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APLICACIONES TÉRMICAS DE LA ENERGÍA SOLAR DE BAJA TEMPERATURA. Posgrado de Ingeniería Energía Introducción al Aprovechamiento de las Fuentes Renovables de Energía. El Sol es una estrella gigante, que entrega energía a nuestro planeta. ENERGÍA SOLAR - PowerPoint PPT Presentation
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APLICACIONES TÉRMICAS DE LA ENERGÍA SOLAR DE BAJA
TEMPERATURA
Posgrado de Ingeniería Energía
Introducción al Aprovechamiento de las Fuentes Renovables de
Energía
El Sol es una estrella gigante, que entrega energía a nuestro planeta.
ENERGÍA SOLAREl Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa, formado fundamentalmente por Helio, Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen continuas reacciones nucleares de fusión, es decir, reacciones mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.
De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar. De ella, un tercio es enviada de nuevo al espacio a consecuencia de los procesos de refracción y reflexión que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra. De los dos tercios restantes, una parte es absorbida por las distintas capas atmosférica que rodean el globo terráqueo. El resto llega a la superficie de la Tierra por dos vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos; e indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa.
LA RADIACIÓN SOLAR Y LA ATMÓSFERA
La energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según las distintas zonas de la superficie terrestre, etc.
ZONAS CON MAYOR RECURSO SOLAR
kWh/m2/día
RECURSO SOLAR EN MÉXICO
kWh/m2/día5.8-6.4
5.2-5.84.6-5.2
4.1-4.6
3.5-4.1
. Distribución de la energía solar recibida en función de la longitud de onda, en la parte exterior de la atmósfera y en el interior de la misma.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00
500
1000
1500
2000
UV Infrarrojo
Espectro AM1.5en la superficie
Visible
Espectro WRCfuera de la atmósfera
Iradi
anci
a es
pect
ral [
W /m
2 ∙mic
ra]
longitud de onda [micras]
Formación de la radiación difusa en la atmósfera.
GbGd
Dispersión por gases y aerosoles
Dispersión por las nubes
GbGd
Dispersión por gases y aerosoles
Dispersión por las nubes
. Efecto del ángulo de incidencia en la potencia radiativa interceptada por una superficie.
A
A cos
GcosAGP
A
A cos
G
A
A cos
GcosAGP
Medidores de radiación solar
Piranómetro
Pirheliómetro Piranómetros espectrales
Estereo piranómetros Piranómetro con banda
•Para temperaturas menores a 40ºC•El panel solar es sumamente ligero.•Los colectores están fabricados en módulos individuales.•Fácil instalación
TECNOLOGÍA DE CAPTADORES SOLARES DE PLÁSTICO (USO ALBERCAS)
1. Bomba de recirculación del sistema solar.
2. Válvula Check
3. Válvula de tres vías que dirige el agua hacia los
paneles o hacia el filtro opera automáticamente .
4. Válvulas esfera para habilitar o deshabilitar el
sistema solar de forma manual.
5. Válvula eliminadora de aire
6. Entrada de agua fría a los paneles
7. Salida de agua caliente de los paneles
8. Control diferencial que controla la válvula de tres
vías y/o la bomba.
9. Sensor de radiación solar.
10. Sensor en la tubería de agua fría de la alberca.
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA SOLAR
El sol es la fuente de la mayoría de nuestrasfuentes renovables de energía y una de ellas es la energía solar foto térmica, es decir el uso directo de la radiación solar para calentar un fluido y después utilizarlo.
Introducción
Se pueden clasificar los sistemas de colección
solar foto térmica en dos tipos: de alta temperatura y de baja temperatura
Calentamiento solar activo Máquinas termo solares Calentamiento solar pasivo Luz de día (Daylighting)
Clasificación
Calentamiento de agua
- Viviendas - Clubes deportivos - Hoteles - Procesos Industriales - Albercas - Sector agropecuario
Secado Solar
Concentración Solar
Refrigeración Solar
Aplicaciones Térmicas de la Energía Solar
Las secadores solares, son dispositivos que permiten deshidratar productos. El proceso de secado es una etapa importante para muchos productos que deben ser comercializados o almacenados , sin que se produzca el problema de degradación biológica.
SECADORES SOLARES
Para mucha gente calentamiento solar significa calentadores de techo. A finales de 1999 había un total de 8.5 millones de metros cuadrados de colectores solares instalados en Europa
Calentador solar con bomba
Calentador solar de termosifón
Calentador solar de techo
Calentador solar con bomba
Panel colector: generalmente de 3-5 m2 de área, montado en el techo de una casa. Normalmente está conformado de tres elementos.
Tanque de almacenamiento: Su capacidad es de 200 l aproximadamente. Contiene un calentador eléctrico para el invierno.
Un sistema de circulación por bombeo: Sirve para transferir el calor del panel al tanque de almacenamiento.
Elementos de un calentador solar con bomba
Calentador solar de termosifón
El Calentador consta de dos partes fundamentales: -El colector - Elemento encargado de captar la
energía del sol y transformarlo en calor.. El colector a su vez consta de las siguientes partes: -Caja -Absorbedor -Cubierta: -El acumulador o tanque, Depósito donde se
almacena el agua caliente para su consumo El acumulador y el colector están unidos entre sí
por tuberías.
¿Cómo funciona un calentador solar?
Naturaleza y Disponibilidad de la radiación solar
El sol tiene una temperatura de 6 mil C en la superficie
Un tercio de la cual es reflejada, y el resto se absorbe y retransmite haciendo de la tierra un sistema estable.
La radiación la percibimos como luz blanca y la tierra a 15 C en la superficie, y -20 C en la atmosfera emite ondas infrarrojas largas al espacio
La ley de Planck nos dice en que longitudes dee onda se emite
Colección de energía a alta y baja temperatura La colección de
energía solar a baja temperatura consiste en dejar pasar radiación, pero bloquear a la radiación infrarroja de onda larga.
La colección de energía de alta temperatura consiste en utilizar espejos para concentrar energía.
Radiación directa y difusa La radiación que podemos
percibir es directa o difusa. La difusa está en el azul del
cielo, en el blanco de las nubes, y es la que es dispersada por estas mismas.
La directa es lo que percibimos como rayos solares.
La radiación difusa y la directa sirven para propósitos térmicos, pero sólo la directa puede ser canalizada para temperaturas muy altas
En 1 día despejado, se puede obtener 1 “sol” que es más o menos 1Kw/m2.
La radiación solar anual máxima en una superficie horizontal se obtiene en el ecuador, y es aproximadamente 2000 kilowatt-hora por m2.
• El porcentaje entre radiación difusa y directa puede ser 50% y 50% en el Norte de Europa.
• Hacia el ecuador las ganancias en radiación favorecen más a la directa
Disponibilidad de la radiación• Para medir la cantidad de
radiación se utilizan solarímetros o piranómetros.
• El solarímetro tiene elementos termoeléctricos, siendo el voltaje proporcional a la luz incidente.
• La mayoría de los solarímetros miden la energía incidente en su plano horizontal.
El solarímetro tiene 2 componentes principales, que son un fotodetector de radiación y un amplificador. El elemento que recibe la radiación solar es el fotodetector y la convierte en una señal que puede ser amplificada y leída. El fotodetector se fabrica de silicio, y se le meten impurezas.
Estas impurezas tienen la particularidad de cambiar las propiedades del silicio, de tal manera que cuando incide la luz sobre el fotodetector, algunos electrones que estaban ligados a los átomos se liberan y pueden circular.
Es un proceso eficiente ya que de cada 10 fotones que inciden, 8 electrones se liberan y comienzan a circular.
Se puede hacer un análisis midiendo la radiación difusa y la directa; y así con cálculos matemáticos se puede obtener la radiación para su superficies inclinadas y verticales
En el ecuador se pueden obtener 2000 Kwatts-hora/m2 por año, y maximizando sus cantidades en desiertos.
Es obvio que en verano hay más energía que en invierno, pero en números qué significa esto?.
Estadísticas aproximadas de México
Month Air temperature Relative humidity
Daily solar radiation - horizontal
Atmospheric pressure Wind speed Earth
temperatureHeating degree-
daysCooling degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 14.5 71.20% 3.87 90.8 4 15.6 112 154
February 16 67.00% 4.7 90.7 4.2 17.5 71 181
March 18.4 61.30% 5.66 90.5 4.3 20.4 36 274
April 20.7 63.50% 6.09 90.4 4.1 22.8 10 331
May 21.8 72.10% 6.41 90.4 3.8 23.7 0 378
June 22.2 77.50% 6.23 90.5 3.4 23.9 0 374
July 21.8 77.80% 5.94 90.7 3.5 23.4 0 373
August 21.9 76.90% 5.99 90.7 3.4 23.7 0 383
September 21.2 78.70% 5 90.6 3.4 22.7 1 346
October 19.4 77.70% 4.74 90.7 3.5 20.8 13 298
November 17.4 73.50% 4.28 90.8 3.8 18.7 44 229
December 15.1 71.20% 3.66 90.9 3.9 16.2 100 169
Annual
19.2 72.40% 5.21 90.6 3.8 20.8 387 3490
Estadísticas Inglaterra
Month Air temperature Relative humidityDaily solar radiation - horizontal
Atmospheric pressure Wind speed Earth
temperatureHeating degree-
daysCooling degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 3.2 83.80% 0.55 99.5 5.2 2 455 0
February 3.5 81.00% 1.18 99.7 4.9 2.5 405 0
March 5 78.80% 2.07 99.7 5.2 4.7 399 0
April 6.9 74.60% 3.15 99.6 4.5 7.2 333 5
May 10.2 69.20% 4.29 99.9 4.2 11.1 240 40
June 13.3 66.50% 4.32 99.9 4 14.6 144 100
July 15.7 66.10% 4.22 99.9 3.7 17.2 80 175
August 15.7 67.50% 3.5 99.8 3.7 17 82 176
September 13 70.80% 2.45 99.8 4.3 13.7 150 93
October 9.6 77.80% 1.33 99.5 4.6 9.2 257 31
November 6 84.50% 0.71 99.5 4.9 5 359 2
December 4.1 85.10% 0.44 99.6 5.1 2.8 432 0
Annual
8.9 75.50% 2.35 99.7 4.5 8.9 3336 622
Measured at (m) 10 0
Estadisticas Republica Democratica de Congo
Month Air temperature Relative humidityDaily solar radiation - horizontal
Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature Heating degree-
daysCooling degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 26.5 59.90% 5.54 96.2 1.9 26.1 0 513
February 27 60.10% 5.65 96.2 2.2 26.7 0 481
March 26.2 69.80% 5.36 96.2 1.9 25.9 0 504
April 25.7 74.90% 5.04 96.2 1.6 25.4 0 473
May 26.4 66.90% 4.83 96.3 1.2 25.9 0 512
June 27.7 48.40% 4.54 96.4 1.1 27.3 0 531
July 28.3 37.70% 4.56 96.4 1.1 28.1 0 567
August 27.7 48.60% 4.7 96.4 1.1 27.4 0 549
September 26 65.80% 4.84 96.4 1.1 25.8 0 484
October 25.2 72.70% 4.46 96.4 1 25 0 477
November 25 74.20% 4.39 96.3 1.1 24.7 0 453
December 25.8 67.00% 5 96.3 1.2 25.3 0 493
Annual
26.4 62.20% 4.91 96.3 1.4 26.1 0 6037
Measured at (m) 10 0
Estadisticas Sudafrica
Month Air temperature Relative humidityDaily solar radiation - horizontal
Atmospheric pressure Wind speed Earth
temperatureHeating degree-
daysCooling degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 21.8 52.80% 7.26 85.8 3.8 24.3 1 363
February 21.1 55.40% 6.46 85.9 3.5 22.9 2 314
March 19.5 52.90% 5.64 86.1 3.5 21.2 10 297
April 16.3 48.80% 4.79 86.2 3.5 18 55 196
May 11.9 48.20% 4.15 86.4 3.6 12.9 171 87
June 7.7 51.60% 3.74 86.5 3.9 8 290 10
July 7.7 48.30% 4.02 86.6 4 8.2 301 11
August 11 40.60% 4.84 86.4 4.4 12.3 205 62
September 15.4 37.50% 5.77 86.2 4.6 17.7 89 166
October 18 46.50% 6.32 86.1 4.4 20.9 34 245
November 19.7 49.20% 7 86 4.1 22.9 15 286
December 20.7 54.20% 7.32 85.9 4 23.5 3 330
Annual
15.9 48.80% 5.61 86.2 3.9 17.7 1176 2367
Measured at (m) 10 0
Inclinación y Orientación Nuestra superficie
colectora debe orientarse hacia el sur, y mirando al sol. Su inclinación depende de la latitud y el mes del año.
El ángulo entre la superficie y la horizontal debe ser igual a la latitud, siendo la radiación incidente perpendicular en Primavera y Otoño.
En verano deberá ser menor la inclinación, ya que el sol aparece más alto, y en invierno será mayor que la latitud debido a que aparece más bajo.
También hay que recordar que las sombras son mayores en invierno
Otro factor es que mientras más al horizonte se encuentre el sol; este tiene que atravezar una atmósfera mayor.
A pesar de todo esto, los efectos de inclinación no son realmente críticos.
Vidrio Los colectores solares de
baja temperatura dependen básicamente de una sustancia llamada vidrio.
Una de las virtudes más grandes de los vidrios es que son transparentes a la luz visible, y opacos a la radiación infraroja de onda larga.
Los fabricantes tratan de mejorar la transmitancia para la luz visible, más no así para la infraroja de onda larga.
Una manera de aumentar la transmitancia es disminuyendo el contenido de hierro del vidrio.
También se usan plásticos, aunque estos deben ser protegidos de los rayos uv
Material
ThicknessShort-wave Infrared Solar Transmittance
Long-Wave Infrared Transmittance(mm)
Window glass (float glass) 4 0.83 0.02
Low-iron glass 3 0.89 0.08
Acrylic Glass - Poly(methyl methacrylate) (common trade names Plexiglas, Limacryl,
R-Cast, Perspex, Plazcryl, Acrylex, Acrylite, Acrylplast, Altuglas, Polycast,
Oroglass and Lucite) 3 0.82 0.02
Polyvinyl Fluoride (known by his trade name Tedlar from DuPont) 0.1 0.92 0.22
Polyester, Mylar 0.1 0.87 0.18
Mecanismos de pérdida de calor Se pierde energía
debido a las diferencias de temperatura, al área disponible, y a las cualidades aislantes del material.
Los medios de conducción de la energía son conducción, convección y radiación.
Ahorro potencial de energía de calefacción obtenida por una mejor aislación
CONSUMO
REDUCCION POSIBLE Millones de GJ
PAISES TOTAL CALEFACCION MILLONES GJ TOTAL CALEFACCION
Austria 223 93 48
Bélgica 1040 307 31 20 67
Dinamarca 595 111 28 5 25
Finlandia 604 111 9 2 8
Francia 2601 511 334 13 65
Alemania 6930 1394 334 13 67
Irlanda 251 65 46 18 71
Italia 3344 354 167 5 50
Holanda 1551 372 251 16 68
Noruega 325 28 9 3 33
España 1728 251 121 7 50
Suecia 864 186 19 2 10
Suiza 390 158 102 26 65
Turquía 1728 641 138 9 25
Reino Unido 5035 697 344 7 49
26987 5163 0.1 10 50
Conducción La tasa de transferencia de
energía depende del gradiente de temperatura y de la conductividad térmica del materia.
Los metales tienen conductividades altas y en espacios muy pequeños conducen grandes cantidades de calor.
Los aislantes incluso a diferencias amplias de temperatura conducen poco calor.
Diagrama de muro
1. Placa de roca de Yeso (12.5 mm)2. Barrera de vapor
3. Montante 4. Aislación Térmica de lana de vidrio 5. Placa de rigidización atornillada a la estructura (13 mm).6. Barrera impermeable al agua y al viento (no barrera de vapor) 7. Metal desplegado o malla plástica 8. Revoque proyectado
• La lana de vidrio es muy ocupada como aislante en las paredes
Coeficientes
Conductividad térmica MATERIALES
DENSIDAD
W / mkKg / m3
Aluminio 2700 204
Chapa
_ 58(ondulada metálica)
Hormigón 2400 1.63
Vidrio 2500 0.81
Ladrillo macizo 1600 0.81
Tejas (plana) _ 0.76
Yeso placas 1000 0.44
Hormigón (agr. liviano) 1000 0.36
Nieve 300 0.23
Madera (pino) 700 0.17Lana de vidrio 14 0.041
15 0.038
35 0.038
50 0.032
70 0.031
100 0.032
20 C Temperatura Norma IRAM 11601
Convección Se transfiere el calor debido a
transporte de masa debido a las diferencias en las densidades.
Los efectos de la convección se reducen llegando la cristalería con moléculas pesadas como argón, krypton o dióxido de carbono.
Una forma de disminuir el transporte por convección es evacuando al vacío.
Otra forma de aislar es utilizando un medio transparente con burbujas de gases aislantes.
Radiación La energía también se
transmite por radiación, y esta depende de la temperatura del cuerpo radiativo.
También depende la de calidad de la superficie, de acuerdo a su emisividad.
Se pueden bañar las superficies de materiales que tengan una emisividad baja.
Aplicaciones de baja temperatura para la energía solar Gran porcentaje de la energía se
ocupa para calentamiento a baja temperatura.
Existen distintas fuertes para suministrar esta energía aparte de la solar.
Calor de desecho de estaciones eléctricas, u otras industrias.
Bombas de calor Tienen la ventaja de funcionar
todo el año, a diferencia del calentamiento solar.
• Un 20% de la energía que se ocupa es residencial.
• La mayor parte de la energía residencial se usa en el calentamiento de agua, y calentamiento de interiores.
Los colectores solares planos no son tecnológicamente complejos, por lo que su margen de evolución es muy limitado. No obstante, actualmente consiguen captar en torno al 80% de la energía recibida del sol. (Compárese con el 10-15% de los paneles solares fotovoltaicos comunes actuales).
Albercas
A pesar de que no ocupan un gran porcentaje de la energía para su calentamiento debido a que no son tantas, una alberca podría ocupar un kW por cada metro cuadrado.
Podemos ocupar cualquiera de las fuentes mencionadas anteriormente para su calentamiento.
Se puede perder hasta un 70 porciento del calor obtenido debido a la evaporación. La mejor manera de evitar el efecto de enfriamiento de la evaporación es con una cubierta de plástico, que cuesta unos 50 centavos por pie cuadrado y dura hasta cinco años.
Aunque las cubiertas pueden ser molestas, ayudan a mantener al agua tibia y reducen la cantidad de agua y químicos perdidos por evaporación.
Para llevar el agua a los colectores se ocupa el sistema de filtrado de la alberca.
Calentamiento del agua doméstica Calentar el agua de la casa es una
de las aplicaciones más fuertes para calentamiento solar.
Se busca una temperatura entre unos 55 y 60 grados
El calentamiento de agua domestica puede ser de las siguientes maneras
Eléctricamente directamente con el tanque de almacenamiento.
Con gas, igual calentando al tanque de almacenamiento.
Instantaneamente mediante gas o electricidad
Los colectores solares planos funcionan aprovechando el efecto invernadero. La radiación incide sobre el vidrio (que ha de estar convenientemente orientado) el cual actúa como un filtro para ciertas longitudes de onda de la radiación, dejando pasar fundamentalmente la luz visible, y calienta la placa negra que, a su vez, se convierte en emisora de radiación en onda larga (infrarrojos), por su escasa temperatura.
El vidrio es opaco a ciertas longitudes de onda en este campo de la radiación, por lo que el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior, a pesar de las pérdidas por transmisión que sufre el vidrio (es un mal aislante térmico). El caloportador que circula por los conductos se calienta a su vez y transporta la energía térmica a donde se desee.
El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura exigida en el caloportador, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relación con la exterior), mayores serán las pérdidas por transmisión en el vidrio. También, a mayor temperatura de la placa negra (captadora) menor será la longitud de onda de su radiación y el vidrio tendrá más transparencia a ella.
Calentamiento de interiores
Se estima que el 80% del consumo energético de una vivienda se produce en forma de agua caliente a baja temperatura (calefacción y agua caliente sanitaria). De este consumo, aproximadamente el 70% se emplea en calefacción. La calefacción es por tanto uno de los grandes caballos de batalla del ahorro energético.
El gran problema, es que la etapa de más demanda está totalmente desfasada con su disponibilidad.
En México no se suele calentar interiores pero en lugares fríos desde luego que si, buscando temperaturas de 20 grados.
Variedades del sistema de calentamiento
Calentador de agua : Puede ser un sistema muy simple como un colector aproximadamente de media área de la alberca a calentar.
Invernadero : Ubicado al sur de la casa puede verse como un colector solar donde el aire es el fluido que transmite el calor.
Pared de Trombe : En vez de invernadero tenemos una pequeña pared delgada que hace circular el aire frio y lo calienta.
Ganancia directa : Los rayos atraviesan directo por las ventanas, aunque en días soleados puede ser molesto.
- Calefacción por suelo radiante. Este tipo de calefacción, es ideal para combinar con un sistema solar térmico, ya que se requiere un suministro de agua de en torno a los 50 grados centígrados.
Historia Colectores solares Robustes, montaje y orientación Espacio de calentamiento solar activo Almacenamiento de Inter estaciones y
calentamiento solar de distrito
Calentamiento solar activo
Historia Un calentador solar de agua puede ser hecho colocando un tanque de agua detrás de una ventana,. De hecho muchos de los rimeros sistemas producidos en USA en 1890 fueron similares.
El termosifón tal y como lo conocemos ahora fue patentado en 1909 por William J. Bailey. El vendió aproximadamente 4000 sistemas antes del descubrimiento de gas natural en la zona en 1920 y su bajo precio lo saco del negocio.
En Florida el negocio del calentamiento solar floreció hasta los 1940. El 80% de las casas construidas en Miami entre 1935 y 1941 tenían sistemas solares. En 1950 la industria del calentamiento solar sucumbió ante los bajos precios del combustible fósil.
Fue hasta que se elevó el precio del petróleo en 1970 que los colectores solares reaparecieron. Para el 2001 había al menos 57 millones de m2 de colectores solares instalados en el mundo.
Panales sin vidrio: Eleva la temperatura 0-10 0c. Comúnmente se usan para piscinas.
Colectores solares
Colectores planos para agua: Eleva la temperatura 0-50 0c. Son los mas comunes para calentamiento de agua domésticos, por lo regular tienen una sola capa de vidrio.
Colectores solares
Colectores planos para aire: Eleva la temperatura 0-50 0c. Se usan para calentado de habitaciones, una variante interesante es cuando se combina con un colector fotovoltaico
Colectores solares
Colectores de tubo al vacio: Eleva la temperatura 10-150 0c. Se usan para obtener vapor.
Colectores solares
Colectores concentradores en línea: Eleva la temperatura 50-150 0c. Se utilizan para generar vapor y usarlo en la generación de electricidad.
Colectores solares
Colectores concentradores de punto: mayor a 100 0c. Se utilizan para generar vapor y manejar maquinas Stirling
Colectores solares
Robustes, montaje y OrientaciónLos colectores solares son colocados en los techos por lo regular y una vez instalados ya no se desmontan. Estos deben ser fijados o anclados de manera que puedan soportar las condiciones climáticas a las que sean expuestos. También deben estar protegidos contra corrosión interna y grandes variaciones de temperatura. Por ejemplo un colector con doble vidrio, en el verano, puede llevar agua a hervir si no se disipa el calor de manera adecuada. Estos tratamientos deben hacer que el panel tenga una vida de 20 años o mas.
Espacio de calentamiento solar activoSi se colocara un gran colector con un tanque mucho mas grande, en
teoría, se podría abastecer las necesidades de todo el año.
Para comprobar esto en 1975 se construyo una casa con 36 metros cuadrados de panel con 2 tanques de 4.5m3 de capacidad y además la casa se diseño con calentamiento solar pasivo.
Solo se abasteció el 50 % de la necesidad de energía y solo una pequeña porción fue por calentamiento solar activo
Las precisiones fueron las siguientes: Para colectar suficiente energía el colector
debería de ser mucho mas grande. Si la casa estuviera mejor aislada no
necesitaría tanta energía para el calentamiento de interiores.
La conclusión de este estudio fue que no es necesario generar mucha energía si no complementar con un adecuado aislamiento y un calentamiento solar pasivo.
Se ha pensado que si un tanque de almacenamiento es lo suficientemente grande el calor del sol de verano sería aprovechado hasta el invierno. Esto es conocido como almacenamiento inter estaciones. El problema para una casa es que el volumen de agua caliente que se necesita es el mismo que el de la casa. Además el tanque de almacenamiento requiere un aislante de medio metro de grosor para retener el calor de verano a invierno, también es necesario reducir al máximo la superficie por la cual se pierde calor y esto se logra con tanques muy grandes. Esto implica que estos sistemas son viables para grandes edificios o calentamiento para distritos.
Almacenamiento Inter estaciones y calentamiento solar de distrito
Estos sistemas son viables económicamente para proyectos a gran escala por la compra de gran cantidad de colectores. Estos colectores se han instalado principalmente en Europa en países como Dinamarca, Suiza y Alemania. Para el 2002 se tenían instalados mas de 65 sistemas de 500 m2 dando un total de 110000 m2 y un estimado de 50 MW.
Esto solo es una pequeña parte del calor total anual requerido.
Historia Edificios de ganancia directa como colectores
solares Calentamiento solar pasivo contra super
aislamiento Balance de energía en las ventanas Técnicas generales de calentamiento solar pasivo Conservatorio, casas verdes y atrios Paredes Trombe Eliminación de sombras
Calentamiento solar pasivo
Todos los edificios con vidrio son calentadores solares pasivos. El arte de hacer uso del vidrio viene de los Romanos. Ellos ponían vidrio en su lugar favorito para reuniones, los baños de la casa, eran vidrios de 2m por 3m. Después de los romanos la habilidad para construir vidrios tan grandes se desvaneció por mil años. Fue hasta finales del siglo 17 que reapareció el proceso para hacer vidrios de 2 m2.
Historia
Fue hasta el siglo XIX que los planeadores urbanos utilizaron grandes ventanas con la obsesión del beneficio de la luz solar después de que se descubrió que la luz ultravioleta mataba bacterias. Pero los planeadores se dieron cuenta que los uv no atravesaban el vidrio pero se siguieron usando porque la exposición a la luz solar en invierno mantiene el balance de las hormonas en los humanos.
Esto dio pie al uso de estas construcciones para disminuir las cuentas de consumo de gas
El edificio de la escuela Wallasey es un diseño de ganancia directa. Tiene los puntos esenciales requeridos para el calentamiento solar pasivo:
Un área grande de vidrio ubicada al sur para capturar la luz del sol Construcción térmica con concreto denso lo cual permite mantener
la energía térmica captada durante el día hasta la noche Un aislante delgado en la parte exterior del edificio. Después de ser construido el sistema de calentamiento por quema
de petróleo fue encontrado innecesario y fue removido y se dejó con el calentamiento de energía solar, el calor de las lámparas incandescentes y el calor del cuerpo de los estudiantes.
Edificios de ganancia directa como colectores solares
La casa Wates que se encuentra en Gales fue una de las primera casas super aisladas, tiene una pared aislante de 450mm y pequeñas ventanas con cuatro recubrimientos de vidrio y se intentó calentar con electricidad obtenida de una turbina de viento
Calentamiento solar pasivo contra super insolación
Si se tiene una ventana ubicada hacia el sur como elemento de calentamiento pasivo, la radiación del sol entrará durante el día y en la noche el calor será transferido hacia el exterior.
Entonces la pregunta cual es el beneficio neto La temperatura promedio al interior del edificio La temperatura promedio al exterior La radiación solar disponible Las características de la transmitancia de la
ventana , su orientación y sombras
Balance de energía en la ventana
Las construcciones Deben estar bien aisladas para mantener baja la
perdida de calor Deben tener sistemas de calentamiento eficiente Deben ubicar las ventanas al sur al igual que los
cuartos mas usados y los cuartos menos usados hacia el norte
Deben evitar las sombras de otros edificios para poder aprovechar el sol de invierno
Deben ser térmicamente masivos para evitar el sobrecalentamiento en verano
Técnicas generales de calentamiento solar pasivo
Conservatorio, casas verdes y atrios
Los nuevos diseños para los edificios que aprovechan el calentamiento solar pasivo es para nuevas construcciones, sin embargo se pueden hacer algunas modificaciones a las construcciones antiguas.
Aunque no siempre son redituables estas construcciones.
Eliminación de sombras
Aplicaciones de la Fototérmica:
Aprovechamiento solar pasivo
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
A pesar de nuestra conciencia de la luz solar, raramente se construye pensando en su aprovechamiento pasivo: luz de día.
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
El diseño de las construcciones: es una combinación de los conceptos de conservación de la energía y el aprovechamiento solar pasivo.
Estos diseños se basan en:
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
1. Construcción de una sola planta
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
2. Traga-luz centrales
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
3. Traga-luz en techos
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
4. Ventanas altas
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
5.Entradas de luz particularmente en áreas de trabajo
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
El diseño sin embargo, debe tener en cuenta la prioridad del diseño luminoso sobre el diseño térmico o viceversa.
Aprovechamiento solar pasivo: luz de día
Aplicaciones de la Fototérmica:
Aprovechamiento solar activo
Aprovechamiento activo: Máquinas térmicas solares y generación de electricidad.
El aprovechamiento activo de este tipo requiere por lo general de altas temperaturas para su operación.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Un hecho importante es que si los hidrocarburos no hubiesen sido tan baratos en la década de 1920, las tecnologías de aprovechamiento solar habrían sido sumamente exitosas comenzando en los países con regiones muy soleadas.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Concentradores solares
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Los concentradores solares varían en tipo, los que concentran la luz solar en un punto y los que la concentran a lo largo de una línea.
Concentradores solares denominados “de línea”:
Captan la luz solar con espejos parabólicos largos y la concentran en una región pequeña que tiene la misma longitud del espejo.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Concentradores solares denominados “puntales”:
Captan la luz solar con espejos paraboloides y la concentran en una región puntual pequeña.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Históricamente:
El aprovechamiento solar a base de concentradores puntuales se usó para transformarlo directamente como trabajo mecánico en una imprenta de 1860 por medio de un intercambiador, por el francés Agustin Mouchot.
Su idea surgió por que se terminó su reserva de carbón.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Consideración de la termodinámica
Los limites de la operación de los concentradores solares al igual que toda maquina térmica obedecen la segunda ley de la termodinámica.
Eficiencia máxima = 1 – Tout/Tin
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Consideración de la termodinámicaConsidérese la operación de una turbina en cuyo ciclo existen colectores solares:
Las temperaturas de entrada de vapor y salida de agua son 350°C y 30°C respectivamente.
La eficiencia teórica será entonces:
1 – (23 + 273)/(350 + 273) = 51 (51%)
Sin embargo, considerando las perdidas del sistema, la eficiencia real del sistema será de 25%
aproximadamente
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Debido a la inexperiencia, los primeros sistemas solares franceses de este tipo requerían 40 metros cuadrados para generar ½ Hp de potencia.
Siguiendo los acontecimientos…
La creciente inversión en la minería en la década de1890 produjo altas producciones de carbón.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
Construyo 5 condensadores lineales de 80 x 4 m en 1913 para Egipto en 1913.
El trabajo de Frank Shuman:
En ese proyecto demostró la eficacia el sistema al producir 55 Hp de potencia.
Surgió otro proyecto de semejante a mayor escala para el Sahara de 20 000 millas cuadradas de concentración solar con la ambición de igualar los 270 millones de Hp, iguala la producción de carbón en 1909.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
La nueva era solarEl interés en las tecnologías solares se retoma hasta 1945 cuando las tecnologías fotovoltáicas fueron consideradas como una fuente de producción eléctrica viable para los nuevos satélites geoestacionarios.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías (historia)
El nacimiento de una diversidad de
aprovechamiento Fototérmico
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Torres de Potencia
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Hasta 1980 se construye la primera torre de potencia considerada como el único sistema de alta potencia (10 MW).
Torres de Potencia
Esta primera torre en Barstow California usaba aceite para transportar calor y producir vapor, hasta 1996 fue reconstruida para operar con sales fundidas y tecnología de almacenamiento logrando temperaturas de 500°C para producción eléctrica las 24 hrs.Existen ya nuevos proyectos españoles para torres de potencia que plantean usar aire súper caliente a 700°C.
Las torres de potencia de esta magnitud son aptas para proporcionar energía eléctrica a 6000 hogares ahorrando 18000 toneladas de CO2 por año.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Concentradores solares lineales
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Concentradores solares linealesEl colector solar mas reciente genera 80 MW en un área de 464 000 metros cuadrados.
Estos colectores calientan aceite a temperaturas de aproximadamente 200°C y 400°C.
El record para estos sistemas (logrado en Julio 1, 1997) es de 18% en promedio a lo largo del día con pico del 20% entre las 9 y 17 hrs.Esta eficiencia es competitiva con los sistemas fotovoltáicos.
El pensamiento actual acerca de estas plantas es combinarlas con generación de combustible fósil, lo que recupera costos mas rápidamente obteniendo mayor provecho de las turbinas.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Concentradores de plato parabólico (puntuales)
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
La diferencia del principal además de la forma del colector es que la generación es directamente en el punto de la concentración.
Los generadores de estos sistemas son principalmente de ciclo Stirling aunque también existen construidos con pequeños sistemas de vapor.Dado que algunos ciclos presentan problemas con temperaturas mayores a 700°C estos colectores con generadores Stirling aptamente diseñados pueden operar a 1000°C.La eficiencia de estos sistemas es en promedio 30% a lo largo del día.Los colectores de plato de ultima generación ya no se construyen con espejos sino que un soporte ligero con una bomba de vacío, sostiene una película delgada de una aleación de aluminio para generar el paraboloide.
Concentradores de plato parabólico (puntuales)
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
estanques solares
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Lagunas solaresLas lagunas solares son un concepto muy radical en cuanto al aprovechamiento fototérmico.
Ellas aprovechan el gradiente de salinidad de su aguas profundas como colector solar logrando temperaturas en ellas 90°C.
Estas temperaturas son bajas y debido a ello se obtienen eficiencias del 2%, sin embargo se han construido sistemas de laguna solar de 50 MW.
El manto de “agua fresca”, además de permitir la captación solar provee aislamiento en todo momento, permite que la laguna produzca energía incluso por la noche.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Conversión de la energía térmica oceánica (OTEC)
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Conversión de la energía térmica oceánica (OTEC)
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Conversión de la energía térmica oceánica (OTEC)
Este tipo de aprovechamiento utiliza el gradiente de temperaturas entre la superficie oceánica y las aguas profundas, las cuales no reciben luz solar.Esta diferencia de temperaturas puede llegar a ser de 20°C, en regiones donde se puede instalar el sistema a 1000 metros de profundidad.Una estación OTEC que produjera 10 MW necesitaría bombear cerca de 500 metros cúbicos de agua a ambas temperaturas.
Las eficiencias del OTEC son comparables a las de las lagunas solares.
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Chimeneas solares
Aprovechamiento solar activo: Diversidad de tecnologías
Chimeneas solaresLas subidas de aire en el interior de las chimeneas son usadas para impulsar una turbina que a su vez mueve un generador eléctrico.Dimensiones: un prototipo construido en Manzanares España en 1981 usaba un colector de invernadero de 240 metros de diámetro alimentando a una chimenea de 195 metros de altura.
Dado que las temperaturas alcanzadas son solo de 35°C aproximadamente, solo se puede esperar una eficiencia máxima de 1.3% en comparación con los concentradores solares las chimeneas son muy poco eficientes.
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www.cie.unam.mx
Las ER en el Consumo Energetico Global Final
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www.cie.unam.mx
Crecimiento de la capacidad anual de las ER
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www.cie.unam.mx
Sistemas de calentamiento de agua
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www.cie.unam.mx
Calentamiento de agua solar en el 2006
Calentadores Solares Instalados en México
AÑO AREA ACUMULADO
INSTALADA
m2 m2
1999 38,212 328,212
2000 44,883 373,095
2001 74,609 447,704
2002 50,911 498,615
2003 75,304 573,919
2004 68,725
642,644
2005 100,348 742,992
2006 96,694 839,686
Área de calentadores solares enMéxico por cada 1000 habitantes: 8 m2 ( 2006)
Programas de Calentadores Solares en México
• PROCALSOL de la CONAE
• Hipotecas Verdes del INFONAVIT
• Norma Ambiental del Gobierno del D.F.
• FIRCO
• Fondo Plata del Estado de Zacatecas
Programa para la Promoción de Calentadores Solares en México (PROCALSOL) CONAE
Meta
Instalar 1,800,000 m2 de calentadores solaresde agua durante el período 2008-2012
Norma Ambiental 008 del Gobierno del D.F.
CALENTAMIENTO DE AGUA
Albercas, fosas de
clavados
Otros Usos
Uso sanitario
Cocinas
Lavanderías y Tintorerías
Contribución Solar
Porcentaje del Consumo Energético Anual por utilización de agua caliente a cubrir como mínimo mediante el aprovechamiento de la energía solar
30%
Desarrollo del Mercado de Calentadores Solares para Agua en México
0100,000200,000300,000
400,000500,000600,000700,000
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Año
Supe
rfic
ie d
e C
alen
tado
res
Sola
res
para
Agu
a, m
2
Normas Mexicanas NMX
• NMX-ES-001-NORMEX 2005 ( Vigente) Rendimiento Térmico y Funcionalidad de Colectores Solares para Calentamiento de Agua. Métodos de Prueba y Etiquetado.
• NMX-ES-002-NORMEX 2007 ( Vigente) Definiciones y Terminología.
• NMX-ES-003-NORMEX 2007 (Consulta Pública) Requerimientos Mínimos para la Instalación de Sistemas Solares Térmicos para Calentamiento de Agua
• NMX-ES-004-NORMEX 2007 (Revisada) Evaluación Térmica de Sistemas Solares para Calentamiento de
Agua. Método de Prueba.
BENEFICIOS DEL USO DE SISTEMA SOLARES DE CALENTAMIENTO DE AGUA
Ahorro anual de combustibles: 60 al 85%
Tiempo de recuperación de la inversión: albercas: 18 a 30 meses uso comercial e industrial: 3 a 5 años uso doméstico: 4 a 6 años
Duración: mínima de 15 años
Mantenimiento: simple
Reducción de emisiones contaminantes
