apuntes de máquinas (energia solar termica)

5/28/2018 Apuntes de Mquinas (Energia Solar Termica)

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MQUINAS Y EQUIPOS TRMICOSIES Estelas de Cantabria

INSTALACIONES SOLARES TRMICAS

INTRODUCCIN

La energa solar trmica consiste en el aprovechamiento de la energa procedente del Sol para transferirla a unmedio portador de calor, generalmente agua o aire.La nueva normativa del Cdigo Tcnico de la Edificacin exige una aportacin mnima que provenga del

aprovechamiento de la energa solar trmica para la disminucin de la utilizacin de energas convencionales, laaportacin afectar a todos aquellos edificios que tengan que suministrar ACS, sea cual sea su uso, y esa aportacindepender de la zona climtica en la que se encuentre el edificio.

Definiremos la energa solar trmicao energa termosolarcomo el aprovechamiento de la energa del Solpara generar calor mediante el uso de colectores o paneles solares trmicos. Esta energa solar se encarga de calentar elagua u otro tipo de fluidos a temperaturas que podrn oscilar entre 40 y 50, no debiendo superar los 80.

Este agua caliente se podr usar posteriormente para cocinar o para la produccin de agua caliente destinada alconsumo de agua domstico (ACS), ya sea agua caliente sanitaria o calefaccin.

La principal aplicacin de la energa solar trmica es la produccin de Agua Caliente Sanitaria (ACS) para elsector domstico y de servicios. El agua caliente sanitaria se usa a una temperatura de 45 C, temperatura a la que se

puede llegar fcilmente con captadores solares planos que pueden alcanzar como temperatura media 80 C. Se

considera que el porcentaje de cubrimiento del ACS anual es aproximadamente del 60 %; se habla de este porcentaje, yno superior, para que en la poca de mayor radiacin solar no sobre energa. La energa aportada por los captadoresdebe ser tal que en los meses ms favorables aporte el 100 %. El resto de las necesidades que no aportan los captadoresse obtiene de un sistema auxiliar, que habitualmente suele ser gasleo, gas o energa elctrica. Con este porcentaje decubrimiento los periodos de amortizacin son reducidos.

La energa solar trmica puede ser un complemento al sistema de calefaccin, sobre todo para sistemas queutilicen agua de aporte a menos de 60 C.

Para calefaccin con aporte solar, el sistema que mejor funciona es el de suelo radiante (circuito de tuberas porel suelo), ya que la temperatura del fluido que circula a travs de este circuito es de unos 45 C, fcilmente alcanzablemediante captadores solares. Otro sistema utilizado es el de fan-coil o aerotermos.


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Un sistema solar trmico para uso domestico consta de:

1) Captador2) Interacumulador3) Caldera4) Estacin solar5) Consumo del agua (ducha)

El funcionamiento de la captacin de energasolar trmica se basa en lo siguiente: el primer paso escaptar los rayos solares mediante colectores o panelessolares, despus a travs de este panel hacemos pasaragua u otro fluido de caractersticas similares, de estamanera una parte del calor absorbido por el panel solar estransferido al agua y de esta forma ya puede serdirectamente usada o almacenada para que hagamos uso

de l cuando lo necesitemos.

Consta de:

Sistema de captacin: formado por los elementos que reciben la radiacin solar y la transmiten al fluido quelos recorre (agua y anticongelante). Existen dos tipos fundamentales: los colectores planos y los colectores de tubos devaco.

Sistema de intercambio y acumulacin: como el consumo de ACS no siempre va a coincidir con losinstantes de mayor radiacin solar, tendremos que acumular el agua calentada para poder consumirla cuandonecesitemos. Entre los colectores y el acumulador o en el interior de ste, colocaremos un intercambiador, que traspaseel calor del fluido que circula por los paneles al agua contenido en el acumulador. Estos fluidos no se pueden mezclaren ningn caso ya que el primero est compuesto por agua y anticongelante y por tanto no es potable. Denominaremos

circuito primario al que est recorrido por el fluido que se calienta en los paneles y circuito secundario al que esrecorrido por el ACS.

Sistema de regulacin y control: est constituido por una serie de elementos que permiten el correctofuncionamiento de la instalacin y aumentan su rendimiento; podemos destacar termostatos, sondas de temperatura,termmetros, circuladores, etc. Como mnimo, en toda instalacin solar existir un termostato diferencial que mida la


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temperatura del fluido en el colector y del ACS en el acumulador, y que arranque la bomba del primario cuando latemperatura del primero sea superior a la del ACS.

Sistema de apoyo: toda instalacin de ACS debe disponer de un sistema de apoyo auxiliar, que caliente elagua hasta la temperatura elegida cuando la radiacin solar sea insuficiente. En la mayora de los casos tanto eninstalaciones en viviendas unifamiliares, como en edificios de viviendas, las instalaciones solares se disean para

proporcionar a las viviendas entre el 60-80 % del agua caliente demandada, aunque en zonas con gran insolacin a lolargo del ao, el porcentaje de aporte suele ser superior.

La energa solar trmica es idnea para la produccin de agua caliente. Instalando 2 m2 de

paneles solares en la vivienda se pueden suministrar un 60 % de las necesidades de agua caliente

sanitaria de la familia

Ventajas de la Energa Solar Trmica

Se pueden enumerar toda una serie de ventajas que nos aporta un sistema solar trmico, empezando por laseconmicas, pues para unas mismas necesidades que el sistema convencional precisar consumir menos combustible, loque representar para el usuario un menor gasto anual. Podemos continuar resaltando las ventajas medioambientales,

puesto que la generacin de energa con sistemas convencionales posee unos costes ambientales muy importantes(emisiones de CO2, cambio climtico, vertidos, residuos nucleares, lluvia cida, etc.) en relacin con los sistemassolares. Como trmino medio, un m2 de captador solar trmico es capaz de evitar cada ao la emisin a la atmsfera deuna tonelada de CO2. Y por ltimo, la larga vida til de las instalaciones solares, superiores a 25 aos, con unmantenimiento que, si bien es necesario hacer, es de mucha menor entidad que en el caso de los sistemasconvencionales.

Para edificios de viviendas se suelen instalar de media entre 1,5 y 2 m2 por vivienda dependiendo deparmetros tales como la superficie disponible, la zona geogrfica, etc. La inversin necesaria por cada metro cuadradode superficie de captacin est entre los 600 y los 900, siendo los costes de operacin y mantenimiento muy bajos.El periodo de amortizacin depende del tipo de energa convencional que sustituya: 10-12 aos en el caso del gas, y 5-6aos en el caso de energa elctrica.


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SISTEMA DE CAPTACIN

Los paneles solares operan mejor si son colocados en un lugar donde reciban luz solar plena. Pueden colocarseen el techo de una casa u oficina, sobre una estructura de soporte, montados en la fachada o sobre el terreno. Es

preferible evitar los lugares que reciben sombra (vegetacin, nieve, otros edificios, elementos constructivos, otrosmdulos, etc.), al menos durante las horas centrales del da, ya que la sombra afectar a su rendimiento.

Debido al cambio de posicin del Sol durante el ao, la inclinacin ideal de los paneles vara en funcin de lalatitud en la cual nos encontremos. Normalmente se utilizan 45 en trmica y 30 en fotovoltaica, pero la inclinacinpuede variar en funcin de la aplicacin, criterios de uso e integracin arquitectnica. En cualquier caso esrecomendable una inclinacin superior a los 15, para permitir que el agua de lluvia se escurra. La inclinacin debeaumentarse en los lugares donde nieve con frecuencia.

Del mismo modo, el sistema solar tendr un mayor rendimiento si los paneles solares estn orientados en ladireccin sur.

Aunque hay varios tipos de colectores o captadores solares, los ms utilizados son:

-Captadores planos: Son los de uso ms extendido, entreotros motivos por su menor coste en comparacin con otroscolectores. Bsicamente estn formados por un serpentn o parrilla de

tubos generalmente de cobre, por los que se hace pasar un fluido(agua+anticongelante). Este circuito est contenido en una carcasa quea su vez se asla para evitar al mximo la prdida de energa trmica.El colector posee una cubierta de vidrio que provoca el efectoinvernadero, es decir, permite que entre la radiacin solar pero no ladeja volver al exterior. Estos colectores tambin llevan en su interioruna placa absorbedora de metal ennegrecido que tiene la propiedad de absorber radiacin solar en gran cantidad yemitirla lentamente en forma de calor hacia la parrilla de tubos. Finalmente una junta logra la estanqueidad delconjunto, evitando la entrada de agua en el interior

-Captadores compactos por termosifn:Se componen de un colector plano y un depsito de agua calienteque se encuentra en la parte superior del colector.El lquido solar es transportado al depsito mediante circulacin

propia, transmitiendo el calor solar al agua sanitaria a travs de un intercambiador de calor. Este sistema no poseebomba ni regulacin automtica, ya que la circulacin se produce por la diferencia de densidad del lquido solar, que seencuentra a distinta temperatura en el flujo de ida y en el de retorno. El resultado es un sistema sumamente eficaz, querequiere poco mantenimiento.


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-Captadores de tubos de vaco: Funcionan con tubos de vaco que pueden alcanzar mayor rendimiento quelos colectores planos pues se reducen las prdidas de calor que se producen por conveccin y conduccin entre lasuperficie captadora y el cristal exterior a travs del aire existente entre ellos.

Estos captadores estn formados por un nmero determinado de tubos independientes, que se pueden colocaruno a uno acoplndolos hidrulicamente a dos colectores independientes o a un nico colector coaxial.

El agua que proviene del intercambiador llega al captador y pasa a travs del colector de retorno a los distintostubos, en stos el agua se va calentando y al final del recorrido vuelve por el colector de ida hacia la instalacin.

Conexin de los captadores

Los paneles se pueden conectar entre s de tres formas: en serie, en paralelo o mixto.

En la conexin en serie el agua atraviesa todos los colectores para realizar un ciclo, adquiriendo mayortemperatura. Los inconvenientes que se presentan son que el agua debe vencer una resistencia mayor para atravesar los


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circuitos. Adems en cada colector la temperatura del agua ira en aumento hasta llegar al ltimo colector donde seproduciran muchas prdidas de calor.

La conexin en paralelo es mucho ms efectiva puesto que la resistencia al paso del agua es mucho menor.Incluso si un colector dejara de funcionar los dems no se veran afectados.

Orientacin e inclinacin de los captadores

Los colectores solares deben tener una orientacin e inclinacin adecuada para poder recibir los rayos solaresen forma perpendicular.

Por ejemplo, si la latitud del lugar es de 38,5 los resultados son los siguientes:

En verano 18,5 En invierno 48,5 Todo el ao 34,65

SISTEMA DE INTERCAMBIO Y ACUMULACION

Ya hemos visto una configuracin habitual para instalaciones solares trmicas de produccin de ACS y entreotros elementos destaca el interacumulador, lugar donde adems de transferir la energa trmica del fluido del primarioal del secundario (ACS) se acumula este a una temperatura adecuada (aproximadamente 60 C).

En acumulaciones elevadas ( 2.000 litros) es mejor cambiar la configuracin del sistema por otra en la que elintercambiador sea exterior al acumulador, tal y como se muestra en la siguiente figura:

El principio de funcionamiento es a grosso modo el siguiente: mediante un termostato o mejor una central deregulacin se controlan simultneamente las temperaturas del agua en el acumulador y en el punto ms caliente de los

colectores (parte alta); cuando en los paneles tengamos una temperatura mayor que en el acumulador las bombasfuncionarn, y en caso contrario, permanecern en reposo.


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SISTEMA DE CONTROL Y REGULACIN

Como ya sabes, el circulador del primario es el encargado de mover el agua caliente del panel hacia elinteracumulador, para que all ceda su calor al agua de consumo. Sin embargo Qu condiciones crees que tendremosque poner al circulador para que arranque? Bastar simplemente con que la temperatura en el colector sea superior a ladel agua del acumulador?

Queda descartada la posibilidad de arrancar la bomba si T colector< Tacumulador, pues entonces enfriaramos el aguaacumulada y el panel solar trabajara como un radiador.

Para que sea posible incrementar la temperatura del agua en el acumulador debe cumplirse que Tcolector>Tacumulador, pero adems con una margen aproximado de 5 C, ya que en caso contrario la energa aportada por elcolector puede ser menor que la gastada por el circulador, o lo que es lo mismo, gastamos ms que lo que ahorramos.Para realizar ese control utilizaremos un termostato diferencial, cuyas sondas se colocarn en la salida del ltimocolector de cada fila y en la parte inferior del acumulador respectivamente.

SISTEMA AUXILIAR DE APOYO

Como se ha dicho anteriormente, toda instalacin de energa solar trmica debe disponer de un sistema deenerga convencional auxiliar para asegurar la continuidad del abastecimiento de ACS.

Este sistema, compuesto por cualquiera de los mtodos de produccin de ACS vistos anteriormente, debe ser

capaz de producir toda la cantidad de ACS que fuese necesaria, en caso de que el aporte solar sea nulo. Si la energa deapoyo fuese de origen elctrico, la cobertura solar mnima aumenta, o lo que es lo mismo, se penaliza su uso.En la siguiente figura se muestra una instalacin de produccin de ACS solar con apoyo de una caldera de

acumulacin, que puede ser de gas o gasleo, pudiendo tambin emplearse una caldera instantnea, mixta o no.Cuando se abre un grifo de ACS, el agua caliente que sale del acumulador de apoyo es repuesta por la misma cantidadde agua, que proviene del acumulador solar. Si el agua del acumulador solar est a la temperatura de consumo o a unamayor, la caldera de apoyo no arrancar; en caso contrario la caldera encender para finalizar elcalentamiento del agua, debiendo aportar slo una parte de energa.

En general, la caldera auxiliar arrancar siempre que la temperatura en el acumulador de apoyo no est a latemperatura de consumo, lo cual se detecta mediante la central de regulacin o un simple termostato de inmersincolocado en el acumulador.

Anteriormente, era habitual conectar la caldera de apoyo al mismo acumulador solar, el cual dispona de doble

serpentn, esto est actualmente prohibido ya que en algunos casos se poda producir el arranque de la caldera auxiliarsin ser necesario.


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El grfico muestra el porcentaje de la energa necesaria para el calentamiento de agua que se cubre con energa solar en

una instalacin media, por meses y el porcentaje total anual.

Se puede apreciar como en los meses de ms baja radiacin (enero, febrero, noviembre y diciembre) no se llega a cubrir el60 % de las necesidades de energa, mientras que en los meses de verano se alcanza prcticamente el 100 % de las mismas. As, elobjetivo con el que se disean las instalaciones trmicas es cubrir un mnimo de un 60 % de las necesidades energticas anuales

dependiendo de la zona geogrfica. Pretender cubrir por encima de un 60 % o 70 % anual requerira colocar un campo solar muygrande, por lo que resultara un costo sumamente elevado que no se llegara a amortizar nunca, adems de provocar en los meses

de mayor radiacin, como son los de verano, un excedente de produccin que no se podra utilizar y que provocara problemas desobrecalentamiento en toda la instalacin. Por este motivo las instalaciones que mejor funcionan y antes se rentabilizan son las que

necesitan ACS para todo el ao, calefaccin (mejor por suelo radiante) para invierno y cuentan con piscina para verano o incluso

todo el ao.

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