del meridiano de Greenwich. Ej.2: Considerando un lugar situado en la provincia de Pontevedra con una longitud geográfica de 8º 39 Oeste Qué hora marcará el reloj en el instante de mediodía solar un 19 de Noviembre?

36 EMPLEO DE LA CARTA SOLAR. SOMBRAS 45º

37 CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL VI.1 Introducción El presente Anexo describe un método de cálculo de las pérdidas de radiación solar que experimenta una superficie debidas a sombras circundantes. Tales pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar global que incidiría sobre la mencionada superficie, de no existir sombra alguna. VI.2 Procedimiento El procedimiento consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias aparentes del Sol. Los pasos a seguir son los siguientes: VI.2.1 Obtención del perfil de obstáculos Localización de los principales obstáculos que afectan a la superficie, en términos de sus coordenadas de posición azimut (ángulo de desviación con respecto a la dirección Sur) y elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal). Para ello puede utilizarse un teodolito.

38 CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL Representación del perfil de obstáculos Representación del perfil de obstáculos en el diagrama de la figura 8, en el que se muestra la banda de trayectorias del Sol a lo largo de todo el año, válido para localidades de la Península Ibérica y Baleares (para las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12 en sentido vertical ascendente). Dicha banda se encuentra dividida en porciones, delimitadas por las horas solares (negativas antes del mediodía solar y positivas después de éste) e identificadas por una letra y un número (A1, A2,... D14).

39 CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL VI.2.3 Selección de la tabla de referencia para los cálculos Cada una de las porciones de la figura 8 representa el recorrido del Sol en un cierto período de tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada contribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de estudio. Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta pérdida de irradiación, en particular aquélla que resulte interceptada por el obstáculo. Deberá escogerse como referencia para el cálculo la tabla más adecuada de entre las que se incluyen en este Anexo. VI.2.4 Cálculo final La comparación del perfil de obstáculos con el diagrama de trayectorias del Sol permite calcular las pérdidas por sombreado de la irradiación solar global que incide sobre la superficie, a lo largo de todo el año. Para ello se han de sumar las contribuciones de aquellas porciones que resulten total o parcialmente ocultas por el perfil de obstáculos representado. En el caso de ocultación parcial se utilizará el factor de llenado (fracción oculta respecto del total de la porción) más próximo a los valores: 0,25; 0,50; 0,75 ó 1.

40 C/ La Paz CÁLCULO DE SOMBRAS. EJEMPLO 1 C/ Mayor S 30º

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43 CTE HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA 2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA GENERALIDADES EXIGENCIAS CÁLCULO MANTENIMIENTO PERDIDAS LIMITE ADMISIBLES POR INTEGRACION EN EDIFICIO CASO ORIENTACION e INCLINACION SOMBRAS TOTAL GENERAL 10% 10% 15% SUPERPOSICION 20% 15% 30% INTEGRACION ARQUITECTONICA 40% 20% 50% En todos los casos se han de cumplir que las perdidas por orientación, inclinación, sombras y totales sean inferiores a los limites estipulados respecto a los valores óptimos sin sombra.

44 CTE HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA 2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA GENERALIDADES GENERAL EXIGENCIAS CÁLCULO MANTENIMIENTO

45 CTE HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA 2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA GENERALIDADES SUPERPOSICION: cuando los captadores se colocan paralelos a la envolvente del edificio. EXIGENCIAS CÁLCULO MANTENIMIENTO No se consideran los módulos horizontales, con el fín de favorecer su autolimpieza

46 CTE HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA 2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA GENERALIDADES EXIGENCIAS INTEGRACIÓN ARQUITÉCTONICA: cuando los captadores cumplen una doble función, energética y arquitectónica (revestimiento, cerramiento o sombreado) y, además, sustituyen a elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica. CÁLCULO MANTENIMIENTO

47 2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE I n I u cosi

48 2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE I D_ n I D_ h cos( ) I Dif I _ n Dif _ h (1 cos( ))/ 2

49 CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN El objeto de este Anexo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los captadores de acuerdo a las pérdidas máximas permisibles. Las pérdidas por este concepto se calcularán en función de: Ángulo de inclinación, b, definido como el ángulo que forma la superficie de los captadores con el plano horizontal (figura 4). Su valor es 0 para captadores horizontales y 90 para verticales. Ángulo de azimut,, definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del captador y el meridiano del lugar Valores típicos son 0 para captadores orientados al Sur, 90 para captadores orientados al Este y +90 para captadores orientados al Oeste.

50 CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN Procedimiento Habiendo determinado el ángulo de azimut del captador, se calcularán los límites de inclinación aceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecida. Para ello se utilizará la figura 6, válida para una la latitud ( N) de 41, de la siguiente forma: 1) Conocido el azimut, determinamos en la figura 6 los límites para la inclinación en el caso F = 41. Para el caso general, las pérdidas máximas por este concepto son del 10 %, para superposición, del 20 % y para integración arquitectónica, del 40 %. Los puntos de intersección del límite de pérdidas con la recta de azimut nos proporcionan los valores de inclinación máxima y mínima.

51 CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN Si no hay intersección entre ambas, las pérdidas son superiores a las permitidas y la instalación estará fuera de los límites. Si ambas curvas se intersectan, se obtienen los valores para latitud F = 41 y se corrigen de acuerdo con lo que se cita a continuación. Se corregirán los límites de inclinación aceptables en función de la diferencia entre la latitud del lugar en cuestión y la de 41, de acuerdo a las siguientes fórmulas: Inclinación máxima = inclinación ( N = 41 ) (41 latitud); Inclinación mínima = inclinación ( N = 41 ) (41 latitud); siendo 5 su valor mínimo. En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará la siguiente fórmula: Pérdidas (%) = 100 [1, ( b bopt)2 + 3, ] para 15 < b < 90 Pérdidas (%) = 100 [1, (b bopt)2] para b< 15

52 CTE HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN GENERALIDADES EXIGENCIAS CÁLCULO MANTENIMIENTO β óptimo =Latitud (Demanda constante anual) β óptimo =Latitud β óptimo =Latitud + 10º (Demanda preferente en invierno) - 10º (Demanda preferente en verano)

53 2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE MODELOS: Iqbal, Difusión Isótropica, Collares-Pereira,

54 CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN

55 CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN Ej.: Determinar el ángulo de inclinación máximo y mínimo en el que se puede instalar un captador en Alicante, si su azimut es -30º. Caso 1: General y Caso 2: Superposición arquitectónica. Ej.: Evaluar si las pérdidas por orientación e inclinación del captador están dentro de los límites permitidos para una inclinación de tejado de 15º hacia el oeste y con una inclinación de 40º respecto de la horizontal, para una localidad del archipiélago canario (lat: 29º)

56 DÓNDE HAGO EL CÁLCULO DE SOMBRAS?

57 CÓMO AFECTAN LAS PÉRDIDAS DE ORIENTACIÓN Y SOMBRAS AL CÁLCULO?

58 SOMBRAS : REDUCIR ENERGÍA DISPONIBLE! INCLINACIÓN : CONSIDERADAS EN E. DISPONIBLE ORIENTACIÓN: REDUCIR EN E. DISPONIBLE!

59 HABRÁ CAMBIADO EL Nº DE CAPTADORES NECESARIO?

60 MÉTODO ITERATIVO DE CÁLCULO CÁLCULO DE SUPERFÍCIE DISPOSICIÓN CAPTADORES CÁLCULO DE PÉRDIDAS

61 DISTANCIA MÍNIMA ENTRE FILAS DE CAPTADORES La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y un obstáculo, de altura h, que pueda producir sombras sobre la instalación deberá garantizar un mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno. Esta distancia d será superior al valor obtenido por la expresión: d = h / tan (61 latitud)=k x h