Energia_Solar_Termica

Trabajo Final de Curso de experto en Manteni Mantenimiento miento Industrial

Gonzalo Escalera Aguilar Septiembre 2009

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ÍNDICE

2      

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR 2. FÍSICA DE LA CAPTACIÓN TÉRMICA 3. UN COLECTOR SOLAR SENCILLO: EL DE AIRE 4. EL PANEL SOLAR PARA LÍQUIDOS 5. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA TÉRMICO DE E. SOLAR 6. DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO DE INSTALACIONES SOLARES o

o

AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) CALEFACCIÓN

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ÍNDICE

2      

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR 2. FÍSICA DE LA CAPTACIÓN TÉRMICA 3. UN COLECTOR SOLAR SENCILLO: EL DE AIRE 4. EL PANEL SOLAR PARA LÍQUIDOS 5. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA TÉRMICO DE E. SOLAR 6. DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO DE INSTALACIONES SOLARES o

o

AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) CALEFACCIÓN

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR A. ESTRUCTURA Y DATOS DEL SOL

3

El Sol como fuente de energía

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR A. ESTRUCTURA Y DATOS DEL SOL

4

CORONA CROMOSFERA FOTOSFERA

NÚCLEO

ZONA DE El Sol como fuente de RADIACIÓN energía ZONA DE CONVECCIÓN

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR B. RADIACIÓN SOLAR. INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA

5

Espectro solar al nivel del suelo

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR 6

C. USOS Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR

1. EL POTENCIAL REAL DE LA ENERGÍA SOLAR C. USOS Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR

7

Sistema compacto para ACS

Ejemplos de Producción Módulos Fotovoltaicos de Calor

Horno Solar

Cocina Solar

2. FÍSICA DE LA CAPTACIÓN TÉRMICA 8

A. RADIACIÓN DIRECTA, DIFUSA Y TOTAL


A. RADIACIÓN DIRECTA, DIFUSA Y TOTAL


B. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR

2. FÍSICA DE LA CAPTACIÓN TÉRMICA C. RADIACIÓN DE UN CUERPO NEGRO

11

Ley de Planck

2. FÍSICA DE LA CAPTACIÓN TÉRMICA D. CONCEPTOS DE INTERÉS

12

α =

RADIACIÓN ABSORBIDA RADIACIÓN INCIDENTE

E =

RADIACIÓN EMITIDA POR EL CUERPO EN CUESTIÓN RADIACIÓN EMITIDA POR EL CUERPO NEGRO

S=

τ =

α

E

RADIACIÓN QUE HA ATRAVESADO LA SUPERFICIE TRANSPAREN TE RADIACIÓN INCIDENTE

3. UN COLECTOR SOLAR SENCILLO: EL DE AIRE A. EL EFECTO INVERNADERO

13

Efecto Invernadero

3. UN COLECTOR SOLAR SENCILLO: EL DE AIRE 14

B. COLECTOR SOLAR PLANO DE AIRE

P ( W ) ⋅ t = [ I ( W / m 2 ) ⋅ Su ( m 2 ) ⋅ α ⋅ τ ] ⋅ t = E perdida + E útil

4. EL PANEL SOLAR PARA LÍQUIDOS 15

COLECTOR SOLAR PARA LÍQUIDOS

E útil = F ⋅ Su ( m 2 ) ⋅ [ I ( W / m 2 ) ⋅ α ⋅ τ − U ( W / m 2 K ) ⋅ ( T e / T a ) ( K )] ⋅ t

5. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA TÉRMICO PARTES FUNDAMENTALES DE UN SISTEMA TÉRMICO

16 o

SISTEMA DE CAPTACIÓN o

o

SISTEMA DE ACUMULACIÓN o

o

Constituido por el circuito de captadores o primario (circuito cerrado) y el circuito de utilización o secundario. A este sistema pertenecen otros elementos como bombas, válvulas, purgadores, vasos de expansión, etc., de forma que el fluido caliente se conduce desde el sistema de captación hasta el sistema de acumulación y, desde éste, a la red de consumo.

SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL o

o

Realiza la transferencia de energía térmica captada desde el circuito de captadores al agua caliente que se consume o utiliza.

SISTEMA HIDRÁULICO o

o

Constituido por un depósito que almacena el agua caliente hasta que se precise su uso.

SISTEMA DE INTERCAMBIO o

o

Formado por uno o varios captadores que transforman la radiación solar incidente en energía térmica que calienta, a su vez, el fluido de trabajo que contienen.

Encargado de asegurar el correcto funcionamiento de todo el conjunto, para proporcionar un adecuado servicio y aprovechar la máxima energía solar térmica posible. En el caso más sencillo, el control tiene dos funciones básicas: 1. Compara las temperaturas de la parte alta de los captadores y de la parte inferior del acumulador; si es suficiente, arranca la bomba de circulación, y si no lo es, la apaga. 2. Protege al tanque de temperaturas excesivas parando la bomba de circulació n cuando se alcanza en la parte alta del acumulador la temperatura máxima prefijada.

SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR o

Sirve de apoyo y permite seguir teniendo agua caliente cuando las condiciones meteorológicas sean adversas o el consumo sea superior al previsto.

5. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA TÉRMICO ESQUEMA DE PRINCIPIO TIPO

17

1. Captador solar en el circuito primario.

5. Bomba de circulación del circuito primario solar.

2. Acumulador solar en el circuito secundario solar.

6. Sistema de energía auxiliar con acumulador auxiliar y caldera.

3. Intercambiador (serpentín en el acumulador o de placas externo). 4. Circuito hidráulico del circuito primario solar y 4´del circuito secundario.

7. Sistema de control de la instalación solar. 8. Demanda de ACS.

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción 6.1.- Clasificación de las Instalaciones

PRINCIPIO DE CIRCULACIÓN: - Natural ó Termosifón - Forzada

SISTEMA DE EXPANSIÓN: -Abierto -Cerrado SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR: -Directa sin intercambiador de calor -Intercambiador en el acumulador solar -Intercambiador de calor independiente

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción 6.1.- Clasificación de las Instalaciones



SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR: 

En el acumulador solar



En el acumulador secundario individual







En el acumulador secundario centralizado En el acumulador secundario distribuido



En línea centralizado



En línea distribuido



En paralelo

APLICACIÓN: 

Calentamiento de agua sanitaria



Usos industriales



Calefacción



Climatización de piscinas



Usos combinados

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción

6.2.- Elementos de la instalación

           

CAPTADORES FLUIDO CALOPORTADOR ACUMULADOR INTERCAMBIADOR DE CALOR BOMBAS DE CIRCULACIÓN TUBERIAS VÁLVULAS VASOS DE EXPANSIÓN PURGADORES SISTEMA DE LLENADO DISIPADORES DE CALOR SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL





CAPTADORES :



FLUIDO CALOPORTADOR



ACUMULADOR :

• η ≥ 40% • Homologados RD 891/1980 14/3 • Igual modelo en todos •Coef. Global Pérdidas < 10 Wm2/ºC

• 50 < V/A < 180 (50 a 80 litros x m2 Captadores)

V = Volumen Depósito Acumulador (l) A = Superficie de Captación (m2)



INTERCAMBIADOR DE CALOR :

• P ≥ 500 x A

P = Potencia Mín. del Intercambiador (W) A = Superficie de Captación (m2)



BOMBAS DE CIRCULACIÓN :

• Superar Pérdidas Instalación • A ≥ 50 m2



TUBERIAS :

→ Dos bombas paralelo

• Caudales equilibrados • Caudal 1,2 a 2 l/s por cada 100 m2





VÁLVULAS :

• Adecuadas a Presiones y Temperaturas de la Instalación



VASOS DE EXPANSIÓN :

• Volumen expansión ≥ 4,3% Volumen del circuito



PURGADORES :

• Soportarán Temperaturas 130º a 150º



SISTEMA DE LLENADO :

• Fluido caloportador o agua



DISIPADORES DE CALOR :

• Producción excede 110% de la demanda, o 100% de la

demanda 3 meses seguidos 

SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL :

• Temp. Entrada agua fría • Temp. Suministro de agua caliente solar • Temp. Suministro de agua caliente a consumo • Caudal de agua de consumo


6.2.- Elementos de la instalación TIPOS DE CONEXIÓN :



Instalacion tipo forzada con intercambiador en acumulador

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción 6.3.- Cálculo de la Instalación

6.3.1.- Demanda Energética de la Instalación : 6.3.1.1.- Suministro ACS : Demanda de referencia a T = 60ºC y Ti = 12ºC (Tablas CENSOLAR)


6.3.1.- Demanda Energética de la Instalación : 6.3.1.2.- Pérdidas en Piscinas Cubiertas (CONTEMPLADAS EN C.T.E.)

6.3.1.3.- Pérdidas en Piscinas al Aire : (SIEMPRE ENERGÍA RENOVABLE)

24ºC < tws < 27ºC (R.I.T.E.) tBS = tws + 3ºC (R.I.T.E.)


6.3.2.- Contribución Solar Mínima :


6.3.2.- Contribución Solar Mínima : • Orientación óptima : Sur • Demanda Anual : Inclinación = Latitud Geográfica • Demanda Preferente Invierno : Inclinación = Latitud + 10º • Demanda Preferente Verano

: Inclinación = Latitud - 10º


6.3.3.- Zonas Climáticas :

Radiación Solar Global :


6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar : D F A = ACS S H G η

× 365

A = Superficie de captación DACS = Demanda de ACS HG = Irradiación anual (Tablas) 1.200 a 2.000 kwh/m2 Η = Rendimiento medio 30 a 50% Fs ó f = Fracción Solar 60 a 80%

•Método f-chart Para el cálculo de “ f”

•Permite realizar el cálculo de la cobertura solar •Contribución a la aportación de calor total necesario para cubrir cargas térmicas •Y su rendimiento medio en un largo período de tiempo.

Ecuación del Método f-chart :

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción 6.3.- Cálculo de la Instalación 6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar : La secuencia que suele seguirse en el cálculo es la siguiente: 1. Valoración de las cargas caloríficas para el calentamiento de agua destinada a la producción de A.C.S. o calefacción. 2. Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada del captador o captadores. 3. Cálculo del parámetro D1. 4. Cálculo del parámetro D2. 5. Determinación de la gráfica f . 6. Valoración de la cobertura solar mensual. 7. Valoración de la cobertura solar anual y formación de tablas. Las cargas caloríficas determinan la cantidad de calor necesaria mensual para calentar el agua destinada al consumo doméstico, calculándose mediante la siguiente expresión:

Qa = Carga calorífica mensual de calentamiento de A.C.S. (J/mes) Ce = Calor específico. Para agua: 4187 J /(kgA°C) C = Consumo diario de A.C.S. (l /día) tac = Temperatura del agua caliente de acumulación (°C) tr = Temperatura del agua de red (°C) N = Número de días del mes


6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar : El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes: D1 = Energía absorbida por el captador / Carga calorífica mensual

Energía absorbida por el captador :


6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar : El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para una determinada temperatura, y la carga calorífica de calentamiento durante un mes: D2 = Energía perdida por el captador / Carga calorífica mensual

Energía perdida por el captador :


6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar :

Obtenidos D1 y D2 , aplicando la ecuación inicial se calcula la fracción de la carga calorífica mensual aportada por el sistema de energía solar. De esta forma, la energía útil captada cada mes, Qu , tiene el valor:

Qa = Carga calorífica mensual de A.C.S. El proceso operativo para un mes, se operará para todos los meses del año. La relación entre la suma de las coberturas mensuales y la suma de las cargas necesidades mensuales de calor, determinará la cobertura anual del sistema:

caloríficas, o


6.3.4.- Superficie de Captación y Factor Solar : Para la resolución de las ecuaciones anteriores, se han desarrollado herramientas Informáticas, las cuales nos suministran además un informe de la instalación objeto de estudio. La Agencia Andaluza de la Energía dispone de uno de ellos.

Para estimar los aportes solares se emplea el método F-Chart adaptado para el uso combinado de ACS y calefacción. La hoja tiene un listado de captadores solares certificados por el Ministerio. En el caso de no ser un captador certificado, se deberán introducir los parámetros de la recta de eficiencia del captador.


6.3.5.- Cálculo de las pérdidas por orientación e inclinación • Determinar los límites en la orientación e inclinación de

los módulos de acuerdo a las pérdidas máximas permisibles.

Orientación e inclinación de los módulos

• Para el caso general, las

pérdidas máximas por este concepto son del 10 %, para superposición del 20 % y para integración arquitectónica del 40 %.

Porcentaje de energía respecto al máximo como consecuencia de las pérdidas por orientación e inclinación.


6.3.6.- Cálculo de pérdidas de radiación solar por sombras • Se expresan como porcentaje de la

radiación solar global que incidiría sobre una superficie, de no existir sombra alguna a su alrededor. • Comparación del perfil de

obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del sol • Coordenadas de

obstáculos acimut y

elevación • Representación del

perfil de obstáculos

en el diagrama • Factor de Sombra < 10%

• Valores Ai, Bi, Ci, Di, en CTE HE 4 Apéndice B

6.- Descripción y cálculo de instalación solar para ACS y Calefacción 6.4.- Ejemplo Memoria Cálculo Instalación Tipo

Programa de cálculo de instalaciones solares para piscinas cubiertas y A.C.S. - versión 1.1 Informe de resultados Descripción del caso simulado • LOCALIDAD El fichero meteorológico utilizado es AMT-Sevilla, la latitud es de 37.42 (º) y la altitud de 12.0 (m). • COMPONENTES DEL SISTEMA SOLAR El área total de captación es de 52.60 (m con 2 captadores en serie, inclinación con respecto a la horizontal de 45.0 (º) y orientación con respecto al sur geográfico de 0.0 (º), positivo al oeste. Los parámetros de la curva característica del captador son a0= 0.704, a1= 3.555 (W/m K) y a2= 0.010 (W/m K El fluido primario es propilenglicol-30%. El flujo másico vehiculado por la bomba del primario es de 1709.5 (kg/h). La tubería de retorno, que conecta la sala de máquinas con los captadores tiene longitud de 10.00 (m), diámetro de 0.03 (m) y coeficiente de pérdidas de calor de 0.20 (W/m K). La tubería de impulsión, que conecta los captadores con la sala de máquinas tiene longitud de 10.00 (m), diámetro de 0.03 (m) y coeficiente de pérdidas de calor de 0.20 (W/m K). La efectividad del intercambiador de calor sistema solar - vaso es del 55.00 (%); la del sistema solar acumulador solar es del 55.00 (%). • PISCINA El volumen del vaso es de 30.80 (m y experimenta una renovación diaria del 5.00 (%). El aire del local se mantiene a una temperatura de 30.0 (ºC), con humedad relativa del 70.0 (%). El flujo másico vehiculado por la bomba del circuito de calentamiento del vaso es de 3000.0 (kg/h). El número diario de bañistas es de 158


• PREPARACIÓN DE A.C.S. El volumen del acumulador solar es de 3.50 (m su altura de 2.00 (m) y su coeficiente global de pérdidas de 0.00 (W/m K). El flujo másico vehiculado por la bomba del circuito que conecta el intercambiador del campo con el acumulador solar es de 3000.0 (kg/h). El consumo de agua por uso es de 29.00 (litros), a 45.0 (OC), y el número diario de usos es de 120 . SISTEMA DE CONTROL El consumo preferente para la producción solar es el VASO El sistema de apoyo del vaso asegura una temperatura del agua de 26.0 (ºC), mientras que el sistema solar trata de calentar al vaso dentro del rango de temperaturas de 26.0 (ºC) a 27.5 (ºC). Las diferencias de temperatura que definen la banda de histéresis para el control del aporte solar al vaso son 2.0 ( ºC) y 5.0 (ºC). La consigna para el agua caliente sanitaria es de 45.0 (ºC). La temperatura máxima que soporta el depósito es de 60.0 (ºC). Las diferencias de temperatura que definen la banda de histéresis para el control del aporte solar al acumulador solar son 2.0 (ºC) y 5.0 (ºC).




Ejemplos de Instalaciones





Bibliografía

•

Instalaciones de Energía Solar Térmica Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. 2002

•

Beckman, W. A., Klein, S. A. y Duffie, J. A.: Proyecto de sistemas térmico-solares por el método de las curvas-f . Editorial INDEX, 1982 (ATECYR: Asociación Técnica Española de Climatización yRefrigeración).

•

Código Técnico de la Edificación, Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación (C.T.E.)

•

Manual Técnico de Energía Solar Térmica, 3ª Edición, 2008. Salvador Escoda

•

Programa de Cálculo de Instalaciones Solares para A.C.S. Versión 1.1. Agencia Andaluza de la Energía. Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa.

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