Centrales Solares Térmicas

7/29/2019 Centrales Solares Trmicas

1/25

Calentadores solares para agua

La energa termal del sol puede ser utilizada para calentar agua a temperaturas inferiores a los 100C opara la calefaccin de ambientes. El agua caliente para consumo domestico ocupa el segundo puesto enel consumo de energa de una vivienda tpica.

Las tecnologas solares termales de bajas temperaturas, y en especial las tecnologas que no generanelectricidad se basan en los principios cientficos del efecto invernadero para generar calor. Laradiacin electromagntica del sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra dentro de un colectory es absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez que la radiacin es absorbida

por las superficies dentro del colector, la temperatura aumenta. Este incremento en la temperaturapuede ser utilizado para calentar agua, secar comida y granos, desalinizar agua o cocinar comida.

Calentadores domsticos solares para agua

Un sistema de calefaccin de agua esta compuesto principalmente por los siguientes elementos: Uno o ms colectores para capturar la energa del sol.

Un tanque de almacenamiento.

Un sistema de circulacin para mover el fluido entre los colectores y el tanque dealmacenamiento.

Un sistema de calefaccin auxiliar.

Un sistema de control para regular la operacin del sistema.

Colectores

Colectores de placa plana

Los colectores de placa plana son sofisticados invernaderos que atrapan y utilizan el calor del sol paraaumentar la temperatura del agua hasta alrededor de los 70C.

Estos colectores consisten en una caja hermticamente cerrada con una cubierta de vidrio algn otromaterial transparente. En su interior se ubica una placa de absorcin la cual esta en contacto con unostubos por los que circula un liquido que transporta el calor. Existen un gran nmero de diferentesconfiguraciones de los tubos internos en los colectores de placa plana.


2/25

Colector de serpentina Colector de de tubos paralelos

Los colectores tradicionales, como los de serpentina o los de tubos paralelos, consisten en varios tubosde cobre orientados en forma vertical con respecto al colector y en contacto con una placa de color

oscuro, generalmente esta placa es metlica aunque que en algunos casos puede ser de plstico o algnotro material.

En el caso de los colectores de tubos paralelos, se colocan tubos de mayor seccin en la parte inferior ysuperior, para asistir a la extraccin de agua caliente y al ingreso de agua fra para su calefaccin.

La placa de absorcin es aislada de la pared exterior con material aislante para evitar prdidas de calor.

En los ltimos aos se han desarrollado platos compuestos de superficies de absorcin selectiva, hechosde materiales con fuerte absorcin de la radiacin electromagntica y baja emisin.

Colectores de tubo de vaco

Los colectores de tubo de vaco se encuentranentre los tipos de colectores solares ms eficientesy ms costosos. Estos colectores se aprovechan almximo en aplicaciones que requierentemperaturas moderadas, entre 50 C y 95 C, y/oen climas muy fros.

Los colectores de tubo de vaco poseen unabsorbedor para capturar la radiacin del sol queest sellado al vaco dentro de un tubo. Las

perdidas trmicas de estos sistemas son muy bajasincluso en climas fros.


3/25

Tanques de almacenamiento.

Existen varios tipos de tanques de almacenamiento para agua caliente. Los utilizados msfrecuentemente con colectores de placa plana en sistemas nuevos son los sistemas integrados, donde lostanques de almacenamiento son montados junto con los colectores, generalmente sobre el techo. Lostanques son ubicados sobre los colectores para aprovechar el efecto de termosifn. La densidad del

agua vara segn la temperatura. En general, el agua es ms densa a mayores temperaturas de lo que esa menor temperatura. Los sistemas de termosifn hacen uso de este principio para hacer circular agua atravs del colector, el agua fra, proveniente de la caera, atraviesa el colector mientras el agua calientees extrada del tanque de almacenamiento. Para que el termosifn sea exitoso es esencial que los caostengan el dimetro adecuado. Las principales ventajas del uso de sistemas con tanques dealmacenamiento integrados son que el sistema es ms rentable para quienes lo instalen y el aguacaliente se suministra a la presin de las caeras.

Los sistemas de alimentacin por gravedad tambin pueden ser utilizados para almacenar agua de loscolectores de placa plana. En esta configuracin, el tanque es instalado en una cavidad en el techo, ynicamente el colector es expuesto al sol. La posicin de los colectores debe ser la adecuada para

permitir que se produzca termosifn en forma natural.

Aunque estos sistemas son generalmente ms baratos al momento de su compra, la caera de lavivienda debe ser adecuada para alimentacin por gravedad, esto es caos ms anchos.

Otros sistemas que se utilizan con colectores de placa plana, aunque menos populares, son los sistemasforzados, en los cuales un tanque a la presin de caera es ubicado a nivel del suelo y el colector en eltecho. En estos sistemas una bomba de agua es activada cuando brilla el sol y el agua fra circulaatravesando el colector. Los sistemas forzados son ms caros que los sistemas integrados o degravedad, y necesitan electricidad para accionar la bomba de circulacin de agua.

Centrales solares trmicasEnerga solar trmica

Es comn asociar la produccin elctrica solar directamente a la conversin fotovoltaica y no con elpoder termal del sol. Sin embargo grandes plantas generadoras con concentradores termales solares,han estado generando electricidad a costos razonables por ms de 15 aos.

La mayora de las tcnicas para generar electricidad a partir del calor necesitan de altas temperaturaspara alcanzar niveles de eficiencia razonables.

Las temperaturas de salida de colectores solares sin concentracin estn limitadas a temperaturas por

debajo de los 200 C. Por lo tanto, es necesario utilizar sistemas de concentracin para producirtemperaturas ms altas. Debido a sus altos costos, en las grandes centrales elctricas generalmente nose utilizan lentes, se utilizan en cambio alternativas ms rentables, incluyendo concentradores porreflexin.

Un reflector, que concentra la luz del sol en una lnea focal o en un punto focal, tiene forma parablica;este tipo de reflector debe ser seguir siempre el movimiento del sol. En trminos generales, se puedehacer una distincin entre los sistemas de seguimiento de un eje y los de dos ejes: los sistemas deseguimiento de un eje concentran la luz del sol sobre un tubo de absorcin ubicado en la lnea focal,mientras que los sistemas de seguimiento de dos ejes concentran la luz del sol sobre una superficie deabsorcin relativamente pequea ubicada cerca del punto focal.

Concentracin de la luz del sol

La concentracin de la luz del sol se puede lograr por varias tcnicas por ejemplo:


4/25

Colector parablico receptor de foco lineal

Colector de plato parablico con receptor de foco puntual

Sistema de receptor central con reflectores distribuidos y foco puntual

El factor mximo terico para la concentracin de la luz solar es 46.211. Es finito porque el sol no esrealmente una fuente de radiacin puntual. La temperatura mxima que puede ser alcanzada de la

concentracin de luz solar es igual a la temperatura superficial del son o sea de unos 5500C. Si elfactor de concentracin es ms bajo, la temperatura mxima disminuye. Sin embargo, los sistemasreales no alcanzan estos mximos tericos. Esto se debe a que no es posible construir un sistemaabsolutamente exacto, y adems los sistemas que transportan el calor a los usuarios, tambin reducen latemperatura del receptor. Si el proceso del traspaso trmico se detiene el colector puede alcanzartemperaturas extremadamente altas.

Colector parablico receptor de foco lineal

Colector de plato parablico con receptor de foco puntual

Sistema de receptor central con reflectores distribuidos y foco puntual


5/25

Sistemas solares de plato parablico

En estos un espejo cncavo parablico (el plato) concentra la luz del sol; el espejo cuenta con unsistema de seguimiento de dos ejes y debe poder seguir al sol con un alto grado de exactitud paraalcanzar eficacias altas. En el foco del espejo parablico se ubica un receptor el cual se calienta hasta650C.

Los sistemas de plato parablico llamados de Plato-Stirling, se pueden utilizar para generar electricidaden rango de los kilovatios. El calor absorbido acciona un motor de Stirling, que convierte el calor enenerga cintica y acciona un generador elctrico.

Un motor de Stirling es un motor de ciclo cerrado, lo que significa que el fluido de trabajo (idealmenteun gas perfecto) se encuentra encerrado dentro del motor y los pistones lo desplazan en las diversasetapas del ciclo. A su vez este motor utiliza una fuente de calor externa lo que permite emplear un grannmero de fuentes de energa por ejemplo energa nuclear, combustibles fsiles o energa solar.

Si no hay suficiente luz de soldisponible, se puede utilizar el calor de

la combustin de combustibles fsileso de bio-combustibles para accionar elmotor de Stirling y generar electricidad. Los sistemas de Plato-Stirling pueden alcanzar una eficienciadel 20% o ms. Se han probado conxito algunos prototipos de sistemas dePlato-Stirling. Sin embargo, los costosde la produccin elctrica de estossistemas son mucho ms altos que paralas centrales elctricas de canal o torre,

y solamente mediante la produccin enserie pueden alcanzarse otrasreducciones de costos significativas.


6/25

Centrales elctricas solares termales de torre

En las centrales elctricas termales solares de torre, centenares o incluso millares de grandes espejoscon sistemas de seguimiento de dos ejes se instalan alrededor de una torre. Estos espejos levemente

curvados tambin son llamados heliostatos; uncomputador calcula la posicin ideal para cada uno de

stos espejos, y un mecanismo impulsado por unmotor lo orienta hacia el sol. El sistema debe ser muyexacto para asegurar que la luz del sol est realmentecentrada en la punta de la torre. Es all donde estlocalizado el receptor, el cual se calienta hastatemperaturas de 1000C o ms. El aire caliente o salfundida transporta el calor desde el receptor a ungenerador del vapor; donde se produce vapor de aguasobrecalentado, el cual acciona una turbina y ungenerador elctrico, al igual que en el caso de lascentrales elctricas de canal.

Receptor volumtrico abierto

El primer tipo de torre solar que veremos utiliza elconcepto de receptor volumtrico abierto. En este, unsoplador transporta el aire del ambiente a travs delreceptor, el cual es calentado por la luz del solreflejada. El receptor esta compuesto por una malla dealambre, materiales cermicos o metlicos creandouna estructura en forma de panal, la cual es

atravesada por aire que se calienta hasta temperaturasentre los 650C y 850C. En la parte delantera, el airefro entrante refresca la superficie del receptor. Por lotanto, la estructura volumtrica produce lastemperaturas ms altas dentro del receptor,reduciendo las prdidas por radiacin trmica en lasuperficie del receptor. Luego, el aire alcanza lacaldera, donde se produce el vapor. Un quemador yun sistema de almacenaje termal pueden garantizar lacapacidad en este tipo de central elctrica solartermal.

Receptor de aire presurizado

El concepto de receptor volumtrico presurizado ofrece nuevas oportunidades a las plantas solarestermales de torre. Un compresor presuriza el aire hasta cerca de 15 bar.; una bveda de cristaltransparente cubre el receptor y separa el absorbedor del ambiente. Dentro del receptor presurizado, elaire se calienta a temperaturas de hasta 1100C, y el aire caliente acciona una turbina de gas. Estaturbina est conectada con un compresor y un generador que produce electricidad. El exceso de calorde la turbina de gas va a una caldera y adems impulsa un proceso ciclo de vapor. El procesocombinado de la turbina de gas y de vapor puede alcanzar eficiencias por encima del 50%, mientras

que la eficiencia de un ciclo de turbina de vapor simple es de solamente el 35%. Esto permite obtenersistema solares con eficiencias superiores al 20%.


7/25

Centrales elctricas parablicas de canal

Las centrales elctricas parablicas de canal son el tipo de tecnologade central elctrica solar termal con mayor nmero de sistemas

comerciales operativos.

El colector parablico de canal consiste en un conjunto de grandesespejos curvados, que concentran la luz del sol en un factor de 80 oms a una lnea focal. Los colectores se colocan formando una largafila de unos 300 a 600 metros, y una a su vez se instalan mltiplesfilas paralelas formando un campo de colectores solares. Loscolectores poseen sistemas de seguimiento de un eje para seguir al sol.

El campo de colectores puede tambin estar formado de largas filasparalelas de colectores Fresnel. En la lnea focal de las parablicas seencuentra un tubo de absorcin metlico, que generalmente se embutedentro de un tubo de cristal al vaco para reducir prdidas de calor.Adems una capa selectiva especial, resistente a altas temperaturas,

reduce las prdidas por radiacin de calor.

En estos sistemas, aceite trmico, o algn otro fluido transferencia trmica, atraviesa el tubo deabsorcin. Este tubo calienta al aceite hasta casi 400C, y un intercambiador de calor transfiere el calordel aceite termal a un ciclo degeneracin de vapor (tambin llamadociclo Rankine). Una bomba dealimentacin pone al agua bajo

presin. Luego, un economizador, un

vaporizador y un sobrecalentadorproducen vapor sobrecalentado. Estevapor se expande en una turbina de dosetapas; entre las piezas de alta presiny de baja presin de esta turbina seencuentra un recalentador, que calientael vapor nuevamente. La turbinaconduce a un generador elctrico queconvierte la energa mecnica enenerga elctrica; el condensadordetrs de la turbina condensa el vaporde agua nuevamente, lo que cierra elciclo en la bomba de alimentacin.

Tambin es posible producir vapor sobrecalentado directamente usando los colectores solares. Estohace el aceite trmico innecesario, y tambin reduce los costos ya que el aceite trmico es relativamentecostoso y los intercambiadores de calor ya no son necesarios. Sin embargo, la generacin solar directade vapor se encuentra todava en su etapa del desarrollo.

Capacidad Garantizada

En contraste con los sistemas fotovoltaicos, las centrales elctricas termales solares pueden garantizaruna cierta capacidad. Durante perodos de mal tiempo o durante la noche, quemadores de combustiblefsil paralelos pueden producir el vapor. En estos quemadores paralelos tambin se pueden quemarcombustibles ecolgicos tales como biomasa, o hidrgeno producido por energas renovables. Con un


8/25

almacenaje termal, la central solar trmica puede tambin generar electricidad incluso durante algunashoras de la noche cuando ya no hay energa solar disponible.

Un sistema de almacenaje ya probado funciona con dos tanques. En este el medio utilizado para elalmacenaje del calor a altas temperaturas es sal fundida. El exceso de calor del campo de colectoressolares calienta la sal fundida, la que se bombea del tanque fro al tanque caliente. Si el campo decolectores solares no puede producir suficiente calor para conducir la turbina, la sal fundida se bombea

del tanque caliente nuevamente al tanque fro, y calentando en el proceso al fluido transferenciatrmica.

Eficiencia de las centrales elctricas parablicas de canal

La eficiencia de una central elctrica solar termal es el producto de la eficiencia del colector, laeficiencia del campo y de la eficiencia del ciclo de vapor. La eficiencia del colector depende del ngulode incidencia de la luz del sol y de la temperatura en el tubo de absorcin, y puede alcanzar valores dehasta el 75%. Las prdidas en el campo son generalmente menores al 10%. En conjunto, las centraleselctricas solares termales de canal pueden alcanzar eficiencia anuales de cerca del 15%. La eficienciadel ciclo de vapor esta cerca del 35% y tiene la influencia ms significativa. Los sistemas conreceptores centrales tales como las plantas solares termales de torre pueden alcanzar temperaturas msaltas y por lo tanto alcanzar eficiencias ms altas.

Centrales elctricas solares de chimeneaLas tecnologas descritas en los otros tipos de centrales solares, pueden utilizar solamente irradiacinsolar directa. Sin embargo una central elctrica solar de chimenea convierte la radiacin global enelectricidad. Puesto que a menudo las chimeneas se asocian a gas de escape contaminantes, esteconcepto tambin se conoce como planta de torre de energa solar, aunque es totalmente diferente delos conceptos de torre descritos anteriormente. Una central elctrica solar de chimenea tiene unachimenea alta (torre), con una altura de hasta 1000 metros, rodeada por un gran techo colector de hasta130 metros de dimetro, construido en cristal o plstico resistente suspendido sobre un marco. Hacia sucentro el techo posee una curvatura hacia arriba unindose a la chimenea, creando un embudo.

El sol calienta latierra y el aire pordebajo del techo delcolector, el airecaliente sigue la

pendienteascendente del techohasta que alcanza la

chimenea. All,fluye a altavelocidad a travsde la chimenea yacciona las turbinasde viento. La tierradebajo del techo del

colector se comporta como medio de almacenaje, e incluso puede calentar el aire por un tiemposignificativo despus de la puesta del sol. La eficiencia de una central elctrica solar de chimenea seencuentra por debajo del 2%, y depende principalmente de la altura de la torre, es por esto que estascentrales elctricas solo pueden construirse en lugares donde la tierra es muy barata. Tales reas se

sitan generalmente en regiones desrticas.

Sin embargo, la central elctrica puede tener otras aplicaciones, pues el rea bajo el techo del colectortambin se puede utilizar como invernadero con propsitos agrcolas.


9/25

Construccin de un calentador solar de aguaEn este texto se encuentran los resultados de algunas experiencias en la construccin de colectoressolares para calentar agua. La mayora de los calentadores se fabricaron con materiales comunes yfueron hechos con un fin experimental.

Construccin experimental de tres calentadoresde agua solares

Esta es la experiencia de un grupo de alumnos de una escuela en la construccin de tres colectoressolares para calentar agua.

Introduccin

La transformacin directa de la energa solar es bastante antigua. As como mediante una lupa esposible calentar un papel con la radiacin solar hasta hacerlo arder, se pueden usar espejos adecuadospara focalizar la radiacin solar en recipientes con agua y calentarla. Tambin es posible calentar aguamediante sistemas llamados colectores, es decir, grandes depsitos de agua que se calientan porradiacin solar. El agua caliente se puede utilizar para uso domstico directo, para calefaccin o parageneracin de energa elctrica.

La radiacin solar est constituida por una superposicin de ondas electromagnticas cuya longitud deonda estn comprendidas entre 0,25 micras y 4 micras. Cuanto menor es la longitud de onda mayor esla energa asociada a la onda.

Longitud de ondas(micras) % de la energa total

recibida

Naturaleza de la radiacin

0.25 a 0.4 1 a 3 % Ultravioleta0.4 a 0.75 40 a 42 % Visible0.75 a 2.5 55 a 59 % Infrarrojo

Tabla extrada del libro El calentador solar de agua de Cabirol, Pelissou y Roux

Los rayos infrarrojos calientan la materia en cuanto entran en contacto con ella, lo mismo que losultravioletas, pero estos ltimos son mucho menos en cantidad.

La cantidad de energa solar que llega a la superficie terrestre en menos de dos semanas, es equivalentea la de todas las reservas conocidas de combustibles fsiles. Se estima que un total de 1,5 x 10 15

megawatt por ao, aproximadamente 2500 veces la energa generada por el hombre por medio de todaslas formas convencionales, evitando los problemas de radiacin que ellas provocan.

La energa solar tiene dos desventajas:

1. Es una energa muy difusa, es decir que la cantidad que llega a la Tierra por unidad de tiempo ypor unidad de rea es muy pequea, lo que obliga a recogerla y concentrarla.

2. Es intermitente, ya que el Sol est disponible solamente durante el da y frecuentemente esoscurecido por las nubes, lo cual obliga a almacenar su energa para poder disponer de ella enforma continuada.

El calentador solar de agua

Aunque los sistemas investigados tienen grandes diferencias entre s, todos poseen tres partesfundamentales:


10/25

Colector

Capta la energa solar y la transfiere al agua (es la parte ms importante).

Acumulador

All es donde se deposita el agua caliente, para conservarla con la menor prdida posible.

Sistema de caos

Poseen la funcin de transportar el agua fra y el agua caliente a travs de los elementos que forman elsistema.

Diferentes tipos de colectores

Los colectores solares se clasifican segn el grado de concentracin de la energa solar captada.

ndice de concentracin = rea de captacin del colector / rea de recepcin del colector

Se pueden clasificar en colectores planos (ndice de concentracin igual a 1) y colectores deconcentracin (ndice de concentracin mayor que 1)

Colector plano

Consiste en un panel metlico plano que presenta unasuperficie absorbente de radiaciones solares. Secoloca sobre una estructura protectora (caja demadera o chapa galvanizada). En la parte superior secoloca una lmina de vidrio y por la parte inferior ylos laterales se coloca material aislante.

Bsicamente los colectores planos estn formados

por:

Cubierta transparente Placa o aletas de metal Tubos Caja

Aislante trmico

La cubierta transparente (generalmente vidrio) es la encargada de producir un efecto invernadero dentrodel colector, porque permite la entrada de la radiacin solar incidente (de onda corta) impidiendo lasalida de la energa de la placa al calentarse (de onda larga).

Las placas o aletas de metal generalmente son de una aleacin de cobre ya que este material ofrecebuena transmisin de calor, durabilidad y de fcil trabajo. Su funcin es aumentar la superficie deabsorcin de calor.

Los pequeos tubos es por donde circula el agua mientras se calienta. Suelen estar soldados sobre unaplaca metlica negra o en su defecto tienen aletas soldadas sobre sus bordes.

La caja es el soporte de todos los dems componentes. Suele ser de chapa galvanizada, ya que estematerial es econmico y resistente a los fenmenos climticos.

Colectores de concentracin

En estos tipos de colectores se utilizan espejos que concentran la radiacin solar sobre un focodeterminado a travs de una lnea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.

Colector solar plano


11/25

El ndice de concentracin vara segn las caractersticas constructivas, puede ir desde 2 hasta 1000 oms.

Estos colectores deben instalarse consistemas automticos de seguimiento solarde precisin.

Concentracin lineal alcanzan temperaturas de200c a 300c

Concentracin puntual alcanzan temperaturas de ms de 300c

En los tres colectores se eligi utilizar el colector solar

plano por las siguientes razones:

Su eficiencia es la necesaria para las necesidades Su costo es mucho menor No necesita mantenimiento No utilizan energa extra (como lo hacen los de concentracin para seguir el movimiento del

sol). Su construccin es ms simple.

Adems los colectores planos, aparte de utilizar las radiaciones directas, aprovechan las radiacionesdifusas, aumentando su eficiencia en un 10% al 20%. Los colectores de concentracin no pueden

utilizar las radiaciones difusas porque salen del foco calculado.

Sistema directo e indirecto

Sistema directo

El agua se calienta en el colector y se enva al depsito dealmacenamiento. sta se ve reemplazada en el colector por aguafra que luego se calienta y as sucesivamente.


12/25

Sistema indirecto

El agua caliente procedente del colector puede tambin circularpor un intercambiador de calor en el interior del depsito: alentrar en contacto con el agua fra del depsito cede sus caloras atravs de la pared del intercambiador y vuelve a calentarse en elcolector.

El sistema empleado en los tres colectores es un sistema directo,puesto que su construccin resulta ms sencilla y su costo esmenor. Pero se reconoce que un sistema indirecto es mseficiente porque la sustancia que circula por el interior puede serotra diferente del agua, con mejores propiedades, como ser mejor captacin del calor o incorporaranticongelante para que no se congele el agua que se encuentra dentro de los tubos finos de cobre.

Sistemas de termosifn o por bomba

Sistema de termosifn o pasivoEl principio de este sistema se basa en que al calentarse elagua que se encuentra en el colector, esta adquiere unamenor densidad, siendo menos pesada que el agua fra aigual volumen. As el agua caliente recibe una presin delagua fra, capaz de vencer la resistencia del circuito, yempuja a la primera a volver al colector.

Su nica desventaja es que el colector debe encontrarseprximo y por debajo del tanque de almacenamiento(mnimo 40cm).

Sistema por bomba o Activo

Para este sistema se acude a una bomba que hace que el aguacircule a travs del colector y nuevamente hacia el acumulador.

El sistema elegido fue el termosifn puesto que es menos complicado, es menos costoso, no necesitamantenimiento y no utiliza energa extra para su funcionamiento. Por otra parte tiene la desventaja deque el acumulador est condicionado a colocarse sobre el colector.

Construccin de los colectores


13/25


14/25

4) El absorbedor (radiador) qued de la siguiente manera:

Luego se lo pint de un tono mate para evitar la reflexin y de negro ya que todos los cuerpos oscurosabsorben ms calor.

5) Este absorbedor se mont en unacaja de madera de 84 cm de ancho, por84 cm de largo, por 7 cm de altura, lacual en la parte inferior y laterales se

encontraba revestida de aislante, eneste caso telgopor de 2 cm de espesor.

La caja debe tener los dos orificiosnecesarios para realizar las conexionesadecuadas a los tubos de polipropileno,como se indica en el esquema:

6) En el siguiente esquema se muestra cmo se debeconectar el conjunto de caos de polipropileno con elcolector y el acumulador. Se utilizaron caos de

polipropileno porque su uso es muy comn en todotipo de instalaciones de agua. Adems estn revestidoscon un aislante trmico para evitar las prdidas decalor del agua durante su recorrido.

7) El acumulador del colector experimental tiene unacapacidad de 5 litros y est parcialmente aislado contelgopor de 2cm de espesor. La mayora de las

prdidas de calor se producen aqu, 1C cada 8minutos aproximadamente.

8) Despus se coloca una lmina de vidrio sobre lacaja de madera para aprovechar el efecto invernadero.Este efecto se produce de la siguiente forma:

El vidrio, como todo cuerpo transparente, tiene la propiedad de dejar pasar las radiaciones de la luzsolar y parte de ellas (las radiaciones infrarrojas) quedan atrapadas entre el vidrio y el absorbedor

De esta manera los rayos solares pasan casi en su totalidad a travs del vidrio e inciden sobre elabsorbedor. ste aumenta su temperatura y comienza a emitir radiaciones, parte es retenida por elaislante, y otra parte incide sobre el vidrio. Estas son absorbidas por este, que llega a temperaturas

entre los 30C y 50C. Al calentarse el vidrio ste tambin comienza a emitir radiaciones por ambascaras, las radiaciones emitidas por la cara exterior significan prdidas de calor, pero las radiacionesemitidas por la cara interior vuelven a incidir sobre el absorbente. En el siguiente esquema se muestranlas prdidas del efecto invernadero


15/25

Grfico extrado del libro El calentador solar de agua de Cabirol, Pelissou y Roux

9) Por ltimo se coloca un termmetro con tres sensores (LM 35) para medir las temperaturas del aguade entrada, del interior del colector y del agua de salida.

Correcciones

En un principio las 2 uniones entre los caos colectores y los de polipropileno se haba realizado

introduciendo el de polipropileno dentro del de cobre y sellado con pegamento. Pero luego de untiempo y a causa de los diferentes coeficientes de dilatacin, las uniones se desprendieron. Parasolucionarlo se debieron roscar ambos caos.

Varios sensores de temperatura (LM35) se quemaron porque sus patas entraron en cortocircuito debidoal incorrecto aislamiento de los mismos.

Construccin del segundo colector

El segundo colector construido tiene un tamao de 1,70 m deancho 0,80 m de largo y 0,10 m de alto. Tiene una capacidad

de 15 litros. El objetivo de su construccin es demostrar que esposible construir colectores para satisfacer mayores demandasde agua. Adems este colector no tiene un costo elevado dadoque est construido con viejos materiales de un refrigerador.

El radiador de este colector est formado por dos viejosradiadores de heladera. A estos se les cort en cada una de suscurvas como se muestra en el siguiente grfico:


16/25

Luego se introdujeron los pequeos caos de los radiadores enunos agujeros previamente perforados en los caos colectores,y se los sold todo a su alrededor

El radiador es colocado en una vieja puerta de heladera, parano solo aprovechar su estructura sino tambin su aislamiento

Se conectan los caos del radiador conlos del acumulador quedandoconformado el colector de la siguientemanera:

Construccin del tercer

colector

El tercer colector es de una construccin muy sencilla. Tiene una capacidad de un litro. Sus medidasson 50 cm por 50 cm. El objetivo de la construccin de este colector es lograr un pequeo suministrode agua caliente, pero de una forma ms rpida. Adems, gracias a su fcil manejo, se pudo probar enl gran cantidad de variables de construccin y extraer conclusiones propias sobre que mtodo esmejor.

En un principio este colector se construy utilizando una caja de madera la cual luego fue reemplazadapor una caja hecha ntegramente en chapa. Este cambio no afect el rendimiento del colector solamentese mejor su estructura ya que la chapa no se deteriora tanto con las condiciones climticas exteriores.

Antes la superficie de absorcin de la energa solar estaba dada nicamente por los pequeos caos pordonde circula el agua, es decir que no tenan soldadas aletas, ni estaban soldadas a una placa. Surendimiento no era satisfactorio. Luego se les sold una plancha de zinc para aumentar la superficie deabsorcin, quedando los tubos debajo de la placa. Al realizar las pruebas se pudo comprobar que elrendimiento haba aumentado notablemente. Mas adelante se dio vuelta el radiador es decir que ahoralos tubos estaban sobre la plancha de zinc. Este cambio aument el rendimiento en un porcentaje pocosignificativo. Este aumento se debe a que las radiaciones solares incidan directamente sobre los tubos

y no deban atravesar la placa de zinc y las soldaduras.En este colector a diferencia de los anteriores los caos de circulacin del agua se encuentran en suinterior. Si bien es una ventaja estructural, puede hacer fallar el sistema de termosifn ya que el efecto


17/25

invernadero que se produce en el interior del colector puede afectar la diferencia de temperaturanecesaria entre el cao que transporta el agua fra de entrada y el radiador.

En este colector tambin se intent reemplazar la lmina de vidrio por un plstico flexible similar alutilizado para envolver alimentos. Los resultados no fueron exitosos dado el plstico no pudo hacercorrectamente el efecto invernadero. Adems su colocacin es ms difcil dado que debe quedar sinarrugas. Por otro lado el viento y la lluvia son condiciones a las que este material no est preparado

para vencer.La experimentacin ms asombrosa fue realizarle un vaco al colector. De esta forma el radiador que seencuentra dentro del colector est completamente aislado y su eficiencia aumenta asombrosamente.Para dar un ejemplo el colector sin vaco lograba, en primavera, calentar el agua a 72 C en una hora encambio realizado el vaco poda lograr que el agua llegara a los 70 C en solo 20 minutos. El principalinconveniente de realizar un vaco es que se aumenta la presin ejercida sobre el radiador y lassoldaduras tienden a fallar si no se encuentran reforzadas.

Otras de las mejoras que se puede realizar es un arenado de la superficie del radiador. De esta manerase evita que la superficie del colector sea lisa y provoque la reflexin de los rayos solares. Estaexperiencia no se pudo realizar debido a la falta de elementos necesarios para realizarla.

Al igual que en los casos anteriores el colector fue pintado de un color negro mate y debidamenteaislado en su interior. En este caso se utiliz mexpol, un aislante fino de plstico con una cubiertadelgada de aluminio. El mexpol es utilizado para el aislamiento de techos, en nuestro caso cumpleuna funcin de aislante y adems la capa de aluminio que tiene en su superficie cumple la funcin dereflejar las radiaciones que atravesaron el absorbedor nuevamente hacia l.

El aislamiento del acumulador se realiz sobre los laterales y parte superior del mismo con telgopor.

Insumos necesariosPara la construccin y prueba de los colectores se necesitaron diferentes elementos:

Herramientas para la construccin

Materiales para la construccin

Elementos para la medicin

Herramientas

Terraja: para roscar los caos de PVC Plegadora: doblar la chapa galvanizada a 90 para hacer la caja

Soldadores


18/25

Guillotina: para cortar la chapa galvanizada

Sensitiva: sacar rebabas y cortar los caos

Sierra circular: para cortar las maderas utilizadas en la caja del primer colector

Lijadora de banda: para lijar las maderas antes mencionadas

Soldadores

Materiales

Vidrio

Lamina de zinc: utilizada en el tercer colector como placa absorbedora de calor

Bronce fosforado: utilizado para las aletas del radiador en el primer colector

Telgopor: es el aislante del primer colector

Lana de vidrio: es el aislante del segundo colector

Mexpol (aislante para techos): aislante del tercer colector

Caos de cobre Estao: para realizar las soldaduras del primer colector

Bronce: para realizar las soldaduras del segundo colector

Materiales reciclados de un viejo refrigerador comercial: para extraer del mismo el radiador y lapuerta.

Elementos de medicin:

Los elementos de medicin de temperatura utilizados fueron nicamente dos:

Termmetro digital (sensores LM35)

Termmetro de mercurio

Pruebas de los tres colectores solaresEn esta parte del informe se proceder a exponer los resultados obtenidos de las pruebas realizadas conlos tres colectores.

Las mediciones se realizaron en diferentes pocas del ao, generalmente abarcando horarios delmedioda donde las radiaciones solares alcanzan su nivel mximo.

En todos los casos se consideraron las siguientes variables para el anlisis de los datos:

Temperatura ambiente: este dato permite ubicar al lector en la poca del ao en que se realizdicha prueba. Incide principalmente sobre la temperatura del agua del acumulador que en lostres casos no se encuentran debidamente aislados.

Temperatura del agua de entrada: es la temperatura que tiene el agua de red que se coloca en elacumulador para calentarla. Vara segn la poca del ao oscilando su valor entre 10 C y 25 C

Nubosidad: Es el factor que ms afecta en el desempeo del colector, porque absorbe parte de laradiacin solar

Hora: es la hora en la cual se realiz una medicin

Temperatura del agua: es la temperatura que tiene el agua del acumulador a una hora

determinada. La medicin se realiz siempre sobre la parte superior del acumulador, porque sise midiera en la parte inferior esta no aumentara su temperatura hasta que se haya completadoun ciclo completo de la circulacin del agua.


19/25

Ejemplo de una tabla de medicin:

Temperatura ambiente (C):Temperatura del agua de entrada (C):

Nubosidad:

Hora Temperatura del agua(C)

En el informe no se copiar cada una de las tablas realizadas, sino que directamente se analizarn losdatos en una serie de grficos producto de un promedio de las mediciones. Las tablas originales demedicin se hallan en la carpeta de campo.

El anlisis de los datos ilustrados en las siguientes curvas se estructuran de la siguiente forma: para

cada colector se levantarn dos curvas promedio sobre su desempeo, una en poca de verano y otra enpoca de invierno. Debido a que los colectores fueron construidos en diferentes fechas, se aclara en lastabla si los promedios, de verano o invierno, corresponden a 1999, 2000 o un promedio de ambos. Lasmediciones se realizaron aproximadamente cada 3 das durante los perodos mencionadosanteriormente. Cabe sealar que la hora de inicio de las pruebas se fij a las 13 horas.

Se debe aclarar que como estos datos son promedios de todos los das abarcados por las pruebas, alltambin se encuentran evaluados los das de lluvia o neblina muy densa. Los datos obtenidos en esosdas hacen que los promedios (principalmente los de invierno) bajen notablemente. En un da despejadode invierno los colectores alcanzan una temperatura entre 45 C / 55 C y en un da despejado de veranolos colectores alcanzan entre 65 C y 75 C.

Promedio de las pruebas realizadas en el colector 1

Hora

Temperatura delagua desalida

enVerano(2000)


enInvierno(1999/2

000)

13:10 20 C 17 C13:20 27 C 21 C13:30 33 C 25 C13:40 39 C 30 C13:50 44 C 32 C14:00 49 C 35 C14:30 56 C 36 C15:00 63 C 37 C15:30 67 C 38 C16:00 68 C 37 C17:00 66 C 31 C18:00 63 C 25 C


20/25

Promedio de las pruebas realizadas en el colector 2

Promedio de las

Pruebas realizadas en el colector 3

Insumos necesariosarribaMontajede los colectores solares

Montaje de los colectores solares

Existen muchas formas de montaje de los colectores sobre techo plano, techo inclinado, balcn, jardn,etc. Pero se debe tener en cuenta el incremento de carga originado por el emplazamiento de los panelesy el acumulador (teniendo en cuenta el agua en su interior). Adems de las condiciones de sobrecargacomo ser el viento, nieve, sismos, etc.

Hor

a


enVerano(2000)


enInvierno(2000)

13:10 23 C 18 C13:20 32 C 22 C13:30 38 C 26 C13:40 43 C 31 C13:50 48 C 33 C14:00 52 C 36 C14:30 58 C 37 C15:00 62 C 38 C15:30 68 C 39 C16:00 70 C 38 C17:00 68 C 31 C18:00 64 C 25 C19:00 52 C 20 C

Hora


enVerano(2000)


enInvierno(2000)

13:10 25 C 18 C13:20 33 C 24 C13:30 39 C 28 C13:40 45 C 30 C13:50 54 C 31 C14:00 59 C 35 C

14:30 65 C 36 C15:00 66 C 38 C15:30 69 C 38 C16:00 68 C 38 C17:00 60 C 29 C18:00 51 C 22 C19:00 40 C 20 C
http://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/insumos-necesarioshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/construccion-tres-calentadores-solares-aguahttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/insumos-necesarioshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/construccion-tres-calentadores-solares-aguahttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/insumos-necesarioshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/construccion-tres-calentadores-solares-aguahttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/insumos-necesarioshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/construccion-tres-calentadores-solares-aguahttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solareshttp://www.textoscientificos.com/energia/calentador-solar/montaje-colectores-solares


21/25

La separacin entre los colectores debe ser como se indica en el siguiente esquema:

El ngulo alfa debe ser menor de 20, para que otro objeto no produzca una sombra sobre l.

Los colectores deben colocarse sobre el techo de manera que no retengan el agua de lluvia.

Posibles formas de montaje de colectores solares

Orientacin e inclinacin de los colectores

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

La orientacin en el hemisferio sur debe ser siempre hacia el Norte tratando de no desviarse ms de20.

Las inclinaciones varan segn la latitud del lugar y la poca del ao. Los clculos para obtener elngulo de inclinacin son los siguientes:

En invierno se le debe sumar a la latitud del lugar 10En verano se le debe restar a la latitud del lugar 20

Si se quisiera dejar fijo durante todo el ao se debe multiplicar la latitud del lugar por 0.9


22/25

Teniendo en cuenta esto, s 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

Conexin de los paneles

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 circuitos. Adems en cada colector la temperatura del agua ira en aumento hastallegar al ltimo colector donde se produciran muchas prdidas de calor.

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

Conclusin

Luego de realizar las pruebas y analizarlas se ha llegado a la conclusin de que la hiptesis ha sidocorroborada, porque:

con el primer colector se logr un suministro de agua caliente de 5 litros y en el segundo de 15litros. En ambos casos la cantidad era suficiente para satisfacer las necesidades planteadas. Enel caso del tercer colector la cantidad de agua caliente brindada no era suficiente porque solo esun litro. Pero de todas formas la construccin de este colector solo persegua fines deexperimentacin de diferentes materiales.

Adems en todos los casos la temperatura del agua superaba los 50 C. En verano la superabaampliamente y en invierno la superaba por 5 C o 10 C. Se debe aclarar que en los das delluvia o extremadamente nublados no se lograba la misma temperatura porque las nubesabsorben la mayor parte de las radiaciones solares.


23/25

Por otra parte los tres colectores no presentan un costo elevado dado que estn construidos conmateriales en desuso. De esta forma se est realizando un reciclaje de estos elementos.

Una vez elegidas las caractersticas del colector que ms se adaptan a las necesidades, laconstruccin del mismo no resulta complicada.

Para construir el colector se necesitaron una serie de herramientas, mencionadas en eldesarrollo, que son comunes en la mayora de los talleres. Adems se debieron adquirir los

conocimientos mnimos sobre el uso de las mismas, fundamentalmente en las operaciones desoldadura.

Estos sistemas no revisten peligro ya que no utilizan ningn tipo de combustible inflamable,como lo hacen los sistemas convencionales. Tampoco producen algn tipo de contaminacin yaque utilizan una energa limpia e inagotable.

Mediante este proyecto se pudo comprobar que los colectores solares tienen una serie de ventajas ydesventajas:

Las ventajas de los tres colectores son las siguientes

Buena temperatura del agua de salida

Tarda poco tiempo en calentar el agua

Los costos son bajos

No producen contaminacin

No consumen ningn tipo de energa no renovable

Su montaje es sencillo

Necesitan un mantenimiento mnimo

Su construccin no es complicada

Los inconvenientes detectados en los tres colectores construidos son: El primer inconveniente es propio de la energa solar. El problema es que esta energa es

intermitente: no est presente de noche y las variaciones atmosfricas (lluvia, nubes, nieve,neblina) afectan su rendimiento

Como la energa solar no es constante es necesario que los acumuladores se encuentrendebidamente aislados para poder proporcionar un suministro constante de agua caliente.

Los tres sistemas estn condicionados a que el acumulador se instale por arriba del colector yaque esto es una condicin indispensable para el funcionamiento del efecto del termosifn.

Los tres colectores fueron construidos con un sistema abierto por lo cual se encuentran

expuestos a la corrosin. Como se explic anteriormente este defecto puede ser solucionadoempleando un sistema indirecto.

Tambin se pudo comprobar que resulta ms eficiente calentar grandes volmenes de agua atemperaturas medias que calentar pequeos volmenes de agua a altas temperaturas. Esto se debe a quelas aislaciones no son 100% perfectas ya que a mayor temperatura del agua aumentar la diferenciatrmica entre esta y el medio. Es por ello que se debe utilizar conjuntamente con los sistemasconvencionales para que estos ltimos eleven la temperatura final del agua a la requerida, sin consumirtanta energa.

Otro inconveniente es la inversin inicial que pocas personas se atreven a realizar. Para ello esnecesario brindar la suficiente informacin para demostrar que la inversin inicial se amortiza a

mediano plazo, y luego genera una zona de ahorro que se extiende por el resto de la vida til de estossistemas, que va de 15 a 20 aos.


24/25

Aplicaciones de los colectores solares para

calentar agua

Los usos que se les pueden dar a los colectores solares son principalmente estos cuatro:

como sistema complementario en el hogar, para calentar aguas de piscinas,

para calefaccin,

para precalentamiento de agua para usos industriales.

Se debe ser muy claro en que estos sistemas no pretenden reemplazan los mtodos tradicionales sinointegrarse a ellos, para lograr un ahorro de las energas no renovables y generar as un beneficioecolgico y econmico para el usuario.

Calentamiento de agua para uso hogareo (complementado con

los sistemas convencionales)

Esquema:

El anterior esquema muestra la forma de implementar un calentador solar de agua intercalado entre eltanque de agua domiciliario y los sistemas ms convencionales de calentamiento de la misma

(termotanque, calefn)Clculos de rendimiento

(Frmulas y datos extrado del libro Energa solar de Quadri Nstor)


25/25

Para calcular la superficie de paneles solares a colocar en una vivienda se debe utilizar la siguientefrmula:

Dnde:

Cd: caudal diario de agua a calentar (l/da)

ts: temperatura de salida del agua del tanque (C)te: temperatura de entrada del agua de la red al tanque (C)

It: surge de la radiacin proyectada, por el sol por metro cuadrado, sobre la superficie inclinada delcolector, en funcin de las horas de asoleamiento y la latitud correspondiente.

n: es el rendimiento del colector que es igual a:

te : temperatura del agua de entrada (C)

ts: temperatura del agua de salida (C)

ta: temperatura del aire exterior

i: intensidad de radiacin solar promedio sobre el rea del colector (watt/metro cuadrado)

Para resolver el clculo de la superficie de colectores necesarios se debe tener en cuenta que:

una persona normal consume 50 litros de agua caliente diarios,

la temperatura a la cual se desea llegar es normalmente 50 C (mejor punto de equilibrio entretemperatura y rendimiento),

la temperatura del agua de entrada oscila entre 10 C y 15 C

Para los clculos prcticos el valor de n suele estimarse entre 0,5 C m/W o 1 C m/W

Es conveniente agregar siempre un 20% ms de superficie de colector para igualar las prdidas de calorque se producen en el acumulador y el circuito que transporta el agua.

Calentamiento de agua para piscinas

Aunque realizar un clculo de este tipo es complicado se puede tener como referencia, que si secolocan tantos metros cuadrados de colector como el 50% de la superficie de la piscina, el agua de lamisma incrementara su temperatura en 8 C. Adems se debe tener en cuenta que el sol incidirdirectamente sobre ella y de noche se podra recubrir para reducir las prdidas.

Precalentamiento de agua para usos industriales

Mediante una gran cantidad de colectores se puede lograr un precalentamiento de agua para usosindustriales. Aunque en la industria se necesitan temperaturas ms altas de las que puede brindar elcolector, este precalentamiento que se le puede brindar, permitira ahorrar energas convencionales.

Recordemos que: es ms eficiente calentar grandes volmenes de agua a temperaturas medias quecalentar pequeos volmenes de agua a altas temperaturas.

Calefaccin de hogares

Mediante la conexin de la salida del acumulador a una serie de radiadores se puede lograr que el aguacaliente circule a travs de ellos dentro del hogar. La temperatura necesaria que debe tener el agua

oscila entre los 40C a 60C.

Centrales Solares Térmicas

Documents

Transcript of Centrales Solares Térmicas