contenidomedia.utp.edu.co/tecnologia-mecanica/archivos/proceso-de... · masa comparada con la...

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ENERGÍA SOLARENERGÍA SOLAR

CÉSAR A. ISAZA ROLDÁNCÉSAR A. ISAZA ROLDÁNInstituto de Energía y TermodinámicaInstituto de Energía y Termodinámica

Universidad Pontificia BolivarianaUniversidad Pontificia Bolivariana

CONTENIDOCONTENIDO

� El recurso solar� Tecnologías Solares

� Energía Solar Fotovoltaica� Energía Solar Térmica

� Energía Solar Pasiva� Energía Solar Activa

� Calentamiento de Agua Solar� Secado Solar� Cocinas Solares� Refrigeración Solar� Generación de Energía Eléctrica� Hornos Solares

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Tipos de RecursosTipos de Recursos

Consumo FinalConsumo FinalTrabajo Trabajo -- CalorCalor

Fuentes Fuentes IntermediasIntermedias

Fuentes Fuentes PrimariasPrimarias

Fuentes PrimariasFuentes Primarias

Agotables� Carbón� Petróleo� Rocas� Gas� Materiales

Radiactivos

Renovables� Solar� Eólica� Hídrica� Mareomotriz� Biomasa� Geotérmica

Tipos de Recursos

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Fuentes IntermediasFuentes Intermedias

Biológicas� Plantas � Animales

Químicas� Carbón� Gasolina� Fuel Oil� Butano� Propano

Eléctricas� Termoeléctricas� Eolioeléctricas� Hidroeléctricas� Fotoeléctricas

Térmicas� Calor Ambiental

Tipos de Recursos

Consumo FinalConsumo FinalSector

� Residencial� Comercial� Industrial� Institucional

Trabajo� Vehículos� Transporte� Motores� Luz� Sonido� Información

Tipos de Recursos

Calor� Calefacción� Agua caliente� Frío� Vapor� Gases calientes

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Situación de la Energía Primaria MundialSituación de la Energía Primaria Mundial

Por

cent

aje

tota

l del

mer

cade

o

0

20

40

60

80

1850 1900 1950 2000 2050

Carbón Petróleo Leña Gas natural Nuclear

US$ 8000 Millones en investigación frustrada en pro de carbón limpio

Situación en ColombiaSituación en Colombia

� Población: 44,5 millones de habitantes (73% urbano, 27% rural)

� Recursos: petróleo, gas natural, carbón, energía potencial hidráulica, biomasa, energía geotérmica, energía solar y energía eólica.

� Cobertura en servicios de energía eléctrica:

� Total: 82% (93% urbano, 55% rural)� Zona no interconectada, 52% del territorio nacional: 50%

con una confiabilidad del 30% - 8 horas promedio de servicio

� Putumayo, Vaupés, Vichada, Caquetá, Guaviare y Guainía: la cobertura no supera el 10%

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El Sol

� El Sol se puede considerar como un gigantesco reactor de fusión nuclear, constituido por diferentes gases que se encuentran retenidos en el mismo por fuerzas gravitatorias. La energía en forma de radiación electromagnética, resultado de las reacciones de fusión que tienen lugar en él, fundamentalmente en el núcleo, debe ser transferida a la superficie exterior para, desde allí, ser radiada al espacio.

� Se puede considerar al Sol como un cuerpo negro que radia energía a la temperatura de 5.762 K, ya que la distribución de energía para cada longitud de onda aprovechable por los procesos térmicos y fototérmicos, es básicamente la misma que la de dicho cuerpo negro.

HH22 (80%) y He (18%)(80%) y He (18%)Masa de 20,000 trillones de kilogramos Masa de 20,000 trillones de kilogramos

(1.987(1.987××1030 kg). 1030 kg).

Datos básicos El Sol La Tierra

Tamaño: radio ecuatorial 695.000 km. 6.378 km.

Periodo de rotación sobre el eje de 25 a 36 días * 23,93 horas

Masa comparada con la Tierra 332.830 1

Temperatura media superficial 6000 º C 15 º C

Gravedad superficial en la fotosfera 27,4 m/s2 9,78 m/s2

Radiación solar en la superficie de la tierra152,424 x 1013 kW-h

Radiación solar en la superficie de la tierra152,424 x 1013 kW-h

Energía Eólica

3,084.4 x 1013 kW-h

Energía Eólica

3,084.4 x 1013 kW-h

Consumo mundial de energía 2007

12.9 x 1013 kW-h

Consumo mundial de energía 2007

12.9 x 1013 kW-h

Energía de las olas y los océanos

762.1 x 1013 kW-h

Energía de las olas y los océanos

762.1 x 1013 kW-h

Biomasa152.41 x 1013 kW-h

Biomasa152.41 x 1013 kW-h

Energía hidraulica4.6 x 1013 kW-h

Energía hidraulica4.6 x 1013 kW-h

Fuente:Eurec. Agency/Eurosolar WIP:

Power for the World – A Common Concept

Fuente:Eurec. Agency/Eurosolar WIP:

Power for the World – A Common Concept

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El Sol y la Tierra

� la distancia entre el Sol y la Tierra varía aproximadamente un ± 3%.

� La distancia media Tierra-Sol es, d = 149 millones de Km

� En el solsticio de verano, la Tierra está alejada una distancia del Sol máxima, dmáx = 1,017 d

� En el solsticio de invierno, la Tierra se halla a la distancia mínima del Sol, dmin = 0,983 d

Características de la radiación directa

� Movimiento de la tierra: � El movimiento de la Tierra alrededor del Sol se llama traslación. � Dura 365 días, 5 horas y 48 minutos � A una velocidad de 108.000 Km/hora (aprox.) � Esta órbita está inclinada con respecto al plano del Ecuador un ángulo de 23°45'� La Tierra tiene un movimiento de rotación alrededor de su eje en el que emplea 24

horas. � La duración del día y de la noche varían según la latitud del lugar.

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Definiciones y Unidades

� Irradiancia (G): el valor instantáneo de la energía que llega por cada unidad de tiempo y por cada unidad de área. La potencia recibida por un colector solar perpendicular a los rayos del sol es igual al producto del valor de la irradiancia G por el área de la superficie A. [W/m2]

� Irradiación (I): el valor de la energía que llegadurante un período de tiempo por cada unidad deárea. [MJ/m2] ó [kWh/m2]

� Insolación (H): si el período de tiempocorresponde a un día. A estas últimas unidadestambién se les suele denominar.

� 1 kWh/m2 = 3.6 MJ/m2;� 1 MJ/m2 = 0.278 kWh/m2 (horas pico).

Irradiación total diariaIrradiación total diaria

�� Basándose en las mediciones de Basándose en las mediciones de irradiancia a lo largo de un día irradiancia a lo largo de un día completo se puede determinar la completo se puede determinar la insolación o irradiación total diaria. insolación o irradiación total diaria.

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EjemploEjemplo

Radiación solar extraterrestreRadiación solar extraterrestre

�� Constante solar:Constante solar: cantidad de energía solar cantidad de energía solar que incide perpendicularmente por unidad que incide perpendicularmente por unidad de tiempo sobre una superficie de área de tiempo sobre una superficie de área unitaria, colocada fuera de la atmósfera unitaria, colocada fuera de la atmósfera terrestre, a una distancia del sol igual al terrestre, a una distancia del sol igual al promedio solpromedio sol--tierra.tierra.

Isc = 1.367 W/mIsc = 1.367 W/m22

*Desviación de +/*Desviación de +/-- 3% (7 W/m3% (7 W/m22) debido a la ) debido a la variación periódica de la distancia del sol a la variación periódica de la distancia del sol a la tierra.tierra.

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Curva estándar de la radiación Curva estándar de la radiación solar extraterrestresolar extraterrestre

División del espectro solarDivisión del espectro solar

Longitud de ondaLongitud de onda�� Ultravioleta: Ultravioleta: λλ < 0,38 < 0,38 µµm (7% 95,7 m (7% 95,7

W/mW/m22))�� Visible: 0,38 Visible: 0,38 µµm < m < λλ < 0,78 < 0,78 µµm (47,3% m (47,3%

646,6 W/m646,6 W/m22))�� Infrarrojo: Infrarrojo: λλ > 0,78 > 0,78 µµm (45,7% 624,7 m (45,7% 624,7

W/m)W/m)

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Atenuación de la radiación directa

� Variaciones de la distancia Tierra-Sol.� Variaciones de la difusión, debidas a las moléculas de aire, vapor

de agua y polvo.� Variaciones en la absorción atmosférica por el O3, H2O y el CO2

Balance de energía

� Sólo el 47% de la energía solar incidente alcanza la superficie terrestre:� 31% lo hace directamente� 16% después de ser difundida por el polvo, vapor de agua

y moléculas de aire. � El 53% de la energía restante no alcanza la

superficie de la Tierra� 2% es absorbida por la estratosfera, principalmente por el

ozono, � 15% por la troposfera, (agua, ozono y nubes)� 23% es reflejada por las nubes� 7% es reflejada por el suelo � 6% restante corresponde a aquella energía difundida por

la atmósfera que se dirige hacia el cielo

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Balance de radiación solar

Balance de radiación terrestre

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Instrumentación para medir la radiación

� HELIÓGRAFOS.- Los heliógrafos sirven para medir la duración de la luz solar, que se puede definir como el intervalo de tiempo durante el cual se ve el disco solar y determinan los períodos del día durante los cuales la intensidad de la radiación directa es superior a un cierto umbral, que está reconocido a nivel mundial y vale 120 W/m2.

� (Campbell-Stokes)


� PIRHELIÓMETROS.- Los pirheliómetros sirven para medir la radiación solar directa . Tienen una abertura colimada y una cara de recepción que debe permanecer siempre normal a los rayos solares. El pirheliómetro recibe energía sólo del disco solar y de un estrecho anillo de cielo contiguo, a través de un tubo largo; este aparato está dotado de un dispositivo automático de seguimiento del Sol.

� (Disco de plata de Abbot)

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Pirheliómetro Eppley, modelo NIP, con dispositivo de seguimiento.


� PIRANÓMETROS.- Los piranómetros sirven para medir la radiación global, directa y difusa , que se recibe en todas direcciones, por lo que el instrumento tiene que descansar sobre una base horizontal. La banda de frecuencias medida por el piranómetro está comprendida entre 0,3 µm y 3 µm; si está protegido de la radiación directa por un anillo protector desvanecedor, entonces mide sólo la radiación difusa.

� (Kipp and Zonen)

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Instrumentación para medir la radiación con banda sombreadora para medición de la radiación difusa.

RECURSO ENERGÉTICO EN EL RECURSO ENERGÉTICO EN EL PAÍSPAÍSIrradiación solar y radiación solar,Información primaria

Mapa de radiación global –Promedio multianual (kWh/m2)

Mapa de brillo solar – Promedio multianual (horas de brillo)

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Potencial de energía solar en Colombia Potencial de energía solar en Colombia por regionespor regiones

Región del país ZonaRadiación Solar

(kWh/m 2/día)Brillo solar

(h/día)

Magdalena, La Guajira y San Andrés y Providencia

1 5,5-6,0 8-10

Costa Atlántica, Valle del Magdalena y Sur Bolívar

2 5,0-5,5 6-8

Llanos Orientales (Valle río Orinoco) y sabanas de Sucre, Córdoba, Valledupar y las riveras del río Cauca,

3 4,5-5,0 5-6

Región Andina, Sabana de Bogotá, Pie de Monte Andino y Amazonía

4 4,0-4,5 4-5

Costa Pacifico y muy alta montaña

5 3,0-4,0 2-4

La Situación en ColombiaLa Situación en Colombia

� El mapa de brillo solar para Colombia presenta un promedio anual de 2600 horas (Estación Nasaret, Guajira), dando aproximadamente un promedio diario anual de 7,1 horas.

� Los valores de radiación solar oscilan entre 5 y 6 kWh/m2 día en el Norte del País y entre 3.5 y 5 kWh/m2 en el resto del país.

� Más de 2MWp en Sistemas Fotovoltáicos instalados.

� En colectores solares la energía eléctrica ahorrada equivales a 705,000 kWh/mes.

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�� UPME, UPME, http://www.si3ea.gov.co/http://www.si3ea.gov.co/�� Atlas Colombiano de Radiación Solar, 2005.Atlas Colombiano de Radiación Solar, 2005.�� Censo de sistemas solares fotovoltaicos.Censo de sistemas solares fotovoltaicos.�� Censo de sistemas solares térmicos.Censo de sistemas solares térmicos.�� Mapas.Mapas.

�� IDEAM, IDEAM, http://www.ideam.gov.co/http://www.ideam.gov.co/

�� Banco Mundial, Banco Mundial, http://go.worldbank.org/VNC8NUM030http://go.worldbank.org/VNC8NUM030, , http://redenergiaalternativa.org/http://redenergiaalternativa.org/

�� WCRE WCRE -- World Council for Renewable, World Council for Renewable, EnergyEnergyhttp://www.wcre.org/http://www.wcre.org/

�� IADB IADB -- Banco InterBanco Inter--Americano del Desarrollo, Americano del Desarrollo, http://www.iadb.org/secci/http://www.iadb.org/secci/

�� The International Solar Energy Society, The International Solar Energy Society, http://www.ises.org/http://www.ises.org/

�� NasaNasa –– RETScreenRETScreen, , http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/

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FOTOVOLTAICAFOTOVOLTAICA(ELECTRICIDAD)(ELECTRICIDAD)

ACTIVAACTIVA

Arquitectura Arquitectura solarsolarInvernaderosInvernaderos

BAJA BAJA TEMPERATURATEMPERATURA

Climatización de Climatización de piscinaspiscinasCalentamiento de agua Calentamiento de agua sanitariasanitariaSecado de productos Secado de productos agrícolasagrícolasAplicaciones Aplicaciones industrialesindustriales

Hornos solaresHornos solaresCentrales solaresCentrales solares

CELDAS CELDAS FOTOVOLTAICASFOTOVOLTAICAS

ElectricidadElectricidadCerca eléctricaCerca eléctricaRadiotelefoníaRadiotelefoníaBombeoBombeoIluminaciónIluminaciónVentilaciónVentilación

CONVERSIÓNCONVERSIÓN

CAPTADOR DE CAPTADOR DE PLACA PLANAPLACA PLANA

CONCENTRADORCONCENTRADOR

PASIVAPASIVA

ALTA ALTA TEMPERATURATEMPERATURA

FOTOTERMICAFOTOTERMICA(CALOR)(CALOR)


FOTOVOLTAICAFOTOVOLTAICA

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Energía solar Energía solar -- ElectricidadElectricidad

La energía solar se puede convertir directamente en electricidad mediante el empleo de celdas solares o fotovoltaicas. Una celda solar es básicamente un dispositivo que captura los fotones presentes en la radiación solar y los transforma en electricidad gracias al efecto fotovoltaico descubierto por Becquerel en 1839.

Desarrollo tecnológicoDesarrollo tecnológico

Esta tecnología pudo ser aprovechada sólo hasta 100 años después con la aparición del semiconductor. Después de que Shockley había desarrollado un modelo para las juntas pn (diodos pn), los Laboratorios de la Bell produjeron la primera célula solar en 1954; la eficacia de esta, convirtiendo la luz en electricidad, era aproximadamente del 5%

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Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

Cuando la luz del sol incide sobre el material, los fotones generan pares electrón-hueco tanto en el semiconductor tipo p como en el n. Los electrones entonces liberados de sus enlaces, se comportan ahora como electrones libres, difundiéndose por el

material. Igualmente ocurre con los huecos

++ --

++ --

Contacto Contacto frontalfrontal

Separación de cargaSeparación de carga

RecombinaciónRecombinación

Contacto posteriorContacto posteriorTransmisiónTransmisión

Región pRegión p

Región nRegión n++ --

Separación de cargaSeparación de carga

++

--

ReflexiónReflexión

Celdas FotovoltaicasCeldas Fotovoltaicas

� Una típica celda solar consiste en dos capas de conductor semiconductor. A cada capa se le confieren propiedades eléctricas disímiles dotándolas con pequeñas cantidades de elementos químicos. Una celda fotovoltaica típica tiene un ancho de 10 cm, y produce 1W de potencia a pleno sol.

� Las celdas solares son los elementos fundamentales de los módulos fotovoltaicos, los cuales a su vez son parte esencial de los sistemas solares fotovoltaicos (SFV)

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Tipos de Celdas FVTipos de Celdas FV� Silicio Monocristalino (Si-m): El silicio se refina hasta obtener un

bloque de cristales muy puros, este se corta en láminas y es la base de las celdas. Si bien estas celdas son de buena eficiencia, 15-18%, son en cambio bastantes costosas. En este caso el silicio que compone las células de los módulos está compuesto de cristales orientados de la misma forma. La red cristalina es uniforme en todo el material y tiene muy pocas imperfecciones.

� Silicio Policristalino (Si-p): El silicio policristalino, menos puro, con menos costo y menor eficiencia, 10-16%. No está formado por cristales orientados de la misma forma. El proceso de cristalización no es tan cuidadoso y la red cristalina no es uniforme en todo el material, pudiéndose apreciar las zonas donde los cristales tienen una misma orientación.

� Silicio Amorfo (Si-a): Se conocen como celdas de película delgada. Su menor costo comparativamente con las otras, a pesar de su baja eficiencia (7 a 10%), lo hace atractivo. En el silicio amorfo no hay red cristalina y se obtiene un rendimiento inferior a los de composición cristalina. Sin embargo, posee la ventaja, además de su bajo costo, de ser un material muy absorbente por lo que basta una fina capa para captar la luz solar.

Tipos de Celdas FVTipos de Celdas FV

Silicio Monocristalino

(Si-m)

Silicio Policristalino (Si-p)

Silicio Amorfo (Si-a)

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Tecnologías importantes en celdas Tecnologías importantes en celdas solaressolares

El Módulo FotovoltaicoEl Módulo Fotovoltaico

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Elementos de un módulo Elementos de un módulo fotovoltaicofotovoltaico

Aplicaciones de los SFVAplicaciones de los SFV

� Electrificación rural� Viviendas aisladas� Viviendas de fin de semana o de

ocupación temporal� Refugios de montaña

� Señalización y protecciones para� Navegación aérea� Radiofaros� Señalización de autopistas� Teléfonos de urgencia en autopistas� Señalización de ferrocarriles� Equipos de radio en puestos de

vigilancia forestal� Faros y boyas para la navegación

marítima� Señalización de plataformas

petrolíferas

� Telecomunicaciones� Repetidores y reemisores de radio y

televisión� Radioteléfonos� Telemetría

� Señalización y toma de datos� Estaciones meteorológicas� Estaciones de medida

medioambiental� Plataformas oceánicas de toma de

datos� Redes de protección sísmica� Control y operación remota de presas� Protección civil

� Protección catódica� Puentes� Gasoductos� Oleoductos

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Aplicaciones de los SFVAplicaciones de los SFV

� Iluminación� Iluminación de vallas publicitarias� Iluminación pública

� Aplicaciones agrícolas� Bombeo de agua� Riego por goteo� Riegos a baja presión� Iluminación y control de

invernaderos� Telecontrol de redes de riego

� Aplicaciones ganaderas� Iluminación de granjas y establos� Sistemas de ordeño� Sistemas de refrigeración de la

leche� Electrificación de cercas

� Aplicaciones militares� Generadores autónomos� Equipos de campaña� Radioteléfonos� Cargadores de batería

� Desalinización� Depuración de agua del mar� Depuración de agua salobre

� Aplicaciones de recreo� Yates y veleros� Equipamiento de áreas recreativas� Camping y caravanas� Aeromodelismo

� Otras aplicaciones� Relojes electrónicos� Calculadoras de bolsillo� Juguetes y maquetas� Kits educativos

Configuración de un sistema aisladoConfiguración de un sistema aislado

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Esquema simplificado de un SFV de Esquema simplificado de un SFV de generación a pequeña escala (50 Wp) generación a pequeña escala (50 Wp)

Panel 50 WpControlador de carga 12 V 10 A

Batería 70 Ah 12 V

Puesta a tierra

Radio 16 W

TV B/N 16 W

3 Lámparas 15 W c/u

Caja de conexiones y

fusibles

Bombeo de aguaBombeo de agua

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Sistema aislado AC/DCSistema aislado AC/DC

Esquema simplificado de un SFV de Esquema simplificado de un SFV de generación a pequeña escala (300 Wp) generación a pequeña escala (300 Wp)

Arreglo 300 Wp 1x6 50 Wp Controlador de

carga 12 V 30 A

3 Baterías 180 Ah

Puesta a tierra

Equipo compacto 50 W

TV Color y video 70 W AC


Caja de conexiones

y fusibles

Inversor DC/AC 180W

Ventilador 10 W DC

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Esquema simplificado de un SFV de Esquema simplificado de un SFV de generación a mediana escala (3 kWp) generación a mediana escala (3 kWp)

Arreglo 3 kWp 2x30 60 Wp Controlador de

carga 3700 A

15 Baterías7500 Ah700 Ah c/u

Puesta a tierra

2 Inversores DC/AC 1500W

Soporte módulos





fusibles Ventilador 10 W DC





fusibles Ventilador 10 W DC

10 Viviendas300 W c/u

Pequeña red de

distribución

Configuración típica de un sistema Configuración típica de un sistema híbridohíbrido

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TÉRMICA PASIVATÉRMICA PASIVA

Sistemas pasivos de enfriamiento

� El enfriamiento involucra la descarga de energía poracoplamiento selectivo del sistema, con las partes más fríasdel medio ambiente, buscando que ese flujo de energía se dapor mecanismos naturales. Los posibles enfriadores osumideros de calor del ambiente son: el cielo, la atmósfera yel suelo.

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Enfriamiento radiativo

Este sistema consiste básicamente en un techo compuesto por un conjunto de bolsas de polietileno llenas de agua, colocadas sobre un techo metálico de láminas corrugadas. Este conjunto es cubierto durante el día con láminas aislantes, de modo de reducir la ganancia de calor exterior al tiempo de absorber calor del espacio interior. Durante la noche el material aislante se desliza dejando al descubierto las bolsas de agua, para permitir que el calor almacenado sea desprendido hacia la fría bóveda celeste por radiación de onda larga. El sistema tiene la particularidad de que puede ser utilizado para calentamiento si el modo de operación se invierte. Esto es, si se deja descubierto durante el día, para captar radiación solar y se cierra durante la noche para limitar las pérdidas de calor.

Iluminación Natural

� Las ventanas están diseñadas optimizando al máximo la iluminación natural al mínimo valor U. Las ventanas son altas para permitir que la luz natural penetre en el edificio.

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Invernaderos

� El invernadero está equipado con un mecanismo de sombreo para evitar el sobrecalentamiento.

� Cuando no hay necesidad de sombreo las cortinas se pliegan automáticamente.


TÉRMIA ACTIVATÉRMIA ACTIVA

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Aplicaciones de los sistemas Aplicaciones de los sistemas fototérmicosfototérmicos�� CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA. T<100 CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA. T<100 °°C.C.

�� Agua de uso doméstico y calentamiento de piscinas. Sistemas pasivos y Agua de uso doméstico y calentamiento de piscinas. Sistemas pasivos y activos.activos.

�� CALENTAMIENTO DE EDIFICIOS. T<100 CALENTAMIENTO DE EDIFICIOS. T<100 °°C.C.�� Sistemas activos, pasivos e híbridos.Sistemas activos, pasivos e híbridos.

�� ENFRIAMIENTO. T < 150 0C. ENFRIAMIENTO. T < 150 0C. �� Sistemas de aire acondicionado y refrigeración.Sistemas de aire acondicionado y refrigeración.

�� CALOR PARA PROCESOS INDUSTRIALES. T<150 CALOR PARA PROCESOS INDUSTRIALES. T<150 °°C.C.�� Calentamiento de fluidos (agua, aire, aceites) para uso industrial. Calentamiento de fluidos (agua, aire, aceites) para uso industrial.

Sistemas abiertos y sistemas cerrados.Sistemas abiertos y sistemas cerrados.�� ESTANQUES SOLARES. T < 100 ESTANQUES SOLARES. T < 100 °°C.C.�� PROCESOS EVAPORATIVOS. T<100 PROCESOS EVAPORATIVOS. T<100 °°C.C.

�� Destiladores. Secadores.Destiladores. Secadores.�� SISTEMAS TERMOSOLARES DE POTENCIA. 200<T<1000 SISTEMAS TERMOSOLARES DE POTENCIA. 200<T<1000 °°CC�� HORNOS SOLARES. HORNOS SOLARES. T< 4000 T< 4000 °°C. C.

�� Tratamiento de materiales.Tratamiento de materiales.

Colector solar planoColector solar plano� Costos moderados

� Operación a más alta temperatura

� Más pesado y más frágil

� Puede operar a la presión de agua del suministro principal de agua

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Agua Caliente Sanitaria (ACS)Agua Caliente Sanitaria (ACS)Circulación Termosifón

Circulación Forzada

La energía térmica absorbida en el colector se pasa a unmedio de transferencia térmica y una bomba la transportaal acumulador de energía. El acumulador puede colocarseincluso en el sótano, lo cual facilita que la instalaciónsolar se integre con la calefacción convencional.Una unidad de control supervisa y gestiona el sistemapara que siempre haya suficiente agua caliente.

Los sistemas con termosifón se instalan preferiblementeen zonas en que no hiela y su diseño es muy simple. Loslíquidos calientes son menos densos que los fríos, por loque la gravedad hace que la transferencia térmica se produzcaentre el colector y el tanque acumulador. Los sistemascon termosifón funcionan sin el consumo eléctricode bombas o reguladores.

Colector solar calentamiento de agua Colector solar calentamiento de agua con termosifóncon termosifón

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Casa unifamiliar independienteUna instalación típica tiene un colector de entre 3 y 6 m2 y un depósito de agua de entre

200 y 400 litros

Sistemas grandes para agua caliente sanitaria

Los sistemas grandes de ACS para edificios,hoteles, hospitales y edificios similares disponen de colectores

que suman entre diez y varios cientos de metroscuadrados. Normalmente están diseñados para una

menor cobertura solar de las necesidades de agua calientey, por lo tanto, son especialmente eficientes.

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Colectores Solares No Vidriados

� Bajo Costo

� Baja Temperatura

� Robusto

� Liviano

� Calentamiento estacional de piscinas

• Baja presión

• Pobre desempeño en climas fríos o con viento

Ranuras de Medición de Flujo

Los Canales de Flujo Originan Flujos Uniformesa Través de los Tubos

2º Tubo Colector

Canal de Ingreso

Flujo Desdela Piscina

Calentamiento solar de piscinasCalentamiento solar de piscinas

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Colectores de Tubo Evacuado

� Costos más altos

� Sin pérdidas deconvección

� Alta temperatura

� Climas cálidos

� Frágil

� La instalaciónpuede ser máscomplicada

Tubo Desarrollado y Fabricado en China

Vapor y LíquidoCondensado dentrodel Tubo de Calor

PlacaAbsorbenteTubo de

Calor

Tubo EvacuadoTubo EvacuadoTubo EvacuadoTubo Evacuado

Tubo evacuado tipo Dewar

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Cocina solarCocina solar

Cocina solarCocina solar

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Secadores solares

Refrigeración Solar

Sistema: nitrato de litio-amoniacoSistema de calentamiento: Captador solar cilíndrico

parabólico compuesto, CPCÁrea de captación 2.5 m2 con C = 4TG = 100 – 120 °C TE = -10 °C

Capacidad de enfriamiento: 10 kg de hielo

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Aire Acondicionado SolarAire Acondicionado Solar

Instalación de acondicionamiento de Instalación de acondicionamiento de aire solar por absorciónaire solar por absorción

Máquina de absorción Máquina de absorción YasakiYasaki WFC10WFC10

��Simple efectoSimple efecto��Alimentada por aguaAlimentada por agua��Potencia frigorífica 34,9 Potencia frigorífica 34,9 kWkW��Temperatura de agua Temperatura de agua enfriada 8enfriada 8°°CC��Temperatura de agua Temperatura de agua de entrada 88de entrada 88°°CC��COP 0,7COP 0,7

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Sistema de acumulaciónSistema de acumulación

Agua caliente 800 l Agua fría 1000 l

Sistema de captación solarSistema de captación solar

Colectores solares Colectores solares planosplanos

�� ViessmanViessmanVITOSOL 100VITOSOL 100

�� 37,5 m37,5 m22 (3 arreglos)(3 arreglos)�� Rendimiento óptico Rendimiento óptico

82,6%82,6%�� Coeficiente de Coeficiente de

pérdidas 3,68 pérdidas 3,68 W/mW/m22KK

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40

Sistema de captación solarSistema de captación solar

�� Colectores solares Colectores solares de vacíode vacío

�� ViessmanViessman VITOSOL VITOSOL 200200

�� 40 m40 m22 (20 (20 colectores)colectores)

�� Rendimiento 78,2%Rendimiento 78,2%�� Coeficiente de Coeficiente de

pérdidas 1,64 pérdidas 1,64 W/mW/m22KK

�� Seguimiento solarSeguimiento solar

Generación de electricidad con energía solar térmicaLa radiación solar se aprovecha mediante colectores que concentran esa energía. Las elevadas temperaturas así generadas se utilizan para hacer funcionar motores convencionales, como turbinas de vapor o de gas y motores Stirling. Las estaciones generadoras pueden construirse para la generación pura de electricidad o para la producción combinada de electricidad y de calor para usos industriales (temperaturas de 400 a 1000 °C). La disponibilidad constante de energía en estas plantas se mantiene quemando además combustible convencional y utilizando sistemas de almacenamiento térmico.

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Concentrador Solar Concentrador Solar –– Motor StirlingMotor StirlingEl principio del funcionamiento es tan solo el

calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido.

Calentando ese medio provoca una expansión del mismo dentro del motor. El medio de desplaza a

otra parte del motor dónde es enfriado.Al enfriar el medio, el volumen se reduce de

nuevo.Ese cambio de volúmenes activa un pistón de

trabajo el cual ejerce el trabajo del motor.

Capacidad de 500 MW., ampliables a 850, según cálculos de Southern California Edison, sería capaz de generar la suficiente electricidad para poder alimentar 278.000 hogares durante un año.

Concentrador Solar Concentrador Solar -- HeliostatosHeliostatosEn California, en el desierto de

Mojave, desde 1990 operan comercialmente plantas generadoras de cilindros

parabólicos con capacidad de 354 MW. Pueden operar a temperaturas

de 500 hasta 1500 °C.

Un sistema de receptor central consiste en una serie de

HELIOSTATOS , o espejos que rastrean el sol, los cuales reflejan la energía solar a una torre que tiene

montado un receptor mas grande, la concentrada cantidad de calor que recibe el receptor, es transferida al

fluido de trabajo.

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Campo experimental de generación eléctrica Campo experimental de generación eléctrica termosolar en Almería, Españatermosolar en Almería, España

Cilindros ParabólicosCilindros Parabólicos

67 < T < 287 °C CON SEGUIDOR SOLAR

EN UN EJE

ABSORBEDOR TUBULAR

PARA CALENTAMIENTO DE PROCESOS INDUSTRIALES Y

GENERACIÓN DE VAPOR Y ELECTRICIDAD

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Aplicaciones CPC

Concentración solar tipo reflector Concentración solar tipo reflector FresnelFresnel

SISTEMA DE CONCENTRACIÓN SOLAR TIPO REFLECTOR FRESN EL (BELGICA)

67 < T < 267 °C con seguidor solar

Rayos solares

Reflexión segunda etapa

Reflexión primaria fresnel

Tubo absorbedor

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1000kW 3500 °C en materiales conductores o no de

electricidad, en presencia de aire o bajo atmósfera

controlada.

HORNO SOLAR DE ODEILLO, FRANCIA Doble reflexión

Campo de helióstatos

El Horno SolarEl Horno Solar

Balance TérmicoBalance Térmico

Colector Solar PlanoColector Solar Plano

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Diagrama de flujo de energíaDiagrama de flujo de energía

Balance térmico en un colector solar Balance térmico en un colector solar planoplano�� El balance térmico en un El balance térmico en un

colector solar plano se colector solar plano se obtiene simplemente obtiene simplemente estableciendo los flujos estableciendo los flujos de calor que recibe, los de calor que recibe, los que disipa y los que que disipa y los que almacena. Bajo este almacena. Bajo este criterio, el calor criterio, el calor absorbido QABS es absorbido QABS es igual a:igual a:

�� Donde:Donde:�� QU , es el calor QU , es el calor

absorbido por el fluido absorbido por el fluido térmico o calor útil, térmico o calor útil,

�� QP , es el calor total QP , es el calor total perdido por medio de los perdido por medio de los diferentes mecanismos diferentes mecanismos de transferencia de calor de transferencia de calor ( conducción, convección ( conducción, convección y radiación) y radiación)

�� Qal , representa el calor Qal , representa el calor almacenado por los almacenado por los materiales que materiales que constituyen el colector constituyen el colector solar.solar.

ALPUABS QQQQ ++=

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Rendimiento instantáneoRendimiento instantáneo

�� Es la capacidad de Es la capacidad de conversión de la conversión de la energía solar a energía solar a calor en un colector calor en un colector planoplano

Donde:Donde:�� AAcc , representa la , representa la

superficie efectiva de superficie efectiva de captación de captación de radiación solar del radiación solar del colector solarcolector solar

�� IITT , es la , es la irradianciairradianciaglobalglobal

CT

U

AIQ=η

Rendimiento máximoRendimiento máximo

�� la mayor cantidad de la mayor cantidad de energía que llega a la energía que llega a la superficie del colector, superficie del colector, antes de ser conducida antes de ser conducida por el colector hacia el por el colector hacia el fluido térmico. A este se le fluido térmico. A este se le conoce como rendimiento conoce como rendimiento ópticoóptico

Donde:Donde:�� ττCTCT ,,transmitanciatransmitancia de la de la

cubierta transparente .cubierta transparente .�� ααA A , , absortividadabsortividad del del

absorbedorabsorbedor de la radiación de la radiación solar.solar.

ConsiderandoConsiderando�� La temperatura promedio La temperatura promedio

del del absorbedorabsorbedor TTCC se se considera uniforme para considera uniforme para toda la superficie colectora.toda la superficie colectora.

�� Las pérdidas totales de Las pérdidas totales de calor Qcalor QPP son son linearisableslinearisables

CT

ABSOP AI

Q=η

ACTOP ατ=η

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Pérdidas totales de calor y Calor útilPérdidas totales de calor y Calor útil

Donde:Donde:�� UC ,es el coeficiente total UC ,es el coeficiente total

de pérdidas térmicas .de pérdidas térmicas .�� Ta ,la temperatura Ta ,la temperatura

ambiente.ambiente.�� Tc , es la temperatura deTc , es la temperatura de

la superficie del colectorla superficie del colector

)TT(UAQ aCCCP −=

)TT(UAQ fCfCU −=Donde:� Uf ,es el coeficiente de

transferencia de calor del lado del fluido

� Tf , es la temperatura promedio del fluido.

Eficiencia térmica de un captador Eficiencia térmica de un captador solarsolar

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Balance de energía en un captador Balance de energía en un captador solarsolar

Niveles de temperaturas y Niveles de temperaturas y aplicacionesaplicaciones

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Configuraciones de captadores Configuraciones de captadores planosplanos

Eficiencia típica en sistemas térmicos Eficiencia típica en sistemas térmicos solaressolares

Tipo de colector Eficiencia de conversión

Factor de pérdidas

térmicas [W/m 2]

Rango de Temperatura [°C]

Absorbedor (descubierto

0,82 – 0,97 10 - 30 40

Colector de placa plana

0,66 – 0,83 2,9 – 5,3 20 – 90

Colector de placa evacuada

0,81 – 0,83 2,6 – 4,3 20 – 120

Colector de tubos evacuados

0,62 – 0,84 0,7 – 2,0 50 – 120

Colector de reservorio

~ 0,55 ~ 2,4 20 – 70

Colector de aire 0,75 – 0,90 8 - 30 20 - 50

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Tipos de recubrimientos Tipos de recubrimientos

Recubrimiento selectivo

Sustrato metálico

Absortividad solar

Emisividad infrarroja

Cromo negro Acero,. cobre 0-91 – 0.96 0.07 – 0.16

Cobre negro Acero,. cobreAluminio

0.81 – 0.93 0.11 – 0.17

Níquel negro Níquel, acero 0.89 – 0.96 0.07 – 0.17

Óxidos de aluminio

aluminio 0.90 - - 0.40

Oxidos de fierro

acero 0.85 -

Propiedades ópticas de algunos recubrimientos selectivos.

Material plástico transmitancía Temperatura máxima, ºC

Resistencia a la intemperie

policarbonatos 0.73 – 0.84 100 – 130 De pobre a media

poliésteres 0.80 – 0.87 140 De media a buena

polietilenos 0.90 50 pobre

Polivinil fluoruro 0.92 – 0.94 160 De buena a excelente

Fibra de vidrio reforzada

0.77 – 0.87 90 buena

acrílicos 0.80 – 0.90 70 - 135 De media a buena

Propiedades ópticas de cubiertas Propiedades ópticas de cubiertas transparentestransparentes

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Evaluación de colectores solares planosEvaluación de colectores solares planosModelo propuesto por Duffie & BeckmannModelo propuesto por Duffie & Beckmann

bU

tU

LU

L

kb

U

+=

=

( )[ ]

[ ] ( )[ ]

( )( )

)/(

);/(8.37.5

);(

);(

;tan

);88.0(tan

;058.01100.504.00.1

;

/12)1(0245.0

))((

1

)/()(/344

02

0

0

24

1

22

1

31.0

smvientodelvelocidadV

KmWVh

KplacadeatemperaturT

KambienteatemperaturT

placaladeciaemi

vidriodeciaemi

Nhxhf

vidriodecubiertasdenumeroN

NfNN

TTTT

hfNTTT

NU

w

p

a

p

g

ww

gpp

apap

wapp

t

=+=

=

=

=

=++−=

=

−−++−+++

+

+

+−=

−

−

−

εε

εεεσ

Calculo del coeficiente de perdidas (ecuación de klein)

Pérdidas hacía arriba

Ut

Pérdidas hacía

abajo Ub

).(

);/( 0

maislantedelespesorL

KmWaislantedeltermicadadconductivik

==

EFICIENCIA DE ALETAEFICIENCIA DE ALETA

Di

(W-D)/2

W/2Tb

Soldadura

Tf

( )[ ]( )

δk

Um

DWm

DWmF

L=

−−= ;

2/

2/tanh

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Factor FFactor F´́

[ ]

KmWh

msoldaduraladepromedioespesor

msoldaduraladelongitudb

KmWsoldaduraladetermicadadconductivik

bkC

hDCFDWDUW

UF

oif

b

bb

ifibl

LI

2,

,

/300

)(,

);(,

);/(,

;11

)(1

/1

=

==

°=

=

++

−+

=

γ

γ

π

�� TEMPERATURA DEL FLUIDO TEMPERATURA DEL FLUIDO EN EL PUNTO "y"EN EL PUNTO "y"

�� FACTOR DE REMOCION DEL FACTOR DE REMOCION DEL CALOR FCALOR FRR

pl

L mCyWFU

Laif

Laf eUSTT

USTT /

, /

/ −=−−−−

Calor útil entregado al fluido, QCalor útil entregado al fluido, Quu

−=

−P

lL

GC

FU

L

PR e

U

GCF 1

( )[ ]aifLRCu TTUSFAQ −−= ,

( )

orareacolectflujoG

placaladeciaabsor

vidriodelciatrasmi

totalnirradiacioI

IS

/

tan

tan

=====

ατ

τα

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53

[email protected]@upb.edu.co

MUCHAS GRACIASMUCHAS GRACIAS

contenidomedia.utp.edu.co/tecnologia-mecanica/archivos/proceso-de... · masa comparada con la...

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