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Solar Termica

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Text of Solar Termica

  • ENERGIAS ALTERNATIVAS

    ENERGA SOLAR TRMICA

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

    ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA

  • a energia do dia

    CONTENIDO: Introduccin. Energa solar trmica. El colector solar. Conducciones. Almacenamiento: Acumuladores Intercambiadores. Bombas. Aislamiento. Otros elementos. Elaboracin de un proyecto sobre energasolar trmica. Clculo de la superficie colectora. Clculo de los elementos de una instalacin.

  • ENERGA SOLAR TERMICA

    INTRODUCCIN

    El uso de la radiacin solar por el hombre como fuente de energa

    requerida para la satisfaccin de necesidades diversas es una practica

    que tal vez tiene su misma edad. Han transcurrido miles y miles de aos y

    el sol sigue tan intenso y seguira asi por algunos millones de aos ms.

    La utilidad energtica de la radiacin solar ya no es solo una esperanza o

    una posibilidad. Es una realidad que va mucho ms all de la

    conveniencia de su uso. Es ahora una nececidad imperiosa para

    contribuir con el desarrollo de nuestros pueblos por que su uso no genera

    contaminacin ambiental, existe en todos los lugares de la tierra y no se

    agotara antes que el hombre desarrollo un sistema global de suministro

    energtico limpio y sostenible.

    El complemento de esta realidad es la tecnologa uno de cuyos

    componentes de importancia singular es el equipamiento o artefacto a

    travs del cual esperamos aprovechar esta fuente inagotable de energa

  • ENERGA SOLAR TERMICA

    CONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR

    Hoy por hoy son muchas y muy variadas las alternativas el uso de laES., la fig., 1 muestra y precisa el marco general de esta opcintecnolgica, dentro de las que se ubican los sistemas trmicos debaja temperatura.

  • CONVERSIN DE LA ENERGACONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR

    FOTOTRMICA FOTOQUMICA FOTOVOLTAICA

    CALOR ELECTRICIDADALMACENAMIENTO TRMICO

    ENERGA QUIMICA

    CELDA SOLARCOLECTOR SOLAR

    CONVERSINTERMOELCTRICA

    MOTOR A CALOR

    CONVERSIN TERMOINICA

    REACTOR SOLAR

  • ENERGA SOLAR TERMICA

    La energa trmica o calorfica, conocida como calor es unaforma particular de la energa, est relacionado con elmovimiento mas o menos desordenado de las partculasque componen los cuerpos materiales.

    Para evaluar la cantidad de energa trmica que un cuerpopuede ser capaz de transferir a otro se introduce elconcepto de temperatura, que es una magnitud asociada acada estado de un cuerpo tal que la igualdad de esta parados cuerpos es condicin necesaria y suficiente para queentre ellos no se produzca en forma natural transferencia deenerga trmica.

    El calor se manifiesta, pues, nicamente cuando existe unadiferencia de temperatura entre dos cuerpos, es decir, unadiferencia de su nivel trmico

    ENERGA SOLAR TRMICA

  • COLECTORES SOLARES

    EL COLECTOR SOLAR PLANO

    CORTE TRANSVERSAL DEL COLECTOR PLANO

    Avidro=Aabsoro perdas elevadas

    Grande ngulo de aceitao colector estacionrio

    Capta radiao directa e difusa

    Temperaturas < 50C

  • COLECTOR SOLAR PLANO DE TUBOS DE VACOTUBOS DE VCUO

    Absorvedor em vcuo perdas baixas

    Grande ngulo de aceitao colector estacionrio

    Capta radiao directa e difusa

    Temperaturas > 50C

    COLECTORES SOLARES

  • COLECTORES SOLARES

    CONCENTRADOR

    Acaptao >> Aabsoro concentrador

    ngulo de aceitao ~1 Seguir o Sol

    Capta apenas radiao directa

    Temperaturas > 200C

  • COLECTORES SOLARES

    COLECTOR PLANO CPC (Concentrador Parablico Composto)

    1. Perfil de alumnio anodizado;2. Vedante de borracha E.P.D.M.;3. Isolamento em poliuretano expandido

    livre de CFCs; 4. Alheta selectiva em ambas as faces;5. Chapa de poliestireno; 6. Vidro temperado c/ 3 mm de espessura;7. Tubo de cobre 22mm; 8. Alumnio espelhado de alta reflectividade;

  • COLECTORES SOLARES

    vidroabsorvedor

    isolamento

    caixa

    Avidro > Aabsoro Concentrador

    ngulo de aceitao amploSegue o Sol

    Capta radiao directa e difusa

    Temperaturas at 100C

    Grelha

    menor rea => menor factor de perdas trmicas (w/m2.C)

    Superfcie selectiva (ambas as faces)

    Coeficiente de emisso muito baixo

    Coeficiente de absoro muito elevado

  • RENDIMIENTO DE COLECTORES

    RECTA DE RENDIMENTO

    Temp. ambiente = 25C;

    Irradiao Global horizontal = 1000 W/m2;

    0%

    10%

    20%

    30%

    40%

    50%

    60%

    70%

    80%

    90%

    100%

    25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165 175 185 195

    Tfpreto bao s/ cobertura preto bao c/ cobertura

    selectivo CPC

    piscinas, estufas

    AQS, pr-aquecimento industrial

    pr-aquecimento industrial, frio

  • FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR

    TIPO DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS

    Transferncia de energia utilizando a circulao natural do fluido (pela diferena de densidade);

    Dispensa sistema de controlo;

    Dispensa sistema de bombagem;

    Transferncia de energia utilizando a circulao forada (bomba circuladora);

    Necessita de sistema de controlo;

    Necessita de sistema de bombagem;

  • INCLINACION DE LOS COLECTORES

    CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO

    Vero

    Inverno

    Vero (hotis de temporada) Lat - 15

    Utilizao Inclinao

    Anual (domstico, outra no sazonal) Lat (15 50) 5

    Inverno (aquecimento) Lat + 15

  • POSICIN DE LOS COLECTORES

    CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO

    O posicionamento dos colectores determina a quantidade de radiao solar aproveitvel ao longo do perodo de utilizao anual.

    A orientao que maximiza a quantidade de radiao aproveitvel coincide com o Norte geogrfico.

    OE

    S

    N5

    N magntico

  • CAMPO DE COLECTORES - SOMBRAS

    Determinao das zonas de sombreamento ao longo do ano:

    E

    O

    S

    N

    as = -15 50

    as = -5

    h = 10

    ZONAS DE SOMBREAMIENTO

  • As projeces estereogrficas permitem determinar zonas de sombreamento ao longo do ano:

    PROYECCIONES ESTEREOGRFICAS

    Puno: lat aprox. 16

    -40

    35

    h < 11

    -16 < as < -5

    E

    N

    0

    -15

  • POSICIN DEL SOL

    DIAGRAMA SOLAR PARA PUNO

    Para conocer cul es la

    posicin del sol en cada

    instante es necesario y

    suficiente conocer cuanto

    valen las coordenadas

    que la definen como son

    su azimut y su altura.

    Estos ngulos dependen

    de la latitud, la hora y el

    da del ao.

  • CAMPO DE COLECTORES DISTANCIA ENTRE FILAS

    A distancia entre filas de colectores deve garantir que s 12:00 horas solares do dia mais desfavorvel (21 de Dezembro) a sombra da aresta superior duma fila tem que projectar-se, no limite, sobre a aresta inferior da fila seguinte.

    zh0

    d1 d2

    d

    Lh0 = ( 90 - lat ) - 23.5

    d = d1 + d2

    Solstcio de Inverno

    = z / tan h0 + z / tan b

    d = L (sen b / tan h0 + cos b)

    POSICIN DEL SOL

  • ACUMULAO SOLAR

    O carcter no permanente do recurso solar torna imprescindvel a utilizao de um equipamento para acumulao da energia recolhida ao longo de um perodo, regra geral, dirio: o depsito, que dever assegurar:

    Reduzidas perdas trmicas;

    Volume adequado;

    Temperatura de utilizao adequada;

    Rpida resposta ao consumo;

    Boa integrao no edifcio;

    Baixo custo;

    Longa durao;

    Segurana;

    TANQUE DE ALMACENAMIENTO

  • PERMUTADORES DE CALOR

    PERMUTADOR DE CAMISA PERMUTADOR DE SERPENTINA

    Nas aplicaes relacionadas com a energia solar trmica, recomenda-se uma potncia de permuta de 750 W/m2 de colector.

    Apresenta baixa eficcia (0,35);

    Utilizado para pequenos volumes;

    Apresenta mdia eficcia (0,55);

    Utilizado para pequenos e mdios volumes;

    INTERCAMBIADOR DE CALOR

  • PERMUTADOR DE PLACAS Apresenta a maior eficcia (0.75);

    Utilizado em mdios/grandes volumes;

    So modulveis podendo acrescentar-se placas consoante necessidades futuras;

    Na utilizao em piscinas dever escolher-se um permutador de material resistente corroso causada pelo tratamento da gua.

    No esquecer que necessitam de isolamento trmico;

    Possibilidade de limpeza (placas desmontveis);

    Perda de carga mais elevada;

    INTERCAMBIADOR DE CALOR

  • BOMBAS CIRCULADORAS

    BOMBAS PARA CIRCULACION FORZADA

  • CONTROLO

    CD

    T1

    T2

    I/O

    DT arranque

    DT paragem

    T1 T2 2 C

    T1 T2 5 C

    CONTROL DE BOMBA

  • FLUIDO DO CIRCUITO PRIMRIO

    Mistura de gua com anti-congelante;

    No txico;

    Propriedades anti-corrosivas;

    ANTICONGELANTE Y ANTICORROSIVOS

  • ESQUEMA UNIFILAR

    CD

    utilizao

    1

    2

    3

    4 5

    5

    5

    6

    6

    7 7

    7

    7

    7

    7

    8

    9

    5

    ELEMENTOS PARA CIRCULACIN FORZADA

  • Purgador Solar

    ACESSRIOS

    Vlvula de corte p/ purgador

    Separador de micro-bolhas

    Misturadora termosttica

    Vlvula de segurana Vlvula de corte com reteno Vaso de expanso

    EQUIPOS Y ACCESORIOS

  • INTRODUCCIN GENERAL

    DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR

    SOLAR PLANO CPC

    Colectores de Concentracin

    El principio es el de concentrar mediante procedimientospticos, la energa que irradia el sol entra al colectorconcentrador, a travs de una superficie determinada esreflejada, refractada o absorbida por una supercie menor,para luego ser transformada en energa trmica.

    La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo lareduccin de las prdidas trmicas en el receptor, pues al serste de menor supercie habr menos rea para la radiacindel calor y por lo tanto el lquido que circula por el receptorpuede calentarse a mayores temperaturas con unrendimiento razonable.

  • INTRODUCCIN GENERAL

    DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR

    SOLAR PLANO CPC

    Las reflexiones y refracciones extras de la radiacin solarhacen aumentar las prdidas pticas y entonces las curvasrepresentativas del rendimiento, parten de ordenadas en elorigen menores que las de un colector plano, pero no tienenla pendiente pronunciada, caracterstica de estos ltimos .

    Tipos de Colectores ConcentradoresSe clasifican en dos categoras bsicas:

    a. Los de enfoque:

    b. Los fijos o semijos:

  • INTRODUCCIN GENERAL

    Los de enfoque: Los concentradores de enfoque constanfundamentalmente de tres partes: el concentrador o sistema

    ptico, el receptor donde se encuentra el receptor

    (absorbedor) y un mecanismo de seguimiento para el sol y

    con ellos se puede lograr altas temperaturas en el

    absorbedor

    Los fijos o semijos: Tienen las mismas partes que de los deenfoque con la nica diferencia que estos no poseen un

    mecanismo de seguimiento, estos concentradores son

    estacionarios, con algunas variaciones.

    Y a su vez estos concentradores son de foco lineal (2D) y

    foco puntual (3D).

  • INTRODUCCIN GENERAL

    COMPONENTES

    PRINCIPALES :

    - Reflector cilndrico

    parablico

    - Tubo absorbente

    - Sistema de seguimiento

    del sol

    - Estructura metlica

    COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE DE FOCO LINEAL (CCP)

  • INTRODUCCIN GENERALCOLECTORES SOLARES FIJOS Y SEMIFIJOS DE

    FOCO LINEAL (CPCs)

    COMPONENTES

    PRINCIPALES :

    - Reflector parablico

    compuesto

    - Receptor (absorbedor)

    - Sistema estacionario

    - Estructura metlica

    reflectores

    receptor

    estructura

    reflectores

    caja

    estructura

    receptores

  • INTRODUCCIN GENERAL

    COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE (FOCO PUNTUAL)

    COMPONENTES

    PRINCIPALES :

    - Reflector paraboloide

    - Receptor puntual

    - Sistema de seguimiento

    del sol

    - Estructura metlica

    receptorreflector

    estructura

  • INTRODUCCIN GENERALTipos de Receptores en los Concentradores

    Los de foco lineal: Son aquellos concentradores diseados en dos

    dimensiones (2D), que tienen su foco

    (receptor) lineal, estos pueden ser

    con seguimiento y sin seguimiento.

    Los de foco puntual: Son aquellos concentradores diseados

    en tres dimensiones (3D), que tienen

    su foco (receptor) puntual, estos son

    con seguimiento.

  • CLASIFICACION DE LA RAZON DE CONCENTRACION

    Razn de concentracin mxima terica (Cmax): Se

    establecen los lmites superiores para la razn de concentracin

    en sistema 2D.

    Cmax = 1/sen

    Razn de concentracin geomtrica (Cg): Viene ha ser la

    relacin del rea de captacin (Ac) entre el rea del receptor (Ar)

    en 2D.

    Cg = Ac/Ar

    Razn de concentracin ptica de concentracin

    (Copt_conc): Es la razn del nmero de rayos que inciden y el

    nmero de rayos absorbidos en el receptor.

    Cg = N rayos que inciden/N rayos absorbidos

  • Colector tipo CPC Colector Plano

    Ar < Ac Ar = Ac

    Prd. trm. proporcional a Ar Prd. trm. proporcional a Ar

    C > 1 C = 1

    Capta radiacin difusa Capta radiacin difusa

    Temp. ms elevadas Temp. menos elevadas

    Menor peso, Para una misma rea Mayor peso de aceptacin

    95Lt/m2 60Lt/m2

    varias aplicaciones pocas aplicaciones

    Menor ngulo Mayor ngulo

    Fijo, semifijo, seguimiento Fijo

    COMPARACION ENTRE COLECTOR CPC Y PLANO

  • Concepcin de Diseo del Perfil CPCEl diseo del colector tipo CPC en 2D, conocido tambin como

    colector de Winston.

    Basado en un principio de diseo general por aumentar al

    mximo la razn de concentracin C, para la radiacin dentro

    de un ngulo medio de aceptacin dado +- .

    El CPC concentra la radiacin solar de una forma ideal mxima,

    esto es, en los lmites permitidos por las leyes de la Fsica

    (reflexin, refraccin), es decir la razn de concentracin (C),

    de un concentrador en 2D, tambin est en funcin del

    semiangulo de aceptacin (), entonces para un CPC:

    DISEO DEL PERFIL CPC

    C =1/Sen=Ac/Ar.

  • ECUACIONES BSICAS PARA DETERMINAR EL PERFIL DEL CPC

    Ecuacin Polar del Crculo (Envolvente)

    rSenY

    rCosX

    Geometra y Ecuacin de la Parbola

    2/1cos1

    22sen

    ffr

  • a energia do dia

    2/1cos1

    22sen

    ffr

    Una forma paramtrica ms compacta usando la ecuacin polar

    de la parbola

    senasenfsen

    x cos1

    )(2 max

    coscos1

    )(cos2 max asenf

    y

  • a energia do dia

    )1( maxsenaf

    1)3)(1()2(cos2

    )1(2)cos(

    maxmax

    2

    maxmax

    2

    max

    2

    maxmax

    sensenaysena

    xsenaysenx

    cos1

    )(2 max afsen

    x

    Por rotacin de ejes y traslacin del origen se obtiene la

    ecuacin de la seccin meridiana de la parbola del CPC. En

    trminos del dimetro 2a de la abertura de salida y elsemingulo de aceptancin ().

    cos1

    )cos(2 maxfy

  • EL PRINCIPIO DE LOS RAYOS DE BORDE

    Denominado tambin principio de rayos extremos, con razn de

    concentracin que se acerca al valor terico mximo, para el CPC

    2D. da el cual hace que todos los rayos del ngulo de la entrada

    extremo cae sobre el borde del receptor, es decir que los rayos

    entran al ngulo mximo 2 que sern tangentes a la superficiedel receptor (absorbedor) despus de una reflexin.

    Los Concentradores los cuales pueden disearse para satisfacer

    este principio alcanzan o muy estrechamente se aproximan a la

    concentracin permisible mxima (Cmax) para un campo angular.

    FORMA BSICA DEL CPC

  • a energia do dia

    A

    B CC

    Curva circular (envolvente)

    con centro en el punto CC

    Curva parabolica

    con foco en el punto CC

    y con eje focal inclinado

    grados

    Curva parabolica

    con foco en el punto A

    y con eje focal inclinado

    grados

    Curva parabolica truncada

    con foco en el punto B

    y con eje focal inclinado

    grados

    Angulo de

    aceptacin

    Rayos extremos (o de borde)

    siempre que >

  • FORMULAS PARA EL TRUNCAMIENTO DEL CPC

    Si nosotros truncramos el CPC quitando parte de la abertura

    final de entrada, nosotros obtenemos una reduccin considerable

    en la altura del CPC, reducindose la razn de concentracin

    mxima terica (Cmax), mnimamente entonces esta reduccin

    de la altura, es compensado

    econmicamente por el ahorro en la plancha de receptor.

    Por tanto las relaciones deseadas en trminos del sistema de

    coordenadas polares (r, ) para diseo en geometra 2D.

    2

    12a

    sen

    senfa

    T

    iTT

    2

    1

    cos

    2

    a

    sen

    fh

    T

    iT

    T

    Ancho de truncamiento:

    Altura de truncamiento:

  • max

    min

    )1('21arccos

    r

    sena

    Angulo de coordenada polar mnimo:

    Distancia del foco Q a un punto P del concentrador

    Distancia del foco Q a un punto Pmax. del concentrador

    T

    iTT

    sen

    fL

    2

    1

    )cos(

    2

    cos1

    )1('2 senar

    sen

    aar

    )'(max

    Longitud de truncamiento del reflector:

  • Diseo del Perfil CPC

    Los clsicos diseos de rayos extremos, exigen al reflector y

    receptor estar juntos. Sin embargo, esto puede ser indeseable

    por las razones prcticas tal como la necesidad de aislar el

    receptor trmicamente de sus alrededores (espejos reflectores),

    es decir que provocara un deterioro prematuro del receptor por

    las altas temperaturas alcanzadas en el receptor.

    En los diseos se han encontrado vacos entre el receptor y el

    reflector, que permiten aislar esto . El diseo depende de la

    forma del receptor que se elija. De tal manera es posible disear

    una ptica ideal (2D), para cualquier tipo de receptor. En este

    caso los clculos se inician a partir de un receptor de seccin

    triangular que ser el receptor ideal.

    El criterio ms importante para el diseo del colector CPC en

    (2D), es escoger un ngulo de aceptacin, de tal forma que se

    garantice que luego de orientado hacia el sol no necesite

    reorientacin.

  • Parmetros de Clculo para el Diseo del CPC

    Replanteando las ideas anteriores debemos

    seleccionar un CPC que tenga una razn de

    concentracin mxima ideal (Cmax), que este

    dentro del lmite (1 < C < 2), de tal manera que no

    requiera seguimiento durante el da, mayor ngulo

    de aceptacin posible y que sea truncada a una

    altura tal que se logre usar menos reflectores. La

    razn de concentracin es inversamente

    proporcional al ngulo de aceptacin por lo tanto

    debemos buscar un punto de equilibrio. Para

    disear el perfil del CPC, se ha implementado un

    programa informtico (CPC-nonimaging),

    desarrollado en el software MATHEMATICA.

  • Seleccin del receptor comercial circular.

    El receptor circular debe ser lo mas pequeo posible de manera

    que no disminuya la capacidad trmica del mismo, porque a

    mayor tamao de receptor mayor perdida por conveccin y

    radiacin y la vez la concentracin ptica disminuye.

    Se selecciona tubera de cobre de 1/2", comercial.

    Ingreso de parmetros de clculo.

  • Secuencia del Trazado de las Curvas del Perfil CPC

    Primero: receptor ideal y real

  • Segundo

    Tercero

    Porcin de curva circular (envolvente)

    Primera porcin de parbola.

  • a energia do dia

    Quinto

    Cuarto

    Tercera porcin de parbola con receptor

    ideal

    Segunda porcin de parbola con receptor

    ideal

  • Sexto: Perfil CPC truncado final ideal

  • Stimo: Perfil del CPC truncado con receptor circular con aletas

  • Resultado de parmetros de clculo.

    Ejemplo de clculo de diseo del perfil CPC.

  • Reflectores de

    aluminio

    Receptor circular

    con aletas

    LCPC

    Ancho de entrada

    Ancho de receptorhT

    Distancia de reflector

    a receptor

    LT

    Esquema isomtrico y de frente del CPC

  • a energia do diaDimensiones del clculo correspondiente al procesode diseo del colector CPC, en mm.

  • Ingreso de parmetros para el Ray-tracing

    Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos

    Angulo de barrido significa el ngulo en la cual el programa

    simula que los rayos solares inciden en el colector. Por ejemplo

    si el ngulo de aceptacin de un colector es de 30, el

    programa simula que los rayos inciden en este con un ngulo

    menor, por ejemplo 29, 20, etc.,

    y calcula el total de rayos que inciden en el receptor entre el

    total de rayos que ingresan al CPC, que seria la efic. Opt. De

    concentracin.

  • Si el receptor es ideal este valor seria 100%, pero cuando

    uno cambia la forma del receptor este valor varia, y se tiene

    que tener en cuenta que este debe ser lo mas pequeo

    posible de manera que no disminuya la capacidad trmica

    del mismo, porque a mayor tamao de receptor mayor

    perdida por conveccin y radiacin y la vez la

    concentracin ptica disminuye.

    Si al cambiar la forma del receptor se incrementa la

    eficiencia ptica significa que el receptor a crecido, uno

    puede incrementar tanto como quiera hasta que la

    eficiencia ptica sea siempre 100%, pero se pierde

    eficiencia trmica.

    Cont. Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos

  • Simulacin del trazo de rayos para el receptor ideal y real.

    ngulo de incidencia 30

    ngulo de incidencia 15

  • ngulo de incidencia 0

  • ngulo de incidencia 30

    ngulo de incidencia 15

  • Simulacin del trazo de rayos para el receptor real.

    ngulo de incidencia 30

    ngulo de incidencia 15

  • ngulo de incidencia 0

  • ngulo de incidencia 15

    ngulo de incidencia 30

  • Terminado la secuencia del Ray-tracing, se obtienen losresultados de la razn de concentracin ptica y laeficiencia ptica de concentracin del CPC ideal y real(receptor circular con aletas)

  • DIMENSIONAMIENTO Y CONSTRUCCIN DEL

    COLECTOR SOLAR (CPC)

    RECEPTOR

    En este modelo, el receptor del colector esta formado por

    tres tuberas con aletas cuyo esquema general se muestra

    en la figura siguiente.