FUENTES DE ENERGÍAS NUEVAS RENOVABLES

SEM 5: ENERGIA SOLAR TÉRMICA

1. Energía solar térmica. Características de la radiación solar.

2. Captadores Solares Térmicos, tipos.

3. Captadores Solares Planos, principios y características. Curvas de rendimientos, tipos de conexiones.

4. Sistema solar térmico. Componentes y tipos.

5. Otras Aplicaciones de la Solar Térmica

1. ENERGÍA SOLAR TERMICA

La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento directo de la radiación solar incidente, mediante la captura de la misma por los colectores o captadores, y transferida por un fluido en forma de calor a un sistema de almacenaje para su posterior utilización.

El principio básico común a todos los sistemas solares térmicos es simple: la radiación solar es captada y el calor se transfiere a un medio portador de calor, generalmente un fluido (agua o aire).

1. ENERGÍA SOLAR TÉRMICACaracterísticas de la radiación solar

1.La constante solar.

2.El Espectro solar.

3.Distribución de la Energía solar en la tierra

4.Cinemática solarPosición de la tierra respecto al sol.Ángulos básicos (azimut solar, altura solar y ángulo cenital).Latitud y longitud terrestres

5.Descripción del movimiento solarDescripción del movimiento solar diario.Descripción del movimiento solar anual.Descripción de la evolución de las sombras.Representación de la sombras en una instalación solar

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

Captadores o colectores solares térmicos.

El captador es el elemento básico de la instalación solar para el aprovechamiento térmico de la radiación, que se encarga de capturar la energía del sol e incorporarla en el sistema en forma de calor.

Se han diseñado distintas y avanzadas versiones de colectores solares térmicos con el objetivo de incrementar la cantidad de energía absorbida y disminuir las pérdidas. Los más comunes son los colectores planos, que utilizan como fluido el agua.

La mayoría de colectores solares planos son colectores con vidrio, aunque también los hay sin él. En la actualidad también se comercializan colectores solares tubulares de vacío, con los que se consiguen temperaturas mas elevadas. Existen otro tipo de colectores que utilizan aire como fluido.

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

Tipos de captadores solares térmicos.

Podemos diferenciar dos tipos principales de captadores en el mercado:

lLos captadores planos o de placa plana.

lLos captadores de concentración de la radiación: tubos de vacío, cilíndricos, parabólicos o del tipo CPC, que incorporen reflectores concentradores.

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOTipos de captadores solares térmicos.

En la actualidad existen tres grandes grupos de colectores solares en función de la temperatura a la que sean capaces de calentar el fluido:

1.Captadores de baja temperatura, el captador solar plano para calentamiento de agua y calentamiento de aire. Se obtienen temperaturas de 60 a 90 ºC (< a 100 ºC).

2.Captadores de media temperatura, con sistemas tipo canal parabólico para enfocar la radiación solar directa sobre un tubo largo que corre a lo largo de su foco y que conduce al fluido de trabajo, el cual pude alcanzar temperaturas entre 150 y 400 ºC. (Termosolar: generación de electricidad)

3.Captadores de alta temperatura, son reflectores parabólicos o lentes construidas con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a niveles altos de temperatura. Se obtienen temperaturas > a 450 ºC.

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOCaptadores de baja temperatura

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOCaptadores de media temperatura

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOCaptadores de media temperatura. TERMOSOLAR

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOCaptadores de alta temperatura.

2. CAPTADOR SOLAR TÉRMICOCentrales solares de torre

Las centrales solares de torre constan de centenares o miles de espejos planos (helióstatos) que concentran la luz solar en un punto de la torre, donde se sitúa una caldera para calentar el fluido (agua, aire, metal líquido o sal fundida) que acciona la turbina mediante un ciclo de vapor.

En la actualidad se están investigado sistemas avanzados que calientan aire a presión para inyectarlo en un turbina de gas de ciclo combinado

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Captadores Solares Planos

El captador solar plano tiene la mejor relación de costo/efectividad para nuestro clima.

Se adapta a muchas aplicaciones:

Calentamiento de agua sanitaria.

Climatización de piscinas.

Soporte para calefacción de viviendas.

Precalentamiento de fluidos industriales, etc.).

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Captadores o colectores solares de placa plana.

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Principios físicos del Captador Solar Plano

Los cuerpos transparentesEl cuerpo negro o absorbedorEmisión de radiación de los cuerposEl aislamientoEl Efecto invernadero

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Normalmente los cuerpos transparentes (vidrio, plásticos, etc.), lo son para radiaciones con longitud de onda entre 0,3 y 3 μm (1 μm = 10–6 m).

La mayor radiación solar está comprendida entre 0,3 y 2,4 μm, por ello pasa a través del vidrio.

Los cuerpos transparentes

Son aquellos cuerpos donde predomina el componente de radiación que atraviesa, absorbiendo muy poca radiación.

2. CAPTADOR SOLAR PLANO El espectro solar.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOEl cuerpo negro (el absorbedor)

Otro principio físico que permite el funcionamiento de un captador solar es la eficiencia de superficies oscuras como captadores de energía de la radiación solar.La radiación que ha atravesado el vidrio de la cubierta impacta en el absorbedor.

Esta formado de una superficie metálica que permite el intercambio de calor hacia el agua que circula internamente.

Habrá una mejor captación evitando radiación por reflexión, al ser esta superficie de color negro y textura mate.

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Emisión

La emisión de la radiación en un cuerpo oscuro esta en función de la temperatura

3. CAPTADOR SOLAR PLANOAbsorbentes selectivosEstán formados por un metal pulido que hace de sustrato para tener una baja emisividad en IR por sobre los 2 µm. Se logra con la deposición de pequeñas partículas que presentan una alta absorción (α) de la radiación visible e IR y una baja emisividad (ε) de IR.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOEl aislamiento

El tercer de los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de los captadores es el aislamiento del conjunto respecto del exterior, formado normalmente por un revestimiento interno de la caja o carcasa.

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

El efecto invernadero

Cuando la radiación electromagnética incide sobre un cuerpo, ésta puede ser total o parcialmente absorbida, otra parte podrá ser reflejada y una última atraviesa el cuerpo. La energía que contiene la radiación que es absorbida hace que el cuerpo oscuro se caliente y emita a su vez radiación, con una mayor longitud de onda.

La mayor parte de la radiación solar está comprendida entre 0,3 y 3 µm de longitud de onda, la transparencia del vidrio permite que un 80 a 90% de luz atraviese sin problema alguno. Una pequeña parte se reflejará en su superficie y otra será absorbida en su interior, dependiendo del espesor del mismo.

Luego de atravesar el vidrio, la radiación llega a la superficie del absorbedor, el cual se calienta y emite a su vez radiación con una longitud de onda más o menos comprendida entre 4,5 y 7,2 µm, para la cual el vidrio es opaco e impermeable.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOEl efecto invernadero

3. CAPTADOR SOLAR PLANOEl efecto invernadero

3. CAPTADOR SOLAR PLANOComponentes de un Captador Solar Plano

El captador solar plano con cubierta de vidrio es el más empleado y esta formado por los siguientes elementos :

1.Absorbedor, es el elemento que captura la radiación solar al interior del captador. Está formado por una parrilla de tubos con aletas de plancha de cobre.

2.Cobertura transparente, permite aislar el captador de las condiciones medio ambientales externas, dejando pasar solo la radiación solar y provocar el efecto invernadero. Formada por una lámina de vidrio atemperada (más resistente al calor) y bajo contenido en hierro (más transparente) con un espesor de 4 mm.

3.Aislamiento, permite evitar pérdidas de calor desde el interior del captador hacia el exterior, formado de espumas sintéticas (poliuretano, fibra de vidrio, etc.) situados en los costados y la parte posterior del colector.

4.Caja o carcasa, formada de una plancha de acero galvanizado o plástico y un perfil de aluminio anonizado, debe ser hermética y contener los componentes mencionados anteriormente.

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Captadores Solares Planos

Según las dimensiones se distinguen dos tipos de captadores, con las siguientes diferencias:

1.Vertical, favorece la circulación del agua por el interior del captador, con una mayor estratificación, implica un mayor incremento de temperatura y buen rendimiento.

2.Horizontal, permite integrar mejor los captadores a algunas tipologías de edificios, a costa de un rendimiento ligeramente inferior.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOFuncionamiento de un Captador Solar Plano: Curvas de rendimientos

El gráfico de rendimiento de un captador plano se basa en un modelo matemático simplificado, correspondiente a una línea recta.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOCurva de rendimiento de un Captador Solar Plano

Donde:

η: Rendimiento expresado en tanto por uno.

b.Factor de ganancia del captador (valor adimensional), parámetro afectado por un coeficiente 0,94, que corrige el efecto de la variación del ángulo de incidencia de la radiación solar sobre el captador a lo largo del día y la suciedad de la cubierta. El valor de 0,94b se denomina transmitancia y da idea de la eficiencia de captación de radiación solar por el captador.

m.Pendiente de la recta y representa el factor de pérdidas térmicas del captador (W/m2 ºC)

tm: Temperatura media del captador (ºC).

ta: Temperatura ambiente media diaria (ºC).I: Radiación solar media diaria (W/m2)

3. CAPTADOR SOLAR PLANOCurvas de rendimiento de Captador Solar Plano Los fabricantes indican el rendimiento o la eficiencia de los captadores de forma gráfica, a partir de los valores de trabajo de la temperatura del captador y de la temperatura del medio ambiente.

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

Orientación e inclinación de los Captadores Solares Planos

Los captadores solares han de montarse para aprovechar al máximo la radiación solar, por lo que se orientarán hacia el norte geográfico (al encontrarnos en el hemisferio sur) y una inclinación de ± 5º a la latitud del lugar, dependiendo del uso previsto de la instalación:Durante todo el año regularmente: inclinación corresponde a latitud. Durante el verano (ACS, piscinas): inclinación corresponde a latitud – 5º. Durante el invierno (ACS, calefacción): inclinación corresponde a latitud + 5º

Se debe procurar que la radiación solar incida perpendicularmente sobre la superficie del captador al mediodía solar

3. CAPTADOR SOLAR PLANO

3. CAPTADOR SOLAR PLANOTipos de conexión de captadores

1. Conexión en serie

Se utiliza en aplicaciones muy particulares y en ningún caso se habrán de conectar más de 3 colectores en serie.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOTipos de conexión de captadores

2. Conexión en paralelo

La conexión en paralelo es la más habitual en las instalaciones solares térmicas.

3. CAPTADOR SOLAR PLANOTipos de conexión de captadores

3. Conexión mixta de captadores

En algunos casos, el volumen de los captadores y/o la necesidad de temperaturas más elevadas, permite realizar instalaciones combinadas o mixtas.

Estas instalaciones pueden estar formadas:Conexión en paralelo de baterías formadas por un máximo de tres captadores conectadas en serie.Conexión de un máximo de tres baterías en serie formadas por captadores en paralelo.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Una instalación solar térmica, a baja temperatura de trabajo (menor de 100 ºC), consta de los siguientes subsistemas:

1.Subsistema de captación, conformada con la batería de captadores solares, encargada de capturar la energía necesaria para generar calor que destinaremos a la aplicación.

2.Subsistema de acumulación, conformada por uno o varios depósitos acumuladores de energía. Se recurre al almacenaje por la intermitencia de nuestra fuente de energía (noches, días de baja radiación).

3.Subsistema de consumo, conformada por todos los puntos de consumo. Como un refuerzo energético, se utiliza una caldera (gas, gasoil, resistencia eléctrica); debido a que normalmente no se puede cubrir el 100% de las necesidades con la energía solar, siendo necesario el apoyo con un sistema de calentamiento convencional.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Configuraciones básicas de Sistemas

Sistema termosifón (circuito directo y doble circuito)

Sistema con circulación forzada

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICOSistema termosifón

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Los sistemas sin aporte adicional de energía.

Mediante los sistemas denominados termosifones, que utilizan la gravedad para hacer circular el agua entre el colector y el depósito de acumulación, pues el fluido caliente es menos denso que el frío y tiende a circular hacia el depósito, que está situado por encima del captador.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICOSistema termosifón

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Sistemas termosifón sin aporte adicional de energía.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICOSistema con circulación forzada

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Sistemas con aporte adicional de energía.

Es lo que se conoce como circulación forzada, y se utiliza sobre todo en el norte y el centro de Europa.

Mediante una bomba de circulación se puede situar el acumulador solar en el interior de un edificio, lo cual permite una mejor integración del sistema.

Son más flexibles, pero también más complejos, pues requieren una bomba y un controlador.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Sistemas con aporte adicional de energía.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Elementos de una instalación solar térmica

1.Captadores o colectores solares planos.

2.Acumuladores

3.Intercambiadores de calor

4.Bombas de circulación

5.Vaso de expansión

6.Válvula de seguridad

7.Sensores

8.Control diferencial

9.Válvulas o llaves de corte, anti retorno, válvulas de seguridad, caudalímetro, válvula mezcladora

10.Purgador.

4. SISTEMA SOLAR TÉRMICO2. Acumuladores

5. OTRAS APLICACIONES SOLAR TERMICASecado solar

Son de una gran utilidad en países donde no se dispone de otras formas de energía para la conservación de alimentos.

5. OTRAS APLICACIONES SOLAR TERMICACalefacción solar por aire

Estos sistemas utilizan el principio de succión del aire a través de un colector solar perforado, que puede servir al mismo tiempo de pared de un edificio. Estos sistemas son muy adecuados en edificios industriales con gran demanda de ventilación.

Existen sistemas muy simples y efectivos de calefacción solar por aire en el mercado.

5. OTRAS APLICACIONES SOLAR TERMICADesalinizador solar

La escasez de agua potable se da muchas veces en áreas con un alto índice de radiación solar o donde el precio de las fuentes de energías convencionales son muy altos. La destilación solar de agua (ya sea agua de mar, ya sea agua impura procedente de pozos) se realiza por medio de un alambique solar.

5. OTRAS APLICACIONES SOLAR TERMICARefrigeración solar

Se utilizan sistemas que acoplan el colector solar y depósito de almacenamiento de calor a un ciclo de absorción que extrae calor de un "depósito frío". El ciclo de absorción se consigue utilizando mezclas absorbentes refrigerantes (agua amoniaco, bromuro de litio y agua).

En ellas el calor solar se usa para vaporizar parte del agua de la mezcla (se requieren pues temperaturas de trabajo superiores a los 100ºC). El vapor se condensa mediante un refrigerante, luego se expansiona hasta volver a la fase de vapor (por tanto extrae calor de la zona a ser refrigerada) y es devuelto a la unidad de absorción.

TEMAS DE TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN

1. Energía Solar Fotovoltaica para vivienda en CC2. Energía solar Fotovoltaica para vivienda en CA3. Energía Solar Fotovoltaica para bombeo de agua en zona rural4. Energía Solar Fotovoltaica para una escuela.5. Energía Solar Fotovoltaica para una Posta de Salud.6. Energía Solar Fotovoltaica para telecomunicaciones7. Energía Solar Fotovoltaica para una aplicación productiva8. Energía Solar Fotovoltaica para un albergue rural.9. Energía Solar Térmica para una vivienda familiar con termosifón10. Energía Solar Térmica para una vivienda familiar con circulación

forzada.11. Energía Solar Térmica para una vivienda multifamiliar con circulación

forzada.12. Energía Solar Térmica para hoteles con circulación forzada13. Energía Solar Térmica para hoteles con termosifón14. Energía Solar Térmica para piscinas con circulación forzada15. Energía Solar Térmica para polideportivos con circulación forzada.

TEMAS DE TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN16.Energía Solar térmica para una aplicación productiva17. Energía Solar térmica para calefacción de una vivienda rural.18. Secador solar de alimentos tipo túnel19. Secador solar de alimentos de cabina.20. Invernadero Solar de una vivienda rural21. Invernadero Solar de zona rural para cultivo de hortalizas.22. Energía Eólica para bombeo de agua de vivienda rural.23. Energía Eólica para electricidad y aplicada al bombeo de agua24. Energía Eólica para electricidad de vivienda rural.25. Energía Eólica para electricidad de una aplicación productiva26. Energía de biomasa para producción de biogás en viviendas rurales.27. Energía de biomasa para producción de biol en viviendas rurales.28. Energía de biomasa para producción de biogás aprovechando el

estiércol de un establo29. Energía de biomasa para producción de electricidad (residuos de

aserraderos).30. Energía Mini hidráulica para producir electricidad.

TEMAS DE TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN

DIA DE LA TIERRA

El día 22 de abril, ya hace 42 años, en 1970, una gran cantidad de ciudadanos y ciudadanas estadounidenses se movilizaron para alertar sobre la fragilidad del planeta.Esta gran movilización, que se considera como el nacimiento del actual movimiento ecologista, fue bautizada con el nombre de Día de la Tierra (Earth Day).