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Diseño y Optimización de
Sistemas Termosolares
utilizando TRNSYS
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.
Energía Renovable y Protección del Medio Ambiente
Dr. Ignacio R. Martín DomínguezM. en C. Jorge A. Escobedo Bretado
Chihuahua, Chih. Octubre 27 de 2010
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 2
Introducción
La energía es un insumo básico en toda industria, comercio y edificación
La energía no puede dejarse de utilizar, ello implica dejar de funcionar
La energía tiene costo, y depende de su origen y de los procesos que la transformen para su aplicación en algún producto
Ante la escasez y aumento del costo de la energía, se requiere hacer un uso cada vez más eficiente de ella, y sustituir en lo posible el uso de fuentes fósiles por renovables
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 3
Introducción
Al ritmo con el que actualmente se consumen los
combustibles fósiles, las reservas que de ellos existen
en el planeta se agotaran en un futuro ya próximo.
La lógica más elemental nos indica que ya deberíamos
haber empezado a preocuparnos por aprender a utilizar
fuentes alternas de energía.
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 4
Introducción
La energía solar se presenta como una alternativa viable para nuestro país, ya que es abundante, está disponible en todo el territorio (aunque sólo de día) y produce un impacto ambiental mínimo.
Debido a que se puede convertir la radiación solar en calor, trabajo mecánico o electricidad, es posible utilizarla como sustituto de combustibles fósiles en casi cualquier aplicación que actualmente esté basada en ellos.
Usos de la Energía Solar
Calentamiento de agua
Calor de proceso
Enfriamiento
Desalinización
Secado
Bombeo de agua
Generación de energía eléctrica
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 5
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 6
Sistemas de Captación de Energía Solar
La energía solar tiene dos características
muy importantes que la diferencian de las
fuentes energéticas convencionales
Dispersión
Su densidad de flujo solo alcanza valores de
hasta 1000 W/m2
Intermitencia
Solo está disponible unas cuantas horas al día, a
veces más, a veces menos
Variabilidad del Recurso Solar
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 7
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 8
Variabilidad del Recurso Solar
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 9
SISTEMAS TÉRMICOS EN LA INDUSTRIA
Los Sistemas Térmicos (ST), también
llamados Sistemas de Energía ó Energéticos,
son parte integral de la mayoría de las
industrias
Los ST proveen el calentamiento,
enfriamiento y accionamiento mecánico,
necesarios para el funcionamiento de los
procesos industriales
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 10
Campo de Aplicación
Las industria en donde se puede usar energía solar para suministrar calor de proceso son, entre otras:
Alimentos
Agrícola y Forestal (secado)
Minería
Textil
Procesos químicos
Papelera
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 11
Ejemplos de Sistemas Energéticos
Industriales
Generación de vapor
Calentadores por combustión
Hornos
Secadores
Calcinación
Enfriamiento y refrigeración
Accionamiento mecánico
Compresores
Bombas
Ventiladores
Molinos
Generación eléctrica
Turbinas de vapor o gas
Cogeneración
Trenes de Intercambiadores de calor
Sistemas de recuperación de calor
Sistemas de conducción de líquidos o gases
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 12
Tecnologías de Captación Solar Disponibles
Planos
Parabólicos compuestos CPC
Canales parabólicos
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 13
Canal Parabólico
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 14
Canal Parabólico y CPC
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 15
Eficiencia de un Colector Solar
daSuministraEnergía
ÚtilEnergíaEficiencia
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 16
Eficiencia de un Colector Solar
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 17
Eficiencia de Colección
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 18
Eficiencia de Colección
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 19
Eficiencia de Colección
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 20
Disponibilidad de Energía Solar vs. Demanda del Proceso
Herramientas Computacionales
Se requiere analizar el comportamiento de
múltiples y complejos dispositivos
interconectados entre si, que comparten uno o
varios fluidos de trabajo
La disponibilidad de la fuente de energía es de
naturaleza continuamente variable
Se requiere incluir sistemas de control
Lo anterior requiere el uso forzoso de simulación
computacional en estados transitoriosDr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 21
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 22
TRNSYS en el mundo
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 23
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 24
Simulación en TRNSYS
Que es TRNSYS
Es un ambiente para la simulación de
sistemas ingenieriles en estados transitorios
Es utilizado mundialmente para la validación
de nuevos conceptos energéticos, desde
sistemas simples para el calentamiento de
agua, hasta sistemas completos para el
aprovechamiento de energías alternativas
(eólica, solar, fotovoltáica, etc.)
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 25
Que es TRNSYS
Tiene una estructura modular
El código fuente del cuerpo principal, así
como los modelos de sus componentes, es
suministrado con el programa
Cada componente se modela por separado y
se acopla a otros por medio de los valores de
sus variables de entrada y salida
Cada componente incluido en la librería ha
sido usualmente el producto de una tesis de
gradoDr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 26
Que es TRNSYS
Se ha venido desarrollando desde 1975 en la
Universidad de Wisconsin Madison
El paquete se suministra con una librería
dotada de numerosos modelos (Types)
Se comercializan librerías adicionales
Se pueden desarrollar nuevos modelos
utilizando C, C++, Pascal, Fortran o
cualquier paquete que produzca librerías DLL
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 27
Que es TRNSYS
Se puede conectar con otros paquetes para
pre- o post-proceso, tales como Excel,
Matlab, EES y otros.
El paquete consta del “motor de cálculo
principal” y de varios programas adicionales
que preparan los datos requeridos por el
motor y presentan los resultados por el
obtenidos
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 28
TRNSYS Simulation Studio
Es la interface visual, en la cual se crean los
proyectos en un espacio de trabajo
Los componentes se arrastran desde la
librería y se depositan en el área de trabajo,
en donde se interconectan entre si
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 29
Creación de un proyecto
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 30
El motor de simulación
Está programado en Fortran y compilado a
una librería DLL
Toma la información del sistema a simular y
realiza su proceso, genera archivos de
resultados
Es básicamente un “resolvedor de sistemas
de ecuaciones”
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 31
Resultados
Los resultados obtenidos pueden ser mostrados
en forma gráfica en pantalla, o enviados a archivos
de texto para su posterior análisis
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 32
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 33
Agua caliente a 45°C
De 7 a.m. a 5 p.m
Durante todo el año
Un comedor industrial que requiere:
Descripción del Problema
TiCol
ToColTiHx
ToHxColectores
Solares
Bomba
de agua
Controlador
de flujo
Tanque de
almacena-
miento
térmico
Calentador
auxiliar
Alimentación
de agua
TiCol
ToColTiHx
ToHxColectores
Solares
Bomba
de agua
Controlador
de flujo
Tanque de
almacena-
miento
térmico
Calentador
auxiliar
Alimentación
de agua
Sistema de calentamiento de agua mediante energía solar
Sistema Propuesto
Implementación en TRNSYS TiCol
ToColTiHx
ToHxColectores
Solares
Bomba
de agua
Controlador
de flujo
Tanque de
almacena-
miento
térmico
Calentador
auxiliar
Alimentación
de agua
TiCol
ToColTiHx
ToHxColectores
Solares
Bomba
de agua
Controlador
de flujo
Tanque de
almacena-
miento
térmico
Calentador
auxiliar
Alimentación
de agua
Análisis del Sistema
Número de
Colectores
FlujoL / min · Colector
Consumo de aguaL/día
4 2 1000
6 4 2000
8 6 3000
Horario de Servicio
0
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora del día
En
cen
did
o (
0, 1)
Tiempo de Servicio
Variables
Calentador Auxiliar
Gas L.P.
Eficiencia
( % )Capacidad
Calorífica (MJ / kg)
Costo
($ / kg)
47.07 9.03 80
Análisis del Sistema
Periodo de Servicio Durante el Día
Simulación en TRNSYS
365 días/año
Consumos integrados cada 15 min
Condiciones Climáticas de la
Ciudad de Chihuahua
Comportamiento horario
Comportamiento horario
1 y 2 de Agosto
Flujo por Colectores: 2 L / min por Colector
Número de Colectores: 6
Carga: 1000 L / día
Temperatura de Carga: 45°C
TAmbiente
ToCol TiHxToHx
Te
mpera
tura
(
°C
)
Radia
ció
n S
ola
r (
W /
m2
)
Radiación
SolarTiCol
1 y 2 de Agosto
Flujo por Colectores: 2 L / min por Colector
Número de Colectores: 6
Carga: 2000 L / día
Temperatura de Carga: 45°C
ToCol TiHxToHx
Te
mpera
tura
(
°C
)
Radia
ció
n S
ola
r (
W /
m2
)
Radiación
SolarTiColTAmbiente
1 y 2 de Agosto
Flujo por Colectores: 2 L / min por Colector
Número de Colectores: 6
Carga: 3000 L / día
Temperatura de Carga: 45°C
ToCol TiHxToHx
Te
mpera
tura
(
°C
)
Radia
ció
n S
ola
r (
W /
m2
)
Radiación
SolarTiColTAmbiente
*Carga: 3,000 L / dìa, *4 L / min por colector, *8 Colectores
0
25
50
75
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150
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MJ
)
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60
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lor
de
En
erg
ía (
$ /
día
)
Energía Requerida (Carga) Energía Colectada por Día
Curva Ajustada con un
Polinomio de 4to Grado
Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 44
*Carga: 3,000 L / dìa, *2 L / min por colector, *8 Colectores
0
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125
150
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lor
de
En
erg
ía (
$ )
Energía Requerida (Carga)
Energía Colectada
por los Colectores
Energía Aportada por
el Calentador Auxiliar
*Carga: 2,000 L / día, *2 L / min por colector
0
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ía (
$ )Energía Requerida (Carga)
Energía Auxiliar
Energía Colectada
*Carga: 2,000 L / día, *2 L / min por colector
0
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75
100
125
150
175
200
225
250
275
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325
3501
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$ )
QRequerido
(Carga)QCol
QHx
QCol + QHx
*Carga: 2,000 L / día, *2 L / min por colector
0
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125
150
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de
En
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$ )
QRequerido
(Carga)QCol
QHx
QCol + QHx
*Carga: 2,000 L / día, *2 L / min por colector
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QRequerid
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QHx
QCol + QHx
*Carga: 1,000 L / día, *4 L / min por colector
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de
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$ /
día
)
Promedio Diario de
Energía Colectada
Suministro de
Energía Auxiliar
Energía Requerida (Carga)
8 Colectores
8 Colectores6 Colectores
4 Colectores
4 Colectores
6 Colectores
1,000 L/día
Comportamiento Anual
Efecto del número de colectores
*Carga: 2,000 L / día, *4 L / min por colector
0
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$ /
día
)
Promedio Diario de
Energía Colectada
Suministro de
Energía Auxiliar
Energía Requerida
(Carga)8 Colectores
8 Colectores
6 Colectores
4 Colectores
6 Colectores
2,000 L/día
Comportamiento Anual
Efecto del número de colectores
*Carga: 3,000 L / día, *4 L / min por colector
0
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día
)
Promedio Diario de
Energía Colectada
Suministro de
Energía Auxiliar
Energía Requerida (Carga)
8 Colectores
8 Colectores
4 Colectores6 Colectores
3,000 L / día
Comportamiento Anual
Efecto del número de colectores
*Carga: 1,000 L / día, *4 L / min por colector
0
25
50
75
100
125
150
175
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225
250
275
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MJ )
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60
70
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Valo
r d
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( $
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ía )
Promedio Diario de
Energía Colectada
Suministro de
Energía Auxiliar
Energía Requerida (Carga)
8 Colectores
8 Colectores6 Colectores
4 Colectores
4 Colectores
6 Colectores
Aún en el caso de la mínima carga (1,000 L/día) y
mayor número de colectores instalados (8), se requiere
suministrar calor auxiliar en el periodo invernal.
Efecto del número de colectores
Caso límite
Total
Auxiliar
Total
Colectores
Q
Q
Q
QAhorro 1%100
Análisis Paramétrico
AHORRO (%)
Consumo
Colectores 1000 L/día 2000 L/día 3000 L/día
4 79.6 47.1 32.5
6 92.1 68.3 48.3
8 96.8 80.9 63.1
Total
Auxiliar
Total
Colectores
Q
Q
Q
QAhorro 1%100
Análisis Paramétrico
Resultados anuales
Se mostró, a partir de un caso de ejemplo, la evaluación técnica-
económica de un sistema que suministra CSP. Se muestra además que
es necesario el uso de un paquete de simulación numérica.
Con los resultados obtenidos en este trabajo se muestra que para
diseñar un sistema solar para calentamiento de agua se requiere contar
con información detallada del clima del lugar, las características técnicas
del equipo a utilizar (colectores, tanques), y los requerimientos precisos
del servicio esperado (temperatura del agua, consumo, horarios de uso).
Aun y cuando se tenga un elevado numero de colectores es necesario
contar con un suministro de calor auxiliar.
Con el aumento en el numero de colectores, el ahorro energético se
aproxima asintóticamente al 100%. Sin embargo el costo del sistema
aumenta simultáneamente.
Para optimizar el diseño se requiere simular también los costos, y
conocer la vida útil del sistema.
Conclusiones
El efecto del flujo en los colectores tiene muy poca relevancia
Se recomienda desarrollar corridas con un mayor numero de consumos
de agua, de colectores solares y de dimensiones del tanque de
almacenamiento térmico.
Para hacer un análisis más fino, es recomendable tomar variaciones del
consumo diario.
Dentro del trabajo futuro se incluirá un análisis de costo inicial, costo de
operación y vida útil.
Conclusiones