Energías Renovables - Semana _9

7/25/2019 Energas Renovables - Semana _9

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CONTENIDO

UNIDAD: CALENTAMIENTO SOLAR

Tipos colectores solares

Sistemas de colector solar

Demanda de agua caliente

rea de los colectores


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DETERMINACIN DE LASDEMANDAS ENERGTICAS Clculo de la demanda:

=

Donde

Ce calor especfico del agua 4,187 kJ/kgC.

CACS consumo diario de ACS, en kg/da con una densidad del agua de 1 kg/l.

taACS temperatura de preparacin del ACS, en C.

taRED temperatura media del agua de red del mes estudiado, en C.

n nmero de das del mes estudiado


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EJERCICIO

Calcular la energa necesaria en una residencia de estudiantes el mes deenero con 55 camas en Quito.

MES DASUNIDAD DECONSUMO

UNIDAD DEDEMANDA taACS taRED

NECESIDADESENERGTICAS

(personas, camas) [l/da] [C] [C] [kJ/mes]Enero 31 55 30 50 15 7 483 245


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DETERMINACIN DE LASDEMANDAS ENERGTICAS

Para el caso de que se elija una temperatura en el acumulador final diferente de 60 C,se deber alcanzar la contribucin solar mnima correspondiente a la demandaobtenida con las demandas de referencia a 60 C. No obstante, la demanda aconsiderar a efectos de clculo, segn la temperatura elegida, ser la que se obtenga apartir de la siguiente expresin:


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BALANCE ENERGTICO

La energa til del captador Q se determina por su comportamiento, expresado enfuncin de la radiacin solar y la temperatura es la diferencia entre la potenciaque absorbe y la potencia perdida:

Donde:

SC superficie del captador, en m2

RI radiacin incidente, en W/m2 transmitancia de la cubierta transparente del colector

absortancia de la placa absorbente del captador solar

UL coeficiente global de prdidas, en W/m2C

tm temperatura media, en C

ta temperatura ambiente, en C

=


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BALANCE ENERGTICO

Analizando la ecuacin de la energa til del captador:

En la realidad el trmino RI :

Si el captador tiene cubierta transparente sencilla se multiplica por

un factor de 0,97. Si el captador tiene cubierta transparente doble se multiplica por

0,94.

=


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BALANCE ENERGTICOFACTOR DE EFICACIA

Relacin entre la potencia captada y la que captara si la temperatura delabsorbedor fuese la misma que la temperatura del fluido a la entrada delcaptador:

Donde:

SC superficie del captador, en m2 RI radiacin incidente, en W/m2

(.)n transmitancia y absortancia del captador con incidencia normal




te temperatura en la entrada, en C

=


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BALANCE ENERGTICOECUACIN DE BLISS

Potencia til del captador solar:

Donde:

SC superficie del captador, en m2

Fr factor de eficacia

RI radiacin incidente, en W/m2 (.)n transmitancia y absortancia del captador con incidencia normal




te temperatura en la entrada, en C

=


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CURVA DE RENDIMIENTO DE UNCAPTADOR SOLAR

Se realizan ensayos bajo condiciones controladas de temperatura y radiacin.

Reemplazando Q:

Considerando como valores constantes al caudal, absortividad, emisividad ylas prdidas:


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CURVA DE RENDIMIENTO DE UNCAPTADOR SOLAR

Fr()n : coeficiente ptico

FrUL

: coeficiente de prdidas, en W/m2C.

Ecuacin General de la recta: y = mx


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EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR

El fluido de mayor temperatura cede calor al de menor temperatura:

La cantidad de calor transmitida responde a:

C caudal msico, en kg/s.

Ce calor especfico del fluido, en kcal/kgC

te temperatura de entrada del fluido

ts temperatura de salida del fluido


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Transmisin de calor mxima:

A la salida del secundario:

Efectividad: cantidad de calor real transmitida / mxima transmisin de calor

posible

EFECTIVIDAD DE UN INTERCAMBIADOR


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EFICIENCIA DEL INTERCAMBIADOR

Depende de:

Superficie de intercambio

Forma geomtrica

Capacidad trmica de los fluidos que circulan por el

Caudales de los fluidos caloportadores

Salto trmico


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REDUCCIN DE LA ENERGA TIL EN ELCAPTADOR

Algunos valores caractersticos de la relacin Fr/Fr en funcin de laefectividad del intercambiador

EI Fr / Fr

0,5 0,88

0,6 0,91

0,7 0,94

0,8 0,97

0,9 0,98


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CLCULO ENERGA INCIDENTE SOBREUNA SUPERFICIE

Factor de Radiacin: RIRI = HK

Prdidas por histresis 6%

Prdidas por radiacin en el plano de captacin FI

Prdidas por sombras FS

RI = HK(0.94)FIFS

MES DASRADIACIN

DISPONIBLE ENPLANO

KFACTOR DEHISTRESIS

FI FSRADIACIN DISPONIBLE EN E

PLANO ORIENTADO EINCLINADO

(MJ/m2 x da) (kJ/m2 mes)


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PRDIDAS POR ORIENTACIN EINCLINACIN

Para 15 < < 90:

PRDIDAS(%) = (1.210-4( pt)2+3.5x10-52)100

Para < 15:

PRDIDAS(%) = (1.210-4( opt)2)100

Donde:

orientacin o acimut de los cap

inclinacin real de los captador

pt inclinacin ptima en funcin d

y perodo de utilizacin de los c

Ejemplo de las zonas de prdidas para un panel orientadoal sur geogrfico segn su ngulo de inclinacin


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CLCULO ENERGA INCIDENTE SOBREUNA SUPERFICIE

Correcciones

En lugares con atmsfera limpia de polucin radiaciones mayores factor 1.5

En ncleos urbanos o elevada contaminacin ambiental factor 0.95

Si existe reflexin de superficies blancas incremento del 3% del valor de la

radiacin


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EJERCICIO

Calcular la radiacin disponible en Quito en el mes de enero sobre un captador

de inclinacin. Radiacin Quito (-1;-79): 3,73 kWh/m2

** Valores disponibles en

MES DASRADIACIN

DISPONIBLE ENPLANO**

K**FACTOR DEHISTRESIS

FI FSRI - RADIA

EL PLAI

(MJ/m2 x da) (kJ

Enero 31 13.43 0.93 0.94 0.95 1


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CLCULO DE LA INSTALACIN

Necesidades Energticas:

Radiacin solar disponible:

MES DAS RADIACIN DISPONIBLEEN PLANO KFACTOR DEHISTRESIS

FI FS RADIACIN DISPLANO ORIENTA

(MJ/m2 x da) (kJ/m2

=


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Clculo acumulacin solar

Consideraciones:

Depende de las condiciones climticas

Depende del periodo de captacin

Depende del almacenamiento de energa

Depende del consumo.


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Clculo acumulacin solar

Recomendaciones:

Si existe coincidencia entre el periodo de captacin y el consumo el volumen de acumu

estar entre 35 y 50 l/m2 de superficie de captacin.

Si existe desfase entre captacin y consumo

Inferior a 24 h entre 60 y 90 l/m2

Entre 24h y 72h 75 y 150 l/m2

Mayor a 72 h depende de las prdidas y ganancias del sistema, se considera el tipo de aisla


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Clculo intercambiadores de calor

Para condiciones de radiacin solar de 1000 W/m2 y un rendimiento de

conversin de energa solar a calor del 50% se cumple:

P = 500 Sc

Si el intercambiador est incorporado al acumulador:

> 0,15


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Consideraciones:

La potencia no es un valor fijo, es funcin de las temperaturas medias del circuito

primario y el secundario.

La temperatura media depende del caudal que circula.


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Consideraciones CTE sobre intercambiadores de calor

Cualquier intercambiador de calor existente entre el circuito de captadores y el

sistema de suministro al consumo no debera reducir la eficiencia del captador debido

a un incremento en la temperatura de funcionamiento de captadores.

Si en una instalacin a medida slo se usa un intercambiador entre el circuito decaptadores y el acumulador, la transferencia de calor del intercambiador de calor por

unidad de rea de captador no debera ser menor que 40 W/m2K.


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F- CHART

Mtodo de clculo para estudiar el comportamiento energtico de un

pre-dimensionamiento de una instalacin .

Utiliza datos mensuales y permite determinar el rendimiento o factor de

cobertura solar en instalaciones mediante captadores solares planos.


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F- CHART

El clculo se puede obtener a travs de grficas o con el uso de ecuaciones.


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Clculo de prestaciones a partir del F-CHART

1. Valoracin de las cargas calorficas para el calentamiento de agua destinada a laproduccin de A.C.S. o calefaccin.

2. Valoracin de la radiacin solar incidente en la superficie inclinada del captador captadores.

3. Clculo del parmetro D1.

4. Clculo del parmetro D2.

5. Determinacin de la grfica f.

6. Valoracin de la cobertura solar mensual.

7. Valoracin de la cobertura solar anual y formacin de tablas.


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Parmetro D1:

Determinacin de la energa absorbida Qa:

Sc : Superficie de captacin

RI: Radiacin disponible

n: nmero de das del mes

=

=

=


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El trmino / no es constante a lo largo del da y cambia en funci

orientacin del captador y la poca del ao.

Se aproxima a un valor de 0,97 porque se estima una disminucin de su valor

experimental del 3% en su rendimiento terico, adems de considerar las variaci

la transmitancia por la suciedad y el envejecimiento de la cubierta.


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Determinacin de Fr/Fr:


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Ejercicio: Clculo D1

Calcular D1 para una instalacin en una vivienda de 4 habitaciones en laciudad de Quito.

Ver en tablas la radiacin media en junio, en kWh/m2.

tRED= 10 C

EI=0.7 Fr/Fr (ver tabla o calcular)

Superficie til de captacin 2,53 m2

Fr()n (coeficiente ptico): 0,8090

FrUL (coeficiente de prdidas): 3,59 W/m2C

Relacin ()/()n : 0,96

Ce1 fluido caloportador circuito primario 0,92 kcal / kg C


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Calcular D1 para una instalacin en una vivienda de 4 habitacionen la ciudad de Quito.

=

=

=

MES DAS RADIACIN DISPONIBLEEN PLANO** K**FACTOR DEHISTRESIS

FI FSRI - RADIACIN DISPONIBLE EN ELPLANO ORIENTADO E INCLINADO

(MJ/m2 x da)

(kJ/m2

mes)Junio 30 12.49 1.04 0.94 0.95 1 347 991


UNIDAD DEDEMANDA

taACS taREDNECESIDADESENERGTICAS

(personas, camas) [l/da] [C] [C] [kJ/mes]

Junio 30 6 35 50 10 252 000


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Calcular D1 para una instalacin en una vivienda de 4 habitacionen la ciudad de Quito.

=

=

=

MES DAS RADIACIN DISPONIBLEEN PLANO** K**FACTOR DEHISTRESIS

FI FSRI - RADIACIN DISPONIBLE EN ELPLANO ORIENTADO E INCLINADO

(MJ/m2 x da)

(kJ/m2

mes)Junio 30 12.49 1.04 0.94 0.95 1 347 991


UNIDAD DEDEMANDA

taACS taREDNECESIDADESENERGTICAS

(personas, camas) [l/da] [C] [C] [kJ/mes]

Junio 30 6 35 50 10 252 000

Mes das Sc Fr( )n

RI Qa

m2 [kJ/m2 mes] [kJ/m2 mes]

Junio 30 2.53 0.809 0.94 0.96 347 991 642 741


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Clculo de prestacionesa partir del F- CHART

Parmetro D2 Relacin entre la prdida de energa y la carga calorfica

Determinacin de la energa perdida Qp:

Donde:

Sc superficie del captador, en m2.

FrUL coeficiente global de prdidas del captador, en W/m2C.

Ta Temperatura ambiente media mensual, en C

t Perodo de tiempo considerado, en s.

K1 Factor de correccin por almacenamiento

K2 Factor de correccin para ACS , relaciona temperaturas.

=

= 100


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Considerando la relacin:50 < V/Sc < 180

=

7 5

.

37.5 <

< 300

=11.6 + 1.18 +3.86 2.32

100


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Una vez conocidos los valores de D1 y D2 se obtiene lafraccin solar f, el cual debe ser comparado con el fasumido inicialmente, si no se aproximan lo suficiente necesario recalcular su valor.

Valoracin anual de la cobertura solar se obtiene sumalos valores de cada mes:


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La valoracin de la cobertura solar no debe ser inferior a la mnima

recomendada (Entre el 50% -70% Espaa, en el Ecuador an no est

normado).

Consideracin del Rendimiento Energtico del captador

Se realiza una aproximacin cuadrtica del rendimiento en vista que para

una mejor aproximacin de mtodo se requiere la curva lineal delcaptador en base a la temperatura de entrada.


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Por lo tanto los datos que proporcionan los fabricantes, luego de determinar

las prestaciones energticas del captador (descrito en la norma UNEEN

12975), son los siguientes:

Coeficiente de rendimiento o (adimensional).

Coeficiente de perdidas lineal a1 en W/m2K

Coeficiente de prdidas cuadrtico a2 en W/m2


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NORMA TCNICA ECUATORIANA NTE INEN 2 507:2009RENDIMIENTO TRMICO DE COLECTORES SOLARES EN SISTEMAS DECALENTAMIENTO DE AGUA PARA USO SANITARIO. REQUISITOS.Primera Edicin

SECCIN 6: DISPOSICIONES ESPECFICAS

6.1 Parmetros caractersticos para el dimensionamiento de sistemas solarestrmicos de calentamiento de agua. Se debe tener en cuenta el destino parael cual se dise la edificacin en donde se instalar el sistema, as como elnmero y actividades de sus ocupantes.

a) Consumo y temperatura de agua caliente. El volumen de agua caliente que el

sistema debe suministrar diariamente para el consumo, puede tomarse como reglaque en promedio por persona se requieren aproximadamente 50 litros de agua a 50C , por da.

b) Carga diaria promedio. El volumen de agua caliente que los colectores debenaportar diariamente al sistema a la temperatura mxima prevista, por cada metrocuadrado de superficie del absorbedor, est entre 200 y 300 litros por cada metrocuadrado de

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