ENERGIA SOLAR USO EN INDUSTRIAS DE PROCESOS DOCENTE ING. QUIM. DARIO HUELMO MATERIAL BASADO EN TRABAJO DEL ING (ACAD.) RAUL PRANDO
GENERALIDADES. La Energía Solar, opción tecnológica madura, es una posible fuente alternativa complementaria de energía térmica no convencional. En muchos casos, los costos de inversión inicial, requeridos para su instalación, constituyen una barrera para su adopción y difusión. Para superarla, se emplean mecanismos para promover su empleo sistemático para ampliar la matriz energética, reducir el consumo de combustibles fósiles convencionales y minimizar las correspondientes emisiones de CO2e resultantes de su uso. En nuestro país, estos mecanismos se están implementando y, simultáneamente, se verifica interés en emplear esta fuente de energía renovable, a nivel residencial e industrial.
LA ENERGÍA SOLAR Y EL PLANETA TIERRA. Energía generada en el Sol y recibida en la Tierra bajo forma de radiación directa y la difusa (ésta, debida a la incidencia de nubes y de material particulado, PM, presentes en la atmósfera; representa un 20% del total y más en climas húmedos). Es la fuente energética de nuestro Planeta Tierra, inagotable e intermitente. El sol está disponible sólo algunas horas durante el día y, frecuentemente, suele estar más o menos oculto por las nubes. Es imposible prever exactamente la energía solar incidente en una superficie terrestre dada durante un intervalo de tiempo determinado; sólo pueden estimarse valores medios meteorológicos. Es Ambientalmente aceptable, sin los problemas de contaminación producida en los procesos de combustión, (generación de gases de GEI), y sin los peligros de la fisión nuclear (radiación radioactiva y sus desechos). Para aprovecharla, debe captarse y hacer que la radiación solar incidente realice un trabajo útil antes de que vuelva al espacio como radiación infrarroja.
ENERGÍA SOLAR: CARACTERÍSTICAS..GRATUITA. LIMPIA. RENOVABLE. RECURSO AUTÓCTONO. DISPONIBLE EN TODO EL PAÍS. ABUNDANTE. COMPLEMENTARIA DE LAS ENERGÍAS TÉRMICA Y ELÉCTRICA.
IRRADIACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN EL MUNDO. Valores de Irradiación Total diaria en Plano Horizontal (en kwh/m2.día, promedio anual):. Alemania. Freiburgo 3.7 ; Hamburgo 2.7 Argentina. Jujuy 5.9 ; Mendoza 5.1. Brasil. Salvador 5.3 ; Belo Horizonte 4.3 España Sevilla 5.0; Madrid 4.4 ; Oviedo 3.4. Israel Tel Aviv 5.7 Fuente. Retscreen
ENERGÍA SOLAR EN URUGUAY: DISPONIBILIDAD. En el mediodía solar, día despejado, se dispone de una potencia solar, a nivel de la superficie del planeta, de 1 kw/m², valor que debe ser afectado por la eficiencia del equipo de captación que se utilice (40% - 80% rdto. fototérmico y 10% - 20% rdto. fotovoltaico). Integrando la potencia solar incidente en el tiempo, en función de las horas de insolación, se obtiene, en Uruguay, una energía media anual del orden de 4.6 kwh/m².día, con un rango comprendido entre un mínimo de 1.9 kwh/m².día en el mes de junio y un máximo de 7.2 kwh/m².día en el mes de enero. En promedio, se dispone, por lo tanto de unos 1680 kwh/m².año.
LA ENERGÍA SOLAR EN URUGUAY. Irradiación Total Horizontal Diaria (Promedio Anual): Entre 4.0 y 4.7 kwh/m2.día Fuente: Mapa Solar del Uruguay, Versión 1- Abril 2010. http: //www.fing.edu.uy/if/solar/index.html.
8 ALGUNOS Los primeros se refieren al empleoantecedentes de Energía Solar Térmica.LOCALES DE ESTUDIO Y APLICACIÓN Facultad de Arquitectura, UdelaR. Prof. Arq. Roberto Rivero (1965-1974). Afirmaba es preferible abordar la aplicación de la energía solar aun en forma aproximada antes de prescindir de considerarla. Facultad de Ingeniería, UdelaR; Institutos Física e Ing. Qca. Prof. Ing. J.L Duomarco: Iniciador del Lab. de E. Solar y desarrollador de estudios locales sobre radiación solar directa y difusa. Profs Ings. H. Ibarlucea y J. Sendín: Energía Solar, Revista de Ing. 03-06/78 y 06/79 y trabajos de aplicación. Proyecto Industrial (Q80/Q57): Temas curriculares de aplicación de la E. Solar Térmica en la Ind. de Procesos.
9 ALGUNOS ANTECEDENTES LOCALES DE ESTUDIOS Y APLICACIONES (CONT.): Mesa Solar. Espacio multisectorial que promueve la energía solar térmica en el Uruguay. Constituida en el año 2008. Procura viabilizar su empleo impulsando su desarrollo y coordinando acciones entre actores vinculados a esta temática. Secretaría Ejecutiva: Ceuta (www.ceuta.org.uy) Colector Solar Térmico Plano de Flujo Laminar, 0.80 m², Cesmart 2. Invento patentado del Ing. César Martínez Yaquelo. Obtuvo el premio Génesis, MIEM, Uruguay.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MARCO LEGAL PROMOCIONAL. Ley No. 18585/009, del 18/09/09 sobre Energía Solar Térmica. Declara de interés nacional la investigación, el desarrollo, la formación de capacidades y el uso de la energía solar térmica. Extiende las exoneraciones previstas en la Ley 16.906/998 (Promoción Industrial) y decretos posteriores a aplicaciones de energía solar térmica residencial, clubes deportivos y organizaciones sociales. Tiene en cuenta que en nuestro país, alrededor del 35% de la facturación mensual de energía eléctrica residencial se debe a la generación de agua caliente.
E. SOLAR TÉRMICA: MARCO LEGAL PROMOCIONAL Define un cronograma progresivo sobre aprobación de permisos de construcción de estos tipos de obras (inicial:. consumo de agua caliente >20% del consumo energético total requiere inclusión de instalaciones para incorporar EST; a los 2 años de promulgada, debe incluirse equipamiento para cubrir 50% de la demanda de agua caliente). Menciona, como exigencia posible, la realización de una evaluación técnica de viabilidad de uso de energía solar para precalentar agua, por parte de emprendedores de establecimientos industriales y agroindustriales nuevos. También indica la obligatoriedad, a los 5 años de su vigencia, de emplear energía solar térmica para instalaciones nuevas del sector público (consumo de más de un 20% como energía térmica a ser cubierto al menos en un 50% mediante energía solar).
12 REGLAMENTACION LEY SOLAR TÉRMICA: Dto. PE No. 451/011, 19/12/2011 Y OTROS. Establece el marco jurídico atinente al equipamiento solar térmico, EST, normas y exoneraciones impositivas para promover su empleo. Crea varios registros (productores, importadores y Responsables Técnicos de Instalaciones de EST). Establece, en general, la aplicación de normas UNIT. Encomienda a la DNE, MIEM la exigibilidad de ensayos a los equipos. y los criterios de dimensionamiento de instalaciones. Encomienda a URSEA el contralor de las instalaciones y la definición de los laboratorios para ensayo de los equipos. Dto. PE No. 002/012. Empresas que inviertan en equipamiento de EST, pueden exonerar un % a descontar del IRAE en 5 años. Dto. PE No. 050/012. Encomienda coordinación del Plan Solar a MIEM.
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. MARCO LEGAL PROMOCIONAL. Dto. PE No. 133/013. Procura promover el desarrollo de la energía solar fotovoltaica por. ser una energía renovable con buenas perspectivas para generar energía eléctrica. Promueve la celebración de contratos de compraventa de EE entre UTE y generadores en el país con potencias instaladas entre 500 kw y 50 MW. Establece tres franjas de centrales fotovoltaicas: I (500 kw y 1 MW), II (1 MW y 5 MW) y III (5 MW y 50 MW). UTE comprará la energía en el nodo respectivo al precio y plazo establecidos por contrato y el generador se hace cargo de los costos de conexión y eventuales ampliaciones del SIN. Componentes nuevos, sin uso y cumplir con normas IEC aplicables.
NORMAS UNIT APLICABLES: SISTEMAS SOLARES TERMICOS. UNIT 705:2009. Sistemas Solares Térmicos y Componentes. Sustituye UNIT 705:1884. UNIT 1184:2010. Sistemas Solares Térmicos y Componentes de Sistemas Prefabricados. Métodos de Ensayo. UNIT 1185:2009. Sistemas Solares Térmicos y Componentes. Sistemas prefabricados. Requisitos. UNIT 1195: 2012. Sistemas Solares Térmicos y Componentes, Instalaciones a Medida. Requisitos. UNIT 1196:2012. Sistemas Solares Térmicos y Componentes. Instalaciones a Medida. Requisitos. De
NORMAS UNIT APLICABLES: SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS, Cont. UNIT-ISO 9459-2:1995. Calentamiento Solar. Sistema de Calentamiento de Agua Sanitaria. Parte 2. Métodos de ensayo exteriores para caracterizar y predecir el rdto. anual. Adopción Oct 2009. UNIT-ISO 9459-5:2007. Calentamiento Solar. Sistemas de Calentamiento de Agua Sanitaria, Parte 5. Caracterización del Sistema mediante Ensayos y Simulación por computadora del Sistema Completo. UNIT-ISO 9488:1999 Energía Solar. Vocabulario.(Adopción UNIT Feb.2009).
NORMAS UNIT APLICABLES: COLECTORES SOLARES TÉRMICOS,Cont. UNIT-ISO 9806-1:1994 Métodos de Ensayo para Colectores. Solares Térmicos. Parte 1. Desempeño térmico de colectores con vidrio de calentamiento líquido considerando caída de presión. (Adopción UNIT Oct.2008). UNIT-ISO 9806-2:1995 Parte 2. Procedimientos de Ensayo de Calificación. (Adopción UNIT Nov. 2008). UNIT-ISO 9806-3:1995. Parte 3- Desempeño térmico de colectores sin vidrio de calentamiento líquido considerando caída de presión. (Adopción UNIT Dic 2008). ABNT NBR 15569:2008 Sistema de Aquecimento Solar de Agua en Circuito Direto-Projeto e instalaçao.
NORMAS IEC Y DIN APLICABLES, COLECTORES SOLARES FOTOVOLTAICOS. IEC 61194. Characteristic Parameters of Stand-alone PV Systems. IEC 61215. Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic Modules PV. systems.design qualification and Approval. IEC 61646. Thin Film Terrestrial Photovoltaic Modules PV. Design Qualificaction and Approval. IEC 61836. Solar Photovoltaic PV Energy Systems. Terms and Symbols. IEC 62093. Balance of System Components for Photovoltaic PV Systems. IEC 62257. Recommendations for Small Renewable Energy and Hybrid Systems for Small Electrification, en particular: Part 1: General Introduction to Rural Electrification. Part 2: From Requirements to a Range of Electrification Systems Part 3. Project Devepment and Management.. DIN EN 50380 Hojas de datos y placa de identificación.
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN URUGUAY. Año 2009: 7000 m² de colectores solares térmicos <> 2 m²/1000 hab, instalados en diferentes establecimientos y residencias, verificándose, a partir de ese año un aumento anual sostenido en su colocación. Año 2011: 20000 m2 (6 m2/100 hab) Año 2012: 28600 m2 (8.5 m2/1000 hab). (BEN 2012) Año 2013; 36338 m2 (10.8 m2/1000 hab). (BE Preliminar 2013) Tener presente que en 2008 sólo había 0.2 m2/1000 hab De todos modos siguen siendo valores bajos si se comparan con los registrados en otros países, a saber: Alemania: 484 m²/1000 hab. Brasil: 89 m²/1000 Hab. Canadá: 17 m²/ 1000 Hab. España: 118 m²/1000 hab.
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN URUGUAY. Plan 1000 Equipos (50Wp), Conv. Banco Mundial, 2004; 613 instalados en escuelas, destacamentos policiales y pequeños poblados. Abastecimiento de agua en el Medio Rural Disperso, OSE El primer cliente residencial que se acogió en nuestro país (12/2010) al mecanismo de Microgeneración de UTE disponía de paneles fotovoltaicos (2 MWh.año de generación estimada). BEN 2012: 6300 m2 <> 1.0 ktep/año <> 0.1 ktep/año de energía eléctrica. BEN preliminar 2013: 16.100 m2 <>2.5 ktep/año <> 0.4 ktep/año de energía eléctrica. Proyecto ASAHI, donación de Japón (Cool Earth) inaugurado el 15/03/2013 y operando en Salto en predio público cercano a la represa. Potencia 480kWp; costo unitario U$S 8505/kWh
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA: ABASTECIMIENTO DE AGUA EN EL MEDIO RURAL DISPERSO..
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA: ABASTECIMIENTO DE AGUA EN EL MEDIO RURAL DISPERSO, Cont. Diseño de la instalación (valores medios): Q= 1m3/h; Altura bombeo y pérdida de cargas H= 50 m; Potencia 300 Wp
PLANTA ASAHI, DONACIÓN JAPÓN, SALTO: Panel 19-04-13, 18 h..
EVOLUCIÓN MUNDIAL POTENCIA FOTOVOLTAICA INSTALADA. Real/estimada 2000/2016.
EL SOL. Estrella formada por H2 con una cierta proporción de He. Genera energía mediante una reacción de Fusión Nuclear núcleos de H dan lugar a un núcleo de He). Tiene Su (4 un radio de 695.000 km y una densidad media de 1.41kg/m³. temperatura aparente es la de un cuerpo negro a 5.762º K. Parte de la radiación emitida por éste, llega a la Tierra a través del espacio, bajo forma de ondas electromagnéticas constituyendo la fuente energética del Planeta.
LA TIERRA. Planeta en el que vivimos. Gira alrededor del Sol (Traslación), mediante una trayectoria elíptica de pequeña excentricidad, el plano que la contiene se denomina eclíptica. Rota sobre sí misma (Rotación), alrededor de un eje imaginario que pasa por sus polos y forma un ángulo variable con la normal al plano de la eclíptica. Oscila, anual y ligeramente (Nutación) alrededor de su eje de rotación, con respecto al valor medio. Recibe la energía radiante emitida por el Sol reteniendo parte de ella. El resto, se disipa al espacio exterior.
ROTACIÓN Y TRASLACIÓN DE LA TIERRA..
Longitud geográfica: Ángulo Ecuador, teniendo su origen en el meridiano de Greenwich (referencia9 y la extremidad en el meridiano local. Latitud: Ángulo formado entre el COORDENADAS GEOGRÁFICAS. medido a lo largo del paralelo del lugar terrestre considerado y el Ecuador. Por convención, es >0º en el hemisferio N y < 0º en el S. Norte Geográfico, N: Dirección que indicaría una brújula si la distribución de masa del planeta fuera simétrica. Indica la dirección desde el punto de observación al extremo superior geométrico del Planeta. Norte Magnético: Dirección indicada por la parte magnetizada de una brújula debida a la atracción causada por el polo magnético.
DECLINACIÓN SOLAR. Declinación, d: Ángulo que forma la línea recta que une la Tierra con el Sol y el plano del Ecuador (eclíptica). Es > 0º hacia el N y < 0º hacia el S, máximo (+/- 23º27) en los solsticios (invierno y verano) y, mínimo (0º.), en los equinoccios (otoño y primavera) Declinación, d: Ángulo que forma la línea recta que une la Tierra con el Sol y el plano del Ecuador (eclíptica). Es > 0º hacia el N y < 0º hacia el S, máximo (+/- 23º27) en los solsticios (invierno y verano) y, mínimo (0º.), en los equinoccios (otoño y primavera)
DEFINICIONES. Cielo Claro: Cielo sin nubes, cuyo contenido de gases y de polvo es el valor promedio habitual que corresponde al lugar geográfico considerado. Cielo Medio: Cielo con la nubosidad media que corresponde al lugar considerado. Nubosidad: Cantidad y calidad de nubes presentes en la bóveda celeste. Se expresa en décimas de la superficie del cielo cubierta por nubes, determinada mediante observación visual de personas experimentadas. Valores habituales en Uruguay: 4.4 décimas en febrero y 6.6 décimas en junio. Aporte Solar: Energía suministrada por la parte solar de una instalación térmica o fotovoltaica..
ALBEDO Y RADIACIÓN SOLAR: Albedo: Radiación solar incidente que llega a una superficie después de haberse reflejado en las superficies del entorno.
ÁNGULO HORARIO SOLAR: Ángulo Horario Solar, w: formado por la proyección del Sol sobre el plano ecuatorial en un momento dado y la proyección del Sol sobre el mismo plano en el mediodía solar. Su valor cambia según la hora del día (negativo de mañana, nulo al mediodía y positivo de tarde). w, en grados = 15 (Hr 12) donde Hr es la hora solar en horas. Para todas las latitudes, el Sol se desplaza de E a W y barre cada hora 15º <> 360º/24h (número de husos horarios siguiendo los meridianos) La G solar terrestre en cada lugar es máxima al mediodía.
ALTURA SOLAR: Altura Solar (Angulo de elevación solar), h: ángulo complementario del ángulo cenital solar, h = 90º - Theta). Ángulo Cenital Solar, Theta: Ángulo que forma la recta que une la tierra con el Sol y la vertical.
LA RADIACIÓN SOLAR. La energía radiante emitida por el Sol y recibida en una superficie normal a aquélla, ubicada en la distancia media Sol-Tierra (149.5 x 10 E6 km), fuera de ésta y en el borde de su atmósfera, es constante. Se denomina Constante Solar, SC, y su valor medido experimentalmente es de 1367 +/- 7 W/m² <> 4371 kj/m².h <> 1164 kcal/m².h <> 1.94 cal/min.cm². El espectro de la radiación solar extraterrestre corresponde a la del cuerpo negro ideal a 5.762º K. La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra es menor a la SC, su magnitud depende de su recorrido en la atmósfera (estación del año, altitud y latitud) y de sus características (nubosidad, humedad, nieblas,contaminación, etc.) Para un lugar dado, la radiación incidente es máxima cuando el Sol está en su plenitud (mediodía solar).
ESPECTROS DE LA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE..
RADIACIÓN SOLAR: INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN. Radiación:Energía emitida o transmitida bajo forma de ondas electromagnéticas o partículas. Radiación Hemisférica o Global: suma de las radiaciones solares directa y difusa. Radiación Difusa: Aquella parte de la radiación solar incidente dispersada en la atmósfera y reflejada por el suelo. Radiación Directa: Radiación solar que incide sobre una superficie sin cambiar de dirección. Suele medirse bajo incidencia normal.
RADIACIÓN SOLAR GLOBAL: DEFINICIÓN Y CONVENCIÓN SOBRE SÍMBOLOS. A partir de 1991, se emplean las propuestas por Duffie y Beckmann, a saber: Irradiancia, G: Potencia radiante incidente por unidad de superficie sobre un plano dado. Se expresa en W/m2 o kw/m2. Es máxima en el Ecuador y disminuye hacia os polos. Irradiación: Energía radiante incidente por unidad de superficie sobre un plano y durante un intervalo de tiempo de exposición dado. Es la integral de G para el intervalo de tiempo que se considera. Se distinguen: I, Irradiación, base horaria H, Irradiación, base diaria Ħ, Irradiación, base mensual
VARIACIÓN ANUAL DE LA INCIDENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR SOBRE UN PLANO..
POTENCIAL SOLAR LOCAL. Serie Arq./Ing. Obtenida en la Estación Meteorológica ubicada en la Facultad de Arquitectura, UdelaR (Latitud S 34º 54 36 y Longitud W 56º 09 50 ). Se empleó un piranómetro Eppley. Participaron: Dpto. de Climatología del Instituto de Construcción de Edificios de esa Facultad y el Instituto de Física de la Facultad de Ingeniería, UdelaR. Abarca 5 años calendario y se extiende entre el 01/01/80 y el 31/12/84 inclusive con registro diario de radiación solar global en plano horizontal. Valor promedio diario: 14.98 MJ/m².día (4.16 kwh/m² día) equivalente a 5469.1 MJ/m².año (1519.3 kwh/m².año). Estación Climática MJ/m².estación Días/estación 1944.0 90 Otoño 864.1 92 9.39 Invierno 867.1 92 9.4 Primavera 1793.9 91 19.7 TOTAL 5469.1 365 Verano MJ/m².día 21.5 14.98
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL SOLAR LOCAL Nimbus AgroWeather: Empresa privada, localizada en Montevideo, Uruguay, con sede en Tomás Diago 659, Of. 701, CP 11300, MVD, Tel. 2711 6430. En su página web (www.agroweather.net) informa diariamente datos meteorológicos, incluyendo radiación solar global accidente en un plano horizontal (expresada en W/m²), registrados en su estación automática sita en Melilla (Lat. S 34º 8 y Long. W 56º 1, elevación 60 m con respecto al nivel del mar). También proporciona datos acumulados anuales de radiación solar, equipamiento y asistencia técnica en mediciones de distintos parámetros meteorológicos- NASA, Langley Research Center Atmosphere Science Data Center: La página web www.gaisma.com proporciona, entre otros, valores de radiación solar incidente (en kwh/m².día), temperatura ambiente (C º), horas de insolación, etc. correspondientes a todo el mundo.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL SOLAR LOCAL Cont.: Algunos valores meteorológicos tomados de la pág. web mencionada en la lámina anterior (Cla.= Claridad). Localidad Artigas Rad. Solar * Temp. Media C Cla. Prom. Anual 4.59 (6.54-2.45) 20.4 (25.5-14.4) 0.515 (0.47-0.55) Durazno 4.49 (6.70-2.22) 18.8 (25.4-11.6) 0.52 (0.47-0.56) Montevideo 4.31 (6.68-2.01) 17.3 (23.1-11.3) 0.505 (0.45-0.55) *kwh/m².día
MAPA SOLAR DEL URUGUAY Versión I, abril 2010. G. Abal, J. Cataldo, M. D Andel y A. Gutiérrez, Insts. de Física, IF y Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental IMFIA, Facultad de Ingeniería UdelaR. Indica la Irradiación Solar Media Global Diaria Estimada sobre Plano Horizontal, PH, para doce estaciones meteorológicas distribuidas en el país y todos los meses del año. Datos y Correlación empleados: Registros de Irradiación: Colonia (INIA, 8 años), Melilla (UTE, 4 años), Livramento (INMET, Brasil 7 años) y Salto Grande (Atlas de Energía Solar Argentino, 2007). Registros de Heliofanía: DNM, Uruguay, 12 estaciones, 9 años. Uso de la correlación Angstrom Prescott, modificada por Page: H/Ho = a + b (n/n) H irradiación media mensual (referida al PH) Ho irradiación extraterrestre media mensual (referida al PH) n horas de insolación diaria promedio mensual N horas insolación máxima diaria promedio mensual a y b constantes empíricas calculadas a partir de datos de irradiación
MAPA SOLAR: IRRADIACIÓN GLOBAL MEDIA DIARIA MENSUAL EN PH, kwh/m2d
COMPARACIÓN DE ESTIMATIVOS DE IRRADIACIÓN GLOBAL, msu y nasa. Ambos modelos, Mapa Solar de Uruguay y NASA, dan resultados compatibles dentro del margen de error de los estimativos (Valores de irradiación global diaria, media mensual kwh/m2). Mes MSU 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Año 6.7 5.8 4.7 3.6 2.7 2.1 2.5 3.2 4.1 5.1 6.3 6.6 4.4 NASA 6.8 5.8 4.9 3.6 2.9 2.3 2.6 3.4 4.4 5.3 6.4 6.9 4.6 Dif 0.3 0.2 0.1 0.0 0.2 0.0 0.2 0.2 0.1 0.2 0.3 0.2 0.1
RADIACIÓN SOLAR DIRECTA. Al presente, no se dispone de mediciones de la irradiación directa en nuestro país.. Puede estimarse por cálculo a partir de la radiación solar extraterrestre y de los datos de irradiación solar global media mensual disponibles restándole los valores estimados de irradiación difusa mediante la correlación de Erbs y colaboradores (1982). Para la mayoría de las aplicaciones con colectores concentradores basta con conocer el valor medio diario en base mensual de la radiación directa así estimado. Consultar: Solar Engineering of Thermal Processes, J.A Duffie & W.A. Beckman, Wiley Interscience, 1991.
ESTIMACIÓN RADIACIÓN SOLAR DIRECTA, VALOR MEDIO MENSUAL. Ruta de Cálculo a aplicar a la latitud que corresponda. Se define el día promedio mensual representativo a utilizar:. MesENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC Día 17 16 16 15 15 11 17 16 15 15 14 10 Se calcula el Día Juliano respectivo, la Declinación y el Ángulo Horario. Se toman datos tabulados de la Irradiación Extraterrestre Total prom. mensual. Se toman datos tabulados de la Irradiación Total prom. mensual en plano Horizontal (valores tomados de GAISMA o de Mapa Solar). Se calcula el Índice de Claridad promedio, Se calcula la Irradiación Difusa prom. Hd. Se calcula, por diferencia, la Irradiación Directa Hb = H - Hd
APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR. Mediante Colectores Solares, dispositivos transductores de energía. Se clasifican en: Térmicos: Absorben la radiación solar incidente (global o directa) y transmiten la energía térmica recibida a un fluido portador que circula por su interior. Se distinguen de baja, media y alta temperatura. Fotovoltaicos: Convierten la energía solar global en electricidad mediante la conversión fotoeléctrica empleando células fotovoltaicas. Éstas, utilizan láminas delgadas de un semiconductor (Sustancia con una resistividad comprendida entre 10E4 y 10E-3 ohmios.cm).
SEMICONDUCTORES. Intrínsecos: Sustancias en cuyos átomos, los electrones de valencia están poco ligados y uno de ellos puede ser liberado al incidir un fotón con energía superior al valor umbral.. Comprenden elementos como Silicio y Germanio, y ciertas sales ( fosfuro de galio, sulfuros de cadmio y de zinc. Al ser expuestos a la radiación solar, los fotones incidentes con energía suficiente son absorbidos y la transfieren a los electrones que pasan a la banda de conducción. Extrínsecos: Semiconductores intrínsecos impurificados (dopados) con pequeñas cantidades de ciertos elementos, que alteran la uniformidad de su malla cristalina en los puntos en que los átomos del semiconductor son sustituidos por átomos de la impureza agregada. Se distinguen dos tipos de semiconductores extrínsecos: Tipo n. La impureza añadida tiene 5 electrones de valencia (ej. Si dopado con Sb o P). Este 5to electrón queda libre fácilmente con poca energía aportada. Tipo p. Son los semiconductores dopados con elementos que sólo tienen 3 electrones de valencia (Ej. Si dopado con B, Ga, In).
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. Convierte directamente la energía solar radiante en electricidad mediante la conversión fotoeléctrica empleando las llamadas células fotovoltaicas.. Éstas, utilizan láminas delgadas de un material semiconductor intrínseco impurificado con compuestos químicos diferentes en sus dos caras con lo que se obtiene una unión p-n que puede conectarse a un circuito exterior soldando mallas metálicas (una en la cara n y, otra, en la p). Mediante esta unión p-n se establece una diferencia de potencial que, al recibir la radiación solar incidente, libera electrones que, cuando se cierra el circuito exterior, generan una corriente eléctrica, I, en amperios.
TECNOLOGÍAS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS, PV. Se han desarrollado diversas tecnologías. Utilizan una oblea de Si cristalino, capas finas de disulfuro/diseleniuro de Cu, In, Ga, teluriuro de Cd, Si en capa fina (amorfo y microcristalino) y células solares sensibilizadas mediante tinturas (Dye sensitized Solar Cells, desarrolladas por M. Grätzel, Suiza). US EIA (Energy Information Administration) clasifica las celdas y módulos PV comerciales en tres grandes categorías basadas en el tipo de producto que se indican a continuación. Obleas de Si cristalino. Comprende dos subtipos: monocristalino y policristalino. Tecnología probada (40 años, Japón), resistente a fracturas. Eficiencias: 13-16% Capa fina. Elaboradas con capas finas de un semiconductor, tales como Silicio amorfo (Si-a), Eficiencia 8-10% Telururo de cadmio (CdTe), reciclado de Cd, Eficiencia 12.5%, selenuro de cobre, galio, indio (CIGS), Eficiencia 13-14%. Menor experiencia que anteriores (10 años), peligro de fracturas pero con menores pérdidas a temperaturas elevadas. La producción mayoritaria corresponde a los tipos PV basados en Si, tanto amorfo como cristalinos. Siguen mejorando los rendimientos de conversión de energía, reduciéndose los costos y garantizando una vida útil de éstos entre 20 y 30 años.
ESQUEMA DE UNA CELDA PV. Juntando un semiconductor n con uno p, se tiene una unión p-n y, en esta estructura, los electrones migran hacia p y los huecos migran en sentido contrario.. El conjunto es neutro pero aparece una diferencia de potencial: la zona p tiene un potencial negativo y la n uno positivo. El voltaje generado en una celda de este tipo es del orden de 0.45V, por lo que deben conectarse en serie (paneles) para obtener tensiones de aplicación (12 V). Los paneles generan CC a una tensión de 12V o un múltiplo entero por lo que se requiere de un equipo que transforme la CC en CA (Inversor). La potencia de salida, depende del nivel de la radiación solar incidente. La energía de los fotones depende de su frecuencia requiriéndose, 1.5 ev para que, un electrón, situado en la banda de valencia de un semiconductor de Si, pase a la de conducción. Los fotones incidentes deben tener una longitud de onda menor a 1.23 mu para el Si, por lo que las células solares con este elemento son capaces de captar cualquier radiación electromagnética en el visible hasta el infrarrojo próximo.
ESQUEMA DE UNA CELDA PV, Cont. En la célula de Si, representada en la figura, se destacan dos capas principales que están superpuestas.. La superior, capa n, está impurificada con P y, la inferior, capa p, con B. Esta unión crea una diferencia de potencial y por la incidencia de fotones de la radiación solar incidente se liberan electrones que generan la corriente eléctrica ya definida.
ESQUEMA DE UN SISTEMA PV EN ISLA. Las células solares se montan sobre paneles interconectando los distintos circuitos. Generalmente van encapsulados para proteger a las células y a las interconexiones. de factores climáticos adversos. En la actualidad, la mayoría de los paneles PV comerciales se fabrican con Si monocristalino, similar al empleado en computadoras y electrónica; en alternativa, también pueden fabricarse mediante Si policristalino y amorfo. La primera modalidad es la más cara y eficiente; la tercera es la más barata e ineficiente. En el generador eléctrico solar esquematizado, puede observarse, además del panel fotovoltaico, un regulador de voltaje y un conjunto de baterías eléctricas de acumulación, las que permiten utilizar la fuente de energía solar en forma continua.
ANGULOS AZIMUT E INCLINACIÓN SOLAR DE COLECTORES: Ángulo Azimutal de Superficie: ángulo formado entre la dirección N-S y la proyección en plano horizontal de la recta normal a la superficie del colector solar. Valores típicos: 0o, entre 0o -90º al E y 0o + 90º al W Ángulo de Inclinación, Beta: ángulo formado por la superficie no iluminada del plano receptor de radiación solar incidente con el plano horizontal.
ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN ÓPTIMAS DEL PLANO COLECTOR. Orientación: La superficie del colector plano debe estar orientada hacia el N geográfico, no magnético (está desfasado unos 20º hacia la derecha del N magnético). Condición válida para todo nuestro país y gran parte del Hemisferio Sur. Inclinación: Para d = 0 (equinoccios de otoño y primavera), la irradiación solar directa incidente en un plano inclinado, en un lugar dado, es máxima cuando Beta = L. Fuera de esta condición, es máxima cuando Beta = (d L), es decir, que su valor óptimo es diferente según la estación climática. Como referencia, se indican los siguientes valores para Beta (en Montevideo): 10º (Primavera-verano) y 55º (Otoño- invierno); 26º, asegura la máxima captación media anual.
INSTALACIÓN CORRECTA DEL PLANO COLECTOR.
PANELES SOLARES; INSTALACIÓN OPTIMIZADA..
EVOLUCIÓN ANUAL RADIACIÓN SOLAR GLOBAL..
CONVERSIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE HORIZONTAL A INCLINADA. Los datos meteorológicos de la radiación solar global incidente en la superficie terrestre se refieren, por convención, a un plano horizontal. Para convertirlos en los correspondientes a una superficie inclinada, es necesario introducir un factor de corrección. Su determinación no es sencilla porque la radiación difusa y la directa requieren factores de corrección diferentes. El primero, en función de la inclinación del colector plano, mientras que, el segundo, depende de los ángulos de incidencia de la radiación solar directa sobre los planos horizontal e inclinado y, éstos, a su vez, son función de la declinación, latitud y altura solar. Se dispone de valores tabulados para distintas inclinaciones y diferentes latitudes del Hemisferio Sur. Permiten ser interpolados y extrapolados para una latitud dada y para distintas inclinaciones del plano colector.
FACTORES DE CORRECCIÓN DE RADIACIÓN INCIDENTE. FACTORES CONVERSIÓN RADIACIÓN SOLAR EN FUNCIÓN INCLINACIÓN (Lat. 30º S). Inclinación, º Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 10 0.99 1.02 1.06 1.12 1.17 1.20 1.18 1.14 1.08 1.03 1.00 0.96 20 0.96 1.02 1.10 1.21 1.32 1.37 1.34 1.25 1.13 1.04 0.97 0.94 30 0.91 0.99 1.12 1.28 1.44 1.52 1,47 1.33 1.16 1.02 0.92 0.88 40 0.83 0.94 1.11 1.32 1.52 1.63 1.57 1.39 1.16 0.98 0.85 0.80 50 0.74 0.87 1.07 1.32 1.57 1.71 1.64 1.41 1.14 0.91 0.76 0.71 60 0.64 0.77 1.00 1.30 1.59 1.74 1.66 1.40 1.08 0.83 0.66 0.59 70 0.52 0.66 0.91 1.24 1.56 1.74 1.64 1.35 1.00 0.72 0.54 0.47 80 0.39 0.54 0.80 1.15 1.50 1.69 1.59 1.27 0.89 0.59 0.41 0.35 90 0.27 0.40 0.66 1.02 1.39 1.59 1.48 1.15 0.76 0.45 0.29 0.24
FACTORES DE CORRECCIÓN DE RADIACIÓN INCIDENTE, Cont. FACTORES CONVERSIÓN RADIACIÓN SOLAR EN FUNCIÓN INCLINACIÓN (Lat. 32º S) Inclinación, º. Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic. 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 10 1.00 1.02 1.07 1.13 1.18 1.21 1.20 1.15 1.09 1.03 1.00 0.99 20 0.97 1.03 1.12 1.23 1.34 1.40 1.37 1.27 1.15 1.05 0.98 0.95 30 0.92 1.00 1.14 1.30 1.47 1.56 1.51 1.36 1.18 1.03 0.93 0.89 40 0.85 0.96 1.13 1.35 1.57 1.68 1.62 1.42 1.19 1.00 0.87 0.82 50 0.76 0.89 1.10 1.36 1.63 1.77 1.69 1.45 1.17 0.94 0.79 0.73 60 0.66 0.80 1.04 1.35 1.65 1.82 1.73 1.45 1.12 0.85 0.68 0.62 70 0.54 0.69 0.95 1.29 1.63 1.82 1.72 1.41 1.04 0.75 0.57 0.50 80 0.42 0.57 0.84 1.20 1.57 1.78 1.67 1.33 0.94 0.63 0.44 0.38 90 0.29 0.43 0.70 1.08 1.47 1.69 1.57 1.21 0.80 0.49 0.31 0.26
FACTORES DE CORRECCIÓN DE RADIACIÓN INCIDENTE, Cont. FACTORES CONVERSIÓN RADIACIÓN SOLAR EN FUNCIÓN INCLINACIÓN ( Lat. 34ºS). Inclinación, º. Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic. 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 10 1.00 1.03 1.08 1.14 1.19 1.23 1.21 1.16 1.09 1.04 1.00 0.99 20 0.98 1.04 1.13 1.25 1.36 1.43 1.39 1.29 1.16 1.06 0.99 0.96 30 0.93 1.02 1.15 1.33 1.50 1.60 1.55 1.39 1.20 1.05 0.95 0.91 40 0.87 0.98 1.15 1.38 1.61 1.74 1,67 1.46 1.22 1.02 0.89 0.84 50 0.79 0.92 1.13 1.41 1.69 1.84 1.76 1.50 1.20 0.96 0.81 0.75 60 0.68 0.83 1.07 1.39 1.72 1.90 1.80 1.50 1.16 0.88 0.71 0.64 70 0.57 0.72 0.99 1.35 1.71 1.91 1.81 1.47 1.08 0.78 0.59 0.53 80 0.44 0.60 0.88 1.26 1.66 1.88 1.76 1.39 0.98 0.66 0.47 0.40 90 0.32 0.46 0.75 1.14 1.56 1.79 1.66 1.28 0.85 0.52 0.34 0.28
FACTORES DE CORRECCIÓN DE RADIACIÓN INCIDENTE, Cont. FACTORES DE CONVERSIÓN RADIACIÓN SOLAR EN FUNCIÓN INCLINACIÓN, (Lat. 36ºS). Inclinación, º. Ene Feb Mar Abr May Jun Jul. Ago Set Oct Nov Dic 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 10 1.00 1.04 1.08 1.14 1.21 1.24 1.22 1.17 1.10 1.05 1.01 1.00 20 0.99 1.05 1.14 1.27 1.39 1.45 1.42 1.31 1.17 1.07 1.00 0.97 30 0.95 1.04 1.17 1.36 1.54 1.64 1.59 1.42 1.22 1.07 0.96 0.92 40 0.89 1.00 1.18 1.42 1.66 1.79 1.73 1.50 1.25 1.04 0.91 0.85 50 0.81 0.94 1.16 1.45 1.75 1.91 1.82 1.55 1.24 0.99 0.83 0.77 60 0.71 0.86 1.11 1.45 1.79 1.98 1.88 1.56 1.20 0.91 0.73 0.67 70 0.60 0.76 1.03 1.40 1.79 2.01 1.89 1.53 1.13 0.82 0.62 0.55 80 0.47 0.63 0.92 1.33 1.75 1.98 1.86 1.46 1.03 0.70 0.50 0.43 90 0.34 0.50 0.79 1.21 1.65 1.90 1.77 1.35 0.90 0.56 0.37 0.31
APLICACIONES USUALES DE LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR Conversión Térmica: Colectores Planos y de Tubos de Vacío. Colectores Concentradores. Generación de energía térmica, eléctrica, mecánica (tales como bombeo de líquidos, refrigeración, etc. Conversión Eléctrica o Fotovoltaica: Puede ser autónoma o conectada a la red. Aplicaciones: Iluminación, comunicaciones telefónicas, microondas, protección catódica, fuente de energía de boyas empleadas en balizamiento y navegación, etc.
APROVECHAMIENTO TÉRMICO DE ENERGÍA SOLAR INCIDENTE. Se realiza mediante los Colectores Solares Térmicos. intercambian calor realizando la transferencia de energía proveniente del Sol a un fluido intermediario operando normalmente en condiciones variables a lo largo del día, con diferentes niveles de intercambio. Se clasifican en Planos y de Tubos de Vacío (radiación global) y Focales o Concentradores (radiación directa). oplanos, CP, (Superficie absorbente Plana, Cerrados y Abiertos) y de Tubos de Vacío, CTV, (tubo transparente, normalmente de cristal, donde se ha realizado vacío entre el tubo y el absorbedor). Se aplican a niveles de temperatura bajos y medios. Suelen ser estáticos, pero puede ajustarse su ángulo de inclinación, Beta, cada cierto tiempo para optimizar la captación media de Irradiación de cada estación climática. Fluido Intermediario Líquido (Generación de Agua Caliente para uso en procesos industriales, etc). Fluido intermediario Gaseoso, Aire (Secado de distintos productos, climatización de ambientes, etc.)
APROVECHAMIENTO TÉRMICO DE ENERGÍA SOLAR INCIDENTE, Cont. oconcentradores. Se caracterizan por: Mantener la perpendicularidad máxima con respecto a la radiación solar incidentes. Aplicarse a niveles de temperatura elevados. Sus Componentes Concentrador: sistema óptico que focaliza la radiación solar sobre una superficie de menores dimensiones. Receptor: superficie absorbente de radiación y aislada térmicamente, que transforma la energía solar procedente del Concentrador, en energía térmica o eléctrica. Dispositivo de seguimiento (tracking): orienta el Concentrador hacia el sol, siguiendo su movimiento aparente durante el día, girando sobre uno o dos ejes.
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS CERRADOS.
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS DE TUBOS DE VACÍO.
COLECTORES TERMICOS Y TEMPERATURAS DE SERVICIO.
COLECTORES SOLARES TERMICOS Y TEMPERATURAS DE SERVICIO, Cont.
COMPARACIÓN ENTRE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS. Características Construcción Col. Planos/CTV Sencilla/Algo compleja. Temp. Máxima 100º C/150º C Mantenimiento Poca entidad. Solo limpieza cubierta. Aplicaciones Disponibilidad. Costo Col. Concentradores Compleja. 300º C- 1000º C Significativo. Sistema óptico. Calentamiento de agua. Calentamiento de agua Uso doméstico/industrial Generación vapor, secado. Amplia. Limitada. Bajo. Elevado. La eficiencia de conversión de radiación solar incidente en energía térmica, es clave para asegurar un desempeño eficiente y eficaz de los sistemas de aprovechamiento de esta fuente de energía renovable.
MARCAS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS APROBADOS, URSEA, dic 2013. Fuco, isal, Xinergia, Partes y Equipos (Chromagen), Alfasolar, Astrosolar, Cosmosolar, Baroni-Grillo, H2Sol, Grupo Solaria, Ecoenergy, Sunpower, Nicoll Uruguay, Soleni, Esconorte, Rivomark, Alternativas Sustentables.
SISTEMA DE APROVECHAMIENTO SOLAR TÉRMICO. Captación Radiación Transferencia Fluido Int. 5ºC Salto térmico 0.15/0.21 m2/m2 Control T. Amb y Temp Fluido Circulación o no Caudal Almacenamiento Opcional 50-100 L/m2 Calentamiento Auxiliar On-Off Modulante Distribución Bombeo o Termosifón
SISTEMA DE APROVECHAMIENTO SOLAR TÉRMICO COMPONENTES. Colector: Recibe y capta la energía solar incidente. Fluido Intermediario: Transporta la energía térmica captada. Acumulador (Opcional): Almacena la energía térmica, recibida mediante el fluido intermediario, durante el tiempo en que hay irradiación solar y la libera cuando aquélla se requiere. Intercambiador de Calor: Entrega la energía térmica recibida, directamente o a través del acumulador, al punto de consumo. Controles: Miden las temperaturas del aire ambiente y del fluido intermediario; accionan o no su circulación, eventualmente, caudales. Fuente de Energía Auxiliar Complementaria: Asegura, por operación, On Off o Modulante, la temperatura adecuada en el agua
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS: COMPONENTES. Cubierta: Transparente a la radiación solar (Factor de transparencia > 0.87). Ubicada delante del Absorbedor. Limita las pérdidas por convección al ambiente. Una o dos capas, según las condiciones climáticas locales. Suelen usarse vidrios con recubrimientos selectivos y buena transparencia a la radiación, que no sufran envejecimiento y resistan presión del viento, nieve, etc. Absorbedor: Superficie metálica (Cobre material de elección-hierro, acero) o plástica. Geometría plana, con tratamiento negro superficial mate resistente a unos 100º C (pintura o depósito electrolítico). Absorbe >95% de la radiación incidente. Circuito de Circulación de Fluido Intermediario: Transporta la energía térmica desde el Absorbedor al punto de uso o almacenamiento. Por lo general caños, preferentemente de cobre, aluminio, acero o plástico. CajaPortadora: Base y perímetros aislados (minimizan pérdidas de calor. Soporte de todos los elementos constitutivos del colector.
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS: FUNCIONAMIENTO. La radiación solar atraviesa la Cubierta (no transparente a la radiación infrarroja), e incide sobre el Absorbedor, calentándolo por conducción. El Absorbedor transmite por convección natural (termosifón o forzada) al fluido intermediario que circula por los tubos. La energía radiante incidente es captada en casi su totalidad por el Absorbedor; su superficie emite radiación infrarroja que es retenida por la Cubierta. El Fluido Intermediario (agua, solución glicolada), portador de energía, circula continuamente entre el Colector y el Tanque de Acumulación o el punto de entrega de aquélla. Su caudal se fija base segín recomendaciones del proveedor. Según bibliografía, oscila normalmente entre 1 y 2 l/min.m² de colector. Las pérdidas de energía son principalmente por convección del aire presente entre la Cubierta y el Absorbedor. Se minimizan mediante el empleo de colectores a vacío, CTV.
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS:EFICIENCIA. Depende de: Orientación. Hacia el Ecuador. Ángulo de Inclinación. El óptimo, está condicionado por el propósito de lograr el mejor comportamiento anual o estacional de captación de energía, por factores técnicos y económicos. Nubosidad. presencia de Nieblas y de PM en la Atmósfera. Pérdidas por Convección. Aumentan con la velocidad del aire exterior (viento) y con la diferencia de temperatura entre el Colector y el Ambiente. Son mínimas en los CTV. Pérdidas por Radiación. Crecen con la cuarta potencia de la temperatura del Absorbedor. Temperatura de Operación. La eficiencia disminuye al aumentar. Temperatura Máxima de Placa Colectora. Alcanzable al no circular Fluido Intermediario.
COLECTOR TÉRMICO PLANO Flujos de Energía.
COLECTOR TÉRMICO PLANO: FLUJOS DE ENERGÍA, Cont. El aprovechamiento de la captación de energía solar por los colectores térmicos planos puede expresarse 1 como sigue: Qu, Potencia útil = Qa, Potencia solar absorbida Qp, pérdidas Qa = G.Ts. Ab G es la irradiación solar incidente en la superficie del colector, en W/m² Ts es el coeficiente de transmitancia del vidrio a la radiación solar incidente Ab es el coeficiente de Absorbancia de radiación por parte de la superficie absorbente del colector. Qp = U (Tp Tamb) U es el coeficiente global de pérdidas de calor del colector, en W/m² K Tp es la temperatura de la placa absorbedora del colector Tamb. es temperatura del aire ambiente, ambas en K. Por lo tanto: Qu = G.Ts.Ab - U (Tp Tamb) Ts.Ab es el Factor de Pérdidas Ópticas U(Tp Tamb) es el Factor de Pérdidas Térmicas (depende de la diferencia de las temperaturas consideradas, aislación y características constructivas del colector)
COLECTOR TÉRMICO PLANO: Rendimiento o Eficiencia. n = G. Ts.Ab/G U(Tp Tamb)/G = No U(Tp Tamb)/G siendo No = Ts.Ab, pérdidas ópticas. Para un colector dado, con un área total (At) y un área de captación (Ac), la expresión anterior queda como sigue: n = Ac/At[No (Tp Tamb)/G] El valor n es propio de cada colector y puede ser determinado en forma experimental mediante la norma UNIT-ISO 9806-1. Conocida la curva de rendimiento o eficiencia característica del colector se determina el punto de trabajo dado por la temperatura de entrada del fluido, Tfe, y la temperatura media ambiente, Tamb, propia del lugar geográfico. A veces, el proveedor no proporciona la curva característica pero sí un valor de eficiencia promedio que se cumple para cierto rango de Tfe.
COLECTORES PLANOS: CURVAS DE RENDIMIENTO. Cu r v a d e E fic iê nc ia T ér m ic a. 80 70 60 Efi ci ên c ia (% ) 50 40 Colector cerrado 30 Colector abierto 20 10 0 0 0,0 1 0,0 2 0,0 3 0,0 4 ( Te - Ta m b ) /G 0,0 5 0,0 6 0,0 7
COLECTORES CP Y CTV: Curvas de Eficiencia.
COLECTOR CP COMERCIAL : EFICIENCIAS..
FORMAS DE TRANSFERIR CALOR..
SISTEMA SOLAR TÉRMICO PLANO: Diagrama Esquemático General. 1 colector solar; 2 depósito de acumulación; 3 intercambiador de calor; 4 vaso de expansión; 5 bomba circuladora; 6 comando diferencial; 7 purgador de aire; 8 sensor de temperatura; 9 energía de apoyo; 10 válvula de seguridad; 11 válvula de retención; 12 válvula de paso; 13 válvula de mezcla; 14 registrador de caudal de agua; 15 efluente sifonado; 16 termómetro; 17 manómetro
ACUMULADORES DE ENERGÍA TÉRMICA. Fundamento: Almacenan energía térmica bajo forma de calor sensible (tales como soluciones glicoladas, lechos porosos cuando el fluido portador es aire, etc.) o en el uso del calor latente (sustancias que cambian de fase en el rango de temperaturas de trabajo del sistema (Ej: Sales de Cl2Ca.6H2O, SO4Na2.10H20, etc.) Dimensiones: Proporcionales al consumo de energía térmica y puede depender del número y distribución de días nublados en el año. Se recomiendan depósitos con Altura >2 Diámetros y un volumen del orden de 70 l/m² (rango entre 50 y 100 l/m²) de superficie de los colectores del sistema. Otro criterio aplicable: 50 < V litros/a m² colectores < 180. Operación: Puede ser en circuito abierto o cerrado y realizarse mediante convección natural (termosifón) o forzada.
SISTEMAS PLANOS DE ENERGÍA SOLAR: Componentes y Cuidados. Sistema Hidráulico: Responsable de alrededor del 60% del mal desempeño de los sistemas solares instalados. Cuidar pérdidas de carga en instalaciones por termosifón. Flujo del fluido intermediario es función del número de grupos de colectores dispuestos en paralelo. Tener presente su conexionado (paralelo con no más de 5 6 colectores por grupo y en serie no más de 3 colectores por grupo). Instalación de colectores con ligera inclinación (2 mm/m mínimo) para eliminar aire. Aislar cañerías. Incluir tanque de expansión y válvula de seguridad, junto al anterior, válvulas de paso (ecualización de flujo de fluido entre grupos de colectores), purgadores de aire (a la salida de c/grupo de colectores y previo a cañerías descendentes), etc. Prevenir daños por heladas en circuito primario.
SISTEMAS PLANOS DE ENERGÍA SOLAR: Componentes y Cuidados, Cont. Ubicación y Distribución evitando Sombra. Distancia mín. entre filas consecutivas: d = h x l x sen Beta, donde h es la altura de montaje de los colectores respecto al piso y, l es el largo de los colectores planos inclinados instalados. Beta es el ángulo de inclinación de los colectores. Soporte Estructural: Debe soportar el peso de los colectores en operación, resistir la acción de empuje del viento, expansiones y contracciones térmicas, etc. Emplear bulones, tuercas, y arandelas de acero inoxidable. Evitar contactos entre metales diferentes (corrosión). Intercambiador de Calor (circuito primario y secundario). Diseño:salto de temperatura de 5º C y superficie de intercambio (0.15-0.21 m2/m2 de superficie de colectores intercambiadores de tubos ó entre 500-750 W/m2, intercambiadores de placas).
INSTALACIÓN DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS..
ESTIMACIÓN DE LA SUPERFICIE DE COLECTORES CP Y CTV REQUERIDOS. 1. Determinar la demanda de energía solar térmica requerida que, en general debe satisfacer cerca del 100% en los meses de mayor irradiancia. De corresponder, afectar ese valor con fs (Ver paso 3.2). Fijar el valor previsto de Tfe a los colectores térmicos (Suele adoptarse como valor de partida 60º C). 1. Determinar, consultando Información Meteorológica disponible,: 3.1 Temperatura media ambiente Tamb en el lugar geográfico del proyecto. 3.2 Días de sol promedio en ese lugar, calcular fs = días totales/días soleados. 3.3 Radiación solar global incidente en plano horizontal en ese lugar; corregir a la inclinación de colectores a usar. 2. Determinar la eficiencia de captación del colector seleccionado mediante su Curva de eficiencia, teniendo presente el valor (Tfe Tamb)G a aplicar. 3. Afectar la irradiación específica determinada en 3.3 con el valor anterior. 4. Dividir la demanda determinada en 1 por el valor hallado en el paso anterior.
QUÉ CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍA SOLAR USAR? Demanda Estimada de Energía Térmica Total (Media Anual), Det: Det = Vol (m³) x Dens (1000 kg/m³*) x Cp x (Tsal Tamb)/3600 en kw Cp específico agua a presión cte., 4.18 kj/kg. C ( kcal/kg.oc Tsal ytamb temperaturas en C. * Dens indicada de emplearse solo agua. Fracción Solar: Fs = Qs/(Qs + Qaux) x 100 Fs: Cantidad de Radiación Solar Útil Qs (kwh), requerida para calentar agua mediante Energia Solar durante una media anual. Por lo general oscila entre el 60 y el 80% del total. Qaux (kwh) es la cantidad de energía complementaria requerida durante una media anual. Eficiencia del Sistema Solar, Ess: Ess = Qs/I x A m² x 100 I la irradiación solar anual, en kwh/m² A la superficie de colectores térmicos a instalar, en m². Se grafican Fs y Ess en función del área de colectores, en el intervalo donde se corten las curvas se considera que es la mejor opción de Fs a emplear.
QUÉ CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍA SOLAR USAR? Cont.
COLECTORES TÉRMICOS PLANOS: Herramientas de Simulación y Cálculo. RetScreen Intl., www.retscreen.net Software para análisis de proyectos de energías renovables. Hottgenroth Software, www.getsolar.info TSol Express/Professional/Expert, www,solardesign.co.uk/tsol.php
URUGUAY: PLAN SOLAR PARA FAMILIAS. Orientado: al sector residencial. Fundamento: alrededor del 30%-37% del consumo de energía eléctrica de una familia está destinado a calentar agua. Procura superar dos barreras identificadas para la incorporación residencial de EST: Inversión Inicial Elevada (unos U$S 2200, Desconocimiento del Tema. familia de 4 personas) y Superación 1er. Barrera: Línea de financiación, BHU, entre 20.000 y 100.000 UI <> U$S 2,148 y 12.110, tasa de interés entre 8% y 8.5% anual) para su adquisición e instalación, hasta 60 cuotas mensuales. Tasa interés 8% y 8.5% no ahorristas. Paralelamente, UTE, bonifica con $1000 mensuales durante 24 meses a cada familia que se adhiera al plan. Banca privada: Banco Itaú, promoción acotada (15% menos con tarjetas de crédito). Superación 2da. Barrera, mediante actividades de divulgación y difusión de la EST.
COLECTORES SOLARES TÉRMICOS PLANOS: EJEMPLO DE APLICACIÓN RESIDENCIAL. Instalación de EST realizada en residencia no preparada para ello en el año 2010. Consumo diario estimado de agua caliente: 260 l/día a 50º.C Equipamiento y montaje realizados por Baroni, fabricante e instalador seleccionado. 2 Paneles solares térmicos planos, fabricación nacional, marca Grillo GRA200 100-2, 1.91 m² superficie neta unitaria de captura. Orientación al N, inclinación 30º. Eficiencia. 50/60% G 955 W/m² <>U$S 218.75/m² Circuito primario, circulación forzada (solución acuosa de etilenglicol. Tanque acumulador solar (cobre, doble envolvente) 130 l. Tanques acumuladores con sistema calefactor de respaldo eléctrico, 2 unidades (60 l y 10 l) Control digital diferencial de temperatura (Tanque acumulador-panel). Medidor integrador de caudal para agua caliente. Medidor/registrador mide la temperatura del agua y, mediante su caudal, calcula la energía entregada y acumula los datos mensuales