Autor: Joaquín Verdú Aroca

Titulaciones: “Técnico en Instalaciones de Telecomunicaciones”

Centro: I.E.S. Doctor Alarcón Santón (La Roda), Albacete

Departamento: Electrónica/Electricidad

INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS AISLADAS

1.- Introducción.

•Visión global de la energía solar térmica como energía renovable, dentro de lasdiversas tecnologías existentes, sus fundamentos y los tipos de aplicaciones másrelevantes

•Instalaciones solares térmicas para aplicaciones en “baja temperatura” que seemplean para el suministro de ACS , apoyo a la calefacción, climatización de piscinas opara precalentamiento en usos industriales.

•Mecanismos de transmisión de calor en los que se basa la operación de este tipo deinstalaciones: conducción, convección y radiación.

•Características generales de los sistemas y las principales configuraciones existentes,incluyéndose una descripción detallada de los componentes de los sistemas solarestérmicos como el captador solar, el acumulador , el intercambiador , la bomba decirculación, vaso de expansión, válvulas .

•Diseño y la realización de un caso práctico.

2.- Contexto.

•Este tema se impartirá al final de la tercera evaluación del curso dentro del móduloreferido a energías renovables, una vez impartidos en durante el curso los módulos de“Instalaciones eléctricas y domóticas” e “Equipos eléctricos y electrónicos”.

•El tiempo dedicado a su estudio y práctica será entre 2 y 3 semanas, sabiendo quedisponemos de 18 horas semanales en nuestros talleres.

•El resultado que se pretende obtener en el alumno es el conocimiento de las energíasrenovables y más concretamente en la Energía solar térmica, ya que es fundamentalque se el alumno comience a involucrarse en la protección del medio ambiente.

•Además se pretende que el alumno pueda desarrollar una pequeña instalación solartérmica aislada bien para en su propio beneficio o bien para darle una salida laboral endicho sector.

•La forma de evaluar al alumno será por una parte, una prueba escrita que constará deunas preguntas de desarrollo y de un problema o caso práctico y por otra se evaluaráel trabajo desarrollado durante la práctica de una pequeña instalación solar térmicaaislada.

3.- Objetivos.

•Conocer la evolución histórica de la tecnología solar térmica y desarrollo futuro.

•Comprender las características fundamentales de la “radiación solar”.

•Comprender las características básicas de la energía solar térmica y aplicaciones.

•Conocer las características fundamentales de las instalaciones solares térmicaspara aplicaciones en baja temperatura.

•Identificar las diferentes configuraciones existentes en la actualidad.

•Conocer las características básicas de los diferentes elementos que conforman la instalación y su funcionamiento.

•Evaluar la influencia de los diferentes factores externos que condicionan el funcionamiento de los sistemas.

•Conocer la normativa actual aplicable a las instalaciones solares térmicas.

•Comprender y aplicar las herramientas de dimensionado y diseño.

•Diseñar y montar un sistema solar térmico aislado.

4.- Desarrollo.

•En una primera parte, se detallan las características fundamentales de la energíasolar térmica, con sus puntos en común y sus diferencias frente a otras energíasrenovables y las de éstas frente a las energías llamadas convencionales.

•A continuación, se expone la problemática general del sistema energético actual enel que se enmarca, y que motiva, el reciente desarrollo de las energías “noconvencionales”

•Posteriormente se muestran las principales aplicaciones de la energía solar térmica,como son Instalaciones solares para ACS, Instalaciones para ACS y apoyo a lacalefacción, Climatización de piscinas e Instalaciones de Calefacción solarcentralizada.

•Se aborda el estudio del recurso energético: la radiación solar, su variabilidad eincertidumbre dificulta cualquier tarea de diseño y evaluación de una instalación,pero, al tiempo, resulta imprescindible para poder conocer su productividad.

•La transformación de luz en calor se explica en el llamado efecto térmico que seproduce en determinados materiales y los mecanismos de trasmisión de calor enel que basan estas instalaciones: conducción, convección y radiación.

•Posteriormente se describe captador solar térmico en el que se realiza latransferencia energética.

•Se describen los principales componentes de los sistemas autónomos como sonel captador, el acumulador, el circuito hidráulico, el intercambiador, el sistema deregulación y control y por último el generador auxiliar.

•A continuación se aborda el diseño y dimensionado de las instalaciones a partirde las estimaciones de radiación solar del lugar y del consumo eléctrico previsto, yse analiza su operación real sobre el terreno.

5 Ejemplo de diseño de una Instalación Solar Térmica aislada

5.1.- Planteamiento

Disponemos de una vivienda de nueva construcción situada una en Ciudad Real en la que viven 5 personas y están dispuestas a instalar un sistema solar térmico para calentar agua caliente sanitaria (ACS). Se pide comparar el porcentaje de cobertura solar térmica de la instalación con el siguiente colector térmico:

- Marca: SAUNIER DUVAL - Modelo: HELIO PLAN SCV 2.3 - Longitud: 2033 mm - Anchura: 1233 mm - Altura: 80 mm - Área de absorción: 2,327 m2 - Área de apertura: 2,352 m2 - Área total: 2,51 m2 - Volumen: 1,85 l - Tª máxima de estancamiento: 190ºC - Presión máxima: 10 bar - Rendimiento (ŋ0) : 0,736 - Pérdidas: K1 = 2,834 W/m2K K2 = 0,056 W/m2K

5.2.- Resolución

A- Datos de estrada del proyecto:

Localidad: Ciudad Real

Latitud: 39°

Zona Climática: IV

Tipo de edificio: Vivienda Unifamiliar

Nº de personas: 5

Sistema de energía auxiliar: Caso general (gas natural, gasóleo.etc)

Orientación del campo de captadores: Sur

Inclinación de campo de captadores: 40°

Condiciones del entorno: sin sombras

B- Estimación de la demanda energética en A.C.S:

El CTE DB HE4 da como demanda de referencia de ACS a 60°para viviendas unifamiliares 30 litros/día.

Nº viviendas 1

Nº personas por vivienda 5

Consumo por persona 30 L/día

Consumo total de ACS día

(D día)

150 L/día

0,15 m³/día

• Cálculo de la demanda energética mensual (DE Mes)

Para este cálculo necesitamos conocer los valores de la temperatura media del agua de red. Para ello hacemos uso de las tablas que suministra el Pliego del IDEA por provincias.

En nuestro caso buscaremos la correspondiente a “Ciudad Real”

Una vez conocidos estos valores de temperatura de red (T red i) ya podremos calcular la “DE MES” con la siguiente fórmula ya en kWh/mes y con Ddía en m3/día:

DE mes,i (kWh/mes) = 1,16.10 −³. D día . N días i.. C p. ρ. ( T ACS - T red i)

Donde Cp=1kcal/kg.ºC y ρ =1.000 kg/m3

MES Temp. Red DIAS

D día

(M³/día) D Mes (M³/mes)

DE. Mes

(Kwh/Mes)

ENERO 5 31 0,15 4,74 302,36

FEBRERO 6 28 0,15 4,20 263,09

MARZO 8 31 0,15 4,74 285,87

ABRIL 10 30 0,15 4,44 257,42

MAYO 11 31 0,15 4,74 269,37

JUNIO 12 30 0,15 4,44 247,13

JULIO 13 31 0,15 4,74 258,38

AGOSTO 12 31 0,15 4,74 263,88

SEPTIEMBRE 11 30 0,15 4,44 252,28

OCTUBRE 10 31 0,15 4,74 274,87

NOVIEMBE 8 30 0,15 4,44 267,72

DICIEMBRE 5 31 0,15 4,74 302,36

AÑO 3244,73

Contribución Minima A.C.S (EU Solar) f= 60% 1946,84

C- Contribución solar mínima de ACS:

La contribución solar mínima en %, exigido por el CTE DB HE4 en el caso de aporte auxiliar convencional para la Zona Climática IV, cuando la demanda total de ACS del edificio en (m³/día) está comprendida entre (0,05 y 5), será el 60%.

f = 60%

Así la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EU solar, año = f . DE año= 0,3 . 3180,78 = 954,23 Kwh/año

•Tendremos que tener en cuenta en el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, la tabla de CENSOLAR donde se refleja los valores mensuales de radiación solar diaria sobre superficie horizontal “GDI (0°)” en M Julios/m², que reflejaremos una columna de la hoja Excel.

• A continuación, esos “M Julios/m²” los pasaremos a “KWh/m²” en otra columna de dicha tabla. (Para pasarlos multiplicaremos el número por 1000 y dividimos el resultado entre 3600).

•A continuación añadiremos otra columna con el “factor de corrección K” para superficies inclinadas en la cual reflejaremos los valores del recogido en IDAE que en nuestro caso será para una Latitud=39° y una Inclinación=40°.

•Seguidamente añadiremos otra columna que donde se reflejará la radiación solar media incidente sobre una superficie de inclinación β . “Gdi (β)”

La formula es: Gdi (β)= K . Gdi (0°)

•Por último se averiguará la Energía solar media incidente EI mes,i , en otra columna:

EI mes,i = Gdi (β) . N días, mes

D.- Radiación solar incidente sobre el plano de los captadores:

MES DIAS

GDI (0 )

MJUL/M²

GDI (0 )

KWH/M²

K (40 )

L=39 GDI (40 ) E.I mes

ENERO 31 7 1,94 1,37 2,66 82,58

FEBRERO 28 10,1 2,81 1,27 3,56 99,77

MARZO 31 15 4,17 1,15 4,79 148,54

ABRIL 30 18,7 5,19 1,03 5,35 160,51

MAYO 31 21,4 5,94 0,94 5,59 173,22

JUNIO 30 23,7 6,58 0,91 5,99 179,73

JULIO 31 25,3 7,03 0,94 6,61 204,79

AGOSTO 31 23,2 6,44 1,04 6,70 207,77

SEPTIEMBRE 30 18,8 5,22 1,19 6,21 186,43

OCTUBRE 31 12,5 3,47 1,37 4,76 147,47

NOVIEMBE 30 8,7 2,42 1,48 3,58 107,30

DICIEMBRE 31 6,5 1,81 1,46 2,64 81,72

AÑO 15,9 4,42 1779,82

E.- Cálculo del nº de captadores y volumen de acumulación: Método “f-chart”:

Para la aplicación del método f-chart además de los valores de la Demanda energética mensual y de la Energía solar disponible, necesitamos algunos datos adicionales como son:

Modelo del captador: SAUNIER DUVAL (HELIO PLAN SCV 2.3) •Superficie de apertura del captador: 2,352 m²•Superficie de total de los captadores (en nuestro caso 1): 2,352 m²

•Eficiencia óptica (rendimiento) ŋ0: 0,736

•Coeficiente global de pérdidas (K global): K global= K1+K2 (Tm –T amb )•MAI: 0,96 (según el IDEA tiene que estar entre 0,94 y 0,96)•F cint: 0,95 •V acum demanda: Igual al consumo de ACS/día: 150 LitrosSe debe de cumplir según el CTE DB HE4 la relación entre el Volumen de acumulación y la Superficie de los captadores sea 50 l/m2 < (V acum-solar/Sc) < 180 l/m2

En nuestro caso se cumple ya que 150/2,352= 63,77 l/m2

•FC acum: FC acum = ( V acum-solar / Sc)-0.25

75L/ m²En nuestro caso FC acum= 1,04

N cap SC UnitApertura

SC Total

ŋoK global kw/m² °C

V acumDemanda

V acum (litros)

FC Acum

MAI F Cint Temp°ACS

1 2,352 2,352 0,736 0,00580 150 150 1,04 0,96 0,95 60

F.- Calculo del Factor de corrección por temperatura ( FC ACS):

FC ACS = (11,6 + 1,18 T ACS + 3,86 T red – 2,32 T amb) / (100 – T amb)

G.- Calculo de D1:

Es la relación entre la energía absorbida por el captador y la demanda energética mensual.

D1= E Absorbida/ DE mes= (Sc. ŋo. MAI. FCint . Gdm. N días, mes) / DE mes

Tendremos en cuenta que Gdm , es Gdi (40°)

H.- Cálculo de D2:

Parámetro que relaciona las perdidas del captador y la demanda energética mensual.

D2= E perdida/ DE mes= (Sc. Kglobal. FCint.(100-Tamb). FCacum.FCACS.24. N días, mes) / DE mes

I.- Calculo del Factor solar mensual (f mes):

f mes= 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D2

2 + 0,0215 D13

J.- Cálculo de la Energía solar útil aportada (EU solar, mes):EU solar, mes= f mes . DE mes

MES Temp.

Red

Temp.

Amb

DIAS GDI

(40 )

DE. Mes

(Kwh/Me

s)

FC

ACS

D1 D2 f mes Eu

solar

K global

kw/m²

C

ENERO 5 7 31 2,66 302,36 0,84 0,43 1,92 28,2% 85,2 0,00547

FEBRERO 6 9 28 3,56 233,86 0,85 0,67 2,17 45,6% 106,6 0,00535

MARZO 8 12 31 4,79 285,87 0,89 0,82 1,93 57,3% 163,7 0,00519

ABRIL 10 15 30 5,35 257,42 0,93 0,98 2,02 67,2% 173,0 0,00502

MAYO 11 18 31 5,59 269,37 0,93 1,02 1,85 70,0% 188,6 0,00485

JUNIO 12 23 30 5,99 247,13 0,89 1,15 1,66 78,8% 194,8 0,00457

JULIO 13 28 31 6,61 258,38 0,84 1,25 1,36 86,1% 222,4 0,00429

AGOSTO 12 27 31 6,70 263,88 0,81 1,24 1,32 85,9% 226,8 0,00435

SEPTIEMBRE 11 20 30 6,21 252,28 0,89 1,17 1,76 79,3% 199,9 0,00474

OCTUBRE 10 17 31 4,76 274,87 0,90 0,85 1,80 59,8% 164,3 0,00491

NOVIEMBE 8 11 30 3,58 267,72 0,91 0,63 2,07 43,2% 115,5 0,00524

DICIEMBRE 5 8 31 2,64 302,36 0,83 0,43 1,84 28,2% 85,4 0,00541

AÑO 58,44 3215,50 1926,2

Por último se calcula:

K.- Cálculo de la Fracción Solar Anual ( f ):

f = Σ EU solar, mes / Σ DE mes = 1926,2/ 3215,5 = 0,60

La Fracción Solar Anual está en el 60% que es lo que se necesita para este caso, por tanto si cumple.

f= ∑ EU solar / ∑ DE mes

(f ) igual o mayor que

(fcte=60%)

0,60 60%

L.- Cálculo del Rendimiento Anual (ŋ sistema, año):

ŋ sistema, año = Σ EU solar, mes / Σ Sc . EI mes = 1764,8 / (2,352 x 1779,82)= 0,4 → 42% > 40%

El Rendimiento Anual está por encima del 40% que es lo que marca como mínimo el CTE DB HE4 por tanto en este caso si cumple con lo necesario.

Ŋ año =∑ EU solar , mes/ ∑ Sc*EI, mes

42%

Se cumple lo establecido por el CTE:

•La Fracción Solar Anual esta en el 60%, mínimo exigido por el CTE.

•El Rendimiento Medio Anual, es del 42% y sigue estando por encima del 40%.

•También se cumple según el CTE DB HE4 que la relación entre el Volumen de acumulación y la Superficie de los captadores sea, 50 l/m2 < (V acum-solar/Sc) < 180 l/m2

En nuestro caso se cumple ya que 400/2,352= 170 l/m2

CONCLUSIONES

•El estudio y posterior diseño de las instalaciones solares térmicas es un temaprimordial en nuestro campo y con múltiples aplicaciones tanto en el terreno tanto enel terreno teórico como práctico ya que es una forma de autónoma de energía térmicaque con la problemática del agotamiento de los combustibles fósiles adquirirá un augeimportante.

•Posteriormente a este tema se deberían impartir las nociones básicas sobreInstalaciones térmicas de media y alta temperatura, Instalaciones Solares fotovoltaicasy Energía eólica.