APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA COMO ALTERNATIVA PROMISORIA PARA GALÁPAGOS

TALLER DE ENERGÍA SOLAR INER 2013 ESPE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA (GTER-ESPE) APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA COMO ALTERNATIVA PROMISORIA PARA GALÁPAGOS AUTOR: JOSÉ GUASUMBA INVESTIGADOR ÁREA DE ENERGÍAS RENOVABLES PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013

CONTENIDO 1. Consideraciones generales de la energía solar 2. Técnicas de determinación del recurso solar 3. Aplicaciones de baja temperatura 4. Aplicaciones de media y alta temperatura 5. Conclusiones

1. CONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGÍA SOLAR - RENOVABLE (Edad: 5000 Maños, Pérdidas de 4,3 Tn/s, 6000 Maños reducción de un 10% su masa) - SOSTENIBLE - DISPERSA --- SOLIDARIA -ALEATORIA - DENSIDAD ENERGETICA (15 1017 kwh/año) Potencia: 0-1000 W/m 2 ; - Energía diaria: 4-6 kwh/m 2 día - DIURNA - CONSIDERACION SOCIAL - ESTRUCTURA DE COSTES - TECNOLOGIAS SOLARES

COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR

ZONAS CLIMATICAS Zona climática MJ/m2 kwh/m2 I H < 13,7 H < 3,8 II 13,7 < H < 15,1 3,8 < H < 4,2 III 15,1 < H < 16,6 4,2 < H < 4,6 IV 16,6 < H 18,0 4,6 < H < 5,0 V H > 18,0 H > 5

2. TÉCNICAS DE DETERMINACION DEL RECURSO SOLAR LOCAL -Instrumentos de medición -Datos de satélite -Anuarios meteorológicos -Software -Modelos matemáticos -Mapas

ESPE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN: HELIÓGRAFO El HELIÓGRAFO 240-1070-L Campbell- Stokes: Utiliza una esfera de cuarzo que concentra la radiación solar directa en un punto, que se desplaza a lo largo de un cartón, quemando su superficie, este instrumento permite determinar las horas de sol pico (HSP) o la insolación diaria.

ESPE PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN DIFUSA Exactitud: 2% Rotación del aro de ajuste de latitud: 0-60 Declinación: ±25 Ancho de la banda cobertor: 76mm Diámetro del aro cobertor: 635 mm Montaje: sobre plataforma Niveles de ajuste: 3 Tamaño: 26 x29 x23 Peso: 86 lbs

ESPE CALIBRACION DEL PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN DIFUSA

ESPE COMPONENTES DEL MEDIDOR DE RADIACIÓN DIFUSA Mirilla de calibracion Escala relativa Ajuste de latitud

ESPE NIVELACIÓN DEL PIRANÓMETRO Nivelación de plataforma Puerto de datos a la PC Perillas de nivelación

ESPE PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN DIRECTA

ESPE PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN DIRECTA: CARACTERÍSTICAS Movimiento de seguimiento solar en un solo eje. Permite la calibración del ángulo solar (más/menos 25 ) Calibración de Latitud de 0 a 90 Nivel de burbuja de agua para ubicación horizontal del equipo. Motor que gira 15 grados cada hora. Los datos se descargan directamente en la computadora. Voltaje 8.13x10-6 V/Wm -2 Voltaje de Operación 120V, 60 Hz

ESPE PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN GLOBAL Rango espectral: (50% puntos) 310 a 2800 nm Sensibilidad (micro V/W/m 2 ): 5 15 Tiempo de respuesta (95%) < 18 s No linealidad (0 100 W/m 2 ): 2.5% Máxima irradiancia: 2000 W/m 2 Rango: 180 grados

ESPE TÉCNICAS ALTERNATIVAS DE DETERMINACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR LOCAL Datos de satélite: NASA, 3TIER Software: Isocad, (Marina Rosales-Isofotón) Anuarios meteorológicos Mapas del INAMHI Interpretación del entorno, micro climas Método de Page Transformación de datos de radiación solar sobre superficie horizontal para superficie inclinada: ISF, JUTGLAR, DUFFIE - BECKMAN

3. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA -Agua caliente sanitaria ACS para viviendas - Climatización de piscinas - Calefacción - Secado de frutas y granos - Desalinizadores de agua de mar - Climatización de biorreactores

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS COLECTORES PLANOS Una instalación solar térmica esta constituida por un conjunto de componentes encargados de realizar las funciones de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica cediéndola a un fluido de trabajo(agua, aceite térmico) Por último hay que almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo de los captadores, o bien transferirla a otro, para poder utilizarla después en los puntos de consumo.

SISTEMA AUXILIAR Dicho sistema se complementa con una producción de energía térmica por sistema convencional auxiliar que puede o no estar integrada dentro de la misma instalación. Este sistema convencional de producción de energía puede ser un termo eléctrico, un generador alimentado por fuel oil.

INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA VIVIENDA Los colectores transforman la energía solar en calor que se puede utilizar para disponer de agua caliente sanitaria en una vivienda

INSTALACIÓN SOLAR COMPACTA Instalación solar compacta para producción de agua caliente sanitaria. Por cortesía de Wagner- Solar.

COMPONENTES DEL COLECTOR PLANO -Acumulador -Colector -Tubería de agua fría -Tubería de agua caliente Aplicación: ACS para 3 personas

Paneles solares térmicos Se suelen emplear estos paneles planos en la aplicaciones normales en edificios y viviendas (calefacción, duchas, lavabos, cocinas, agua caliente para piscinas), donde la temperatura no es necesario que sea superior a 70-100 C. Pueden utilizarse también en aplicaciones con concentración solar donde se alcanzan temperaturas mucho mas altas. Pero lo normal es lo que indicamos en el primer párrafo. La industria fabricante de este tipo de paneles esta muy desarrollada, por lo que los paneles ofrecen una larga duración (mas de 25 años) y un alto rendimiento térmico (70 al 90 %).

COLECTOR DE TUBOS AL VACÍO Principio de funcionamiento de un colector térmico de tubos. Fuente: Energy Group.

CRITERIOS DEL CONSUMO DE ACS Criterio de la demanda Litros de ACS/ día a 60 C Viviendas unifamiliares 30 por persona Viviendas multifamiliares 22 por persona Hospitales y clínicas 55 por cama Hoteles de 4 estrellas 70 por cama Hoteles de 3 estrellas 55 por cama Hotel/Hostal (2 estrellas) 40 por cama Camping 40 por emplazamiento Hostal/Pensión (1 estrellas) 35 por cama Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 55 por cama Vestuario/Duchas colectivas 15 por servicio Escuelas 3 por alumno Cuarteles 20 por persona Fabricas y talleres 15 persona Administrativos 3 por persona Gimnasios 20 a 25 por usuario Lavanderías 3 a 5 por kilo de ropa Restaurantes 5 a 10 por comida Cafeterías 1 por almuerzo. (JOSE GUASUMBA,2012)

APLICACIONES MÚLTIPLES DE LA ENERGÍA SOLAR Instalación con paneles solares termodinámicos para la producción de agua caliente sanitaria y calefacción. Fuente: Solar PST.

SISTEMA DE ACS DE PRODUCCION NACIONAL Volumen de acumulación: 240 litros Potencia: 2000 Wt Inclinación de la instalación: 25 ACS para 6 personas Rendimiento: 50-60% Temperatura agua: 55-65 C Fuente: ESPE, (Guasumba, 2011)

SISTEMA DE ACS PARA PRODUCCIÓN EFICIENTE DE BIOGÁS Volumen de sustrato: 700 litros Volumen de ACS: 300 litros Inclinación de la instalación: 20 Numero de colectores: 6 Presión biogás:80psi Temperatura sustrato: 26 C Rango mesofílico Temperatura del agua: 32-40 C Año de fabricación: 2003 Fuente: CICTE, (Guasumba,2003)

BOTELLA PLÁSTICA COMO CAPTADOR DE RADIACIÓN SOLAR -Potencia útil: 12 Wt -Área: 0.02 m² la de 1.35 litros - Vida útil: 25 años sometidas a tensiones térmicas que le producen fragilidad -Período de descomposición del PET: 100-1000 años en condiciones ambientales moderadas

CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO Calentador solar ecológico Volumen: 135 litros Temperatura: 55 C Suministro de ACS: 3 personas Aislamiento: Pasto seco CHF 12% Bombeo de agua: ESFV Amperaje: 2.5 A Voltaje: 12 V Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO EN ESPIRAL SOBRE PARABOLOIDE Calentador solar ecológico Volumen: 500 litros Temperatura: 55 C Suministro de ACS: 30-50 Personas Aislante: Pasto seco Bombeo: ESFV Amperaje: 2.5 A Voltaje: 12 V Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

DESALINIZADOR DE AGUA DE MAR Datos técnicos: Producción: 4 Litros por día Área: 1 m2 Temperatura: 45 C Cubierta: Vidrio templado 4 mm Recipiente: Acero AISI 304 Fuente: ESPE, (Guasumba,2007)

5. APICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR TERMICA DE MEDIA Y ALTA TEMPERATURA 1. Espejos parabólicos 2. Lentes de Fresnel 3. Helióstatos 4. Lentes compuestas

ESTADO DEL ARTE: CONCENTRADORES CP Tecnología de máximo rendimiento Próxima comercialización Aumento de fiabilidad Reducción de costes 3 fabricantes / sistemas Tessera Suncatcher (SES) 25 kw Cleanergy / SBP Eurodish 10 kw Infinia Corp 3 kw

CONCENTRADORES PARABOLICOS TIPO ESPEJOS

CCP CON FACETAS DE VIDRIO Espejos curvos Alineables individualmente Estructura con forma parabólica

El Ciclo Stirling MOTOR STIRLING

Balance energético del sistema Eurodish

TORRE DE POTENCIA Y HELIÓSTATOS

BALANCE DE RENDIMIENTOS TIPICOS EN UNA PLANTA DE RECEPTOR CENTRAL POTENCIA QUE ENTRA AL SISTEMA IRRADIANCIA x SUPERFICIE CAPTADORA SISTEMA SOLAR DE ALTA TEMPERATURA 0.50 0,60 PERDIDAS Factor Coseno ( 20%) Reflectividad Heliostatos ( 10%) Sombras ( 1%) Bloqueos ( 1%) Transmisividad Atmosférica ( 5%) Desbordamiento de Flujo ( 3%) Pérdidas en el Receptor ( 10%) POTENCIA TERMICA NETA ( 50% 60%) SISTEMA DE CONVERSIÓN DE POTENCIA 0.35 POTENCIA ELÉCTRICA NETA ( 15 20 % POTENCIA QUE ENTRA AL SISTEMA ) Autoconsumos ( 10% )

TECNOLOGIA NACIONAL: COCINA SOLAR CON CCP

TECNOLOGIA NACIONAL: COCINA SOLAR PORTATIL -Potencia: 200 Wt -Temperatura de cocción: 100 C -Temperatura sin carga: 250 C -Tiempo de cocción: 10-45 minutos -Peso : 12 Kg -Volumen de cocción: 2.5 Litros -Vida útil: 20 años -Tiempo de fabricación: 20 minutos - Año producción: 2002 -Giro manual, 15 por hora -Región de pruebas: Ecuador -Emisiones: 0 gases contaminantes

ESPEJO PARABÓLICO Y MOTOR STIRLING

CONCENTRADOR DE RADIACION SOLAR CON LENTE DE AGUA-ECUADOR APLICACIONES: -Eliminación de residuos, con baja emisión de contaminantes -Esterilizar implementos quirúrgicos -Tratamiento térmico de elementos metálicos para reducir corrosión -Vaporización del agua -Desinfección de agua -Cocción de alimentos -Generación de electricidad por accionamiento de motor STIRLING

MODELO MATEMATICO DE LA LENTE DE AGUA 2 2 O H a c n n n 4 a t s a L a b c f f Fk R H T Índice de Refracción: Temperatura focal:

FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACION SOLAR Datos técnicos: Lente de agua y acrílico Diámetro: 1m Temperatura máxima: 650 C Irradiancia directa:1250 W/m² Distancia focal: 2.5 m Fuente: ESPE, (Guasumba,2010)

FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACIÓN SOLAR Datos técnicos: Lente de agua y acrílico Diámetro: 0.7 m Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

ENSAYOS DE COCCION DE ALIMENTOS

5. CONCLUSIONES 1. Los combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural, son deficitarios y contaminantes 2. Impacto ambiental, lluvia ácida, exterminio de especies sensibles por aumento de temperatura media global 3. La única energía que tenemos disponible es la energía solar( Asiain J., Sevilla-2003) 4. En Galápagos se deben aplicar las siguientes tecnologías alternativas: ESFV para electrificación, CSP para calentamiento de agua, desalinización del agua de mar, calefacción de biorreactores para procesamiento de desechos orgánicos y aguas servidas, eólica offshore 5. En el mediano y largo plazo: uso de energías renovables del mar: Corrientes, olas, energía potencial oceánica.

TALLER DE ENERGÍA SOLAR INER 2013 ESPE GRACIAS POR SU ATENCIÓN José Guasumba Investigador-Ecuador sjguasumba@espe.edu.ec (593) 999 832 736 PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013