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Una breve descripción de las distintas tecnologías usadas para aprovechar la energía radiante del sol.

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Trabajo Practico Energías Renovables “Energía Solar Térmica” Herramientas de optimización para el uso racional de la energía. Gervasoni Andrés Martín- Seletti Fausto Daniel

Universidad Tecnológica Nacional Regional Rosario (UTN FRRO)

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Herramientas de optimización para el uso racional de la energía.

Gervasoni Andrés Martín- Seletti Fausto Daniel

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Índice

Introducción………………………………………………………………………………………………………………………………………………2

Objetivo……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..6

Material……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..7

Colectores solares……………………………………………………………………………………………………………………………………….8

Colector solar plano…………………………………………………………………………………………………………………………………..10

Diseño de un colector solar plano……………………………………………………………………………………………………………..12

Orientación e inclinación del colector solar plano……………………………………………………………………………………..15

Caudal de agua y área del colector ,ejemplo..................………………………………………………………………………….16

Demanda energética anual………………………………………………………………………………………………………………………..17

Colector de tubos de vacío…………………………………………………………………………………………………………………………18

Eficiencia de los tipos de colectores y sistemas de circulación………………………………………………………………….20

Cocina solar……………………………………………………………………………………………………………………………………………….22

Centrales térmicas solares…………………………………………………………………………………………………………………………23

Conclusión…………………………………………………………………………………………………………………………………………………26

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Introducción

Nuestro trabajo en este caso es dar a conocer la energía solar térmica, principales usos, ventajas y desventajas,

breves cálculos y explicaciones de los distintos métodos para aprovecharla.

El término energía (fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversas acepciones y definiciones,

relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.

En nuestro caso al hablar de solar térmica estudiaremos como transformar la energía proveniente del sol en

otro tipo de energía ya que el sol la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en

nuestro planeta. Localizado a una distancia media de 150 millones de kilómetros, tiene un radio de 109 veces

el de la Tierra y está formado por gas a muy alta temperatura. En su núcleo se producen continuamente

reacciones atómicas de fusión nuclear que convierten el hidrógeno en helio. Este proceso libera gran cantidad

de energía que sale hasta la superficie visible del Sol (fotosfera), y escapa en forma de rayos solares al espacio

exterior. Se calcula que en el interior del Sol se queman cada segundo unos 700 millones de toneladas de

hidrógeno, de las que 4,3 millones se transforman en energía. Una parte importante de esta energía se emite a

través de los rayos solares al resto de planetas, lunas, asteroides y cometas que componen nuestro sistema

solar. Más concretamente, hasta la Tierra llega una cantidad de energía solar equivalente a 1,7x1014 kW, lo que

representa la potencia correspondiente a 170 millones de reactores nucleares de 1.000 MW de potencia

eléctrica unitaria, o lo que es lo mismo, 10.000 veces el consumo energético mundial. Si tenemos en cuenta

que las previsiones actuales apuntan a que, en los próximos 6.000 millones de años, el Sol tan solo consumirá

el diez por ciento del hidrógeno que contiene en su interior, podemos asegurar que disponemos de una fuente

de energía gratuita, asequible a todos (cualquier país puede disponer

de ella) y respetuosa con el medio ambiente, por un periodo de

tiempo prácticamente ilimitado.

Como punto de partida debemos tener en cuenta que la luz es una de

las formas que adopta la energía para trasladarse de un lugar a otro.

En el caso del Sol, los rayos solares se propagan a través del espacio

en forma de ondas electromagnéticas de energía. Este fenómeno

físico, más conocido como radiación solar, es el responsable de que

nuestro planeta reciba un aporte energético continuo de

aproximadamente 1.367 W/m2.

Debido a los procesos que sufren los rayos solares cuando entran en contacto con los diferentes gases que

componen la atmósfera, una tercera parte de la energía solar interceptada por la Tierra vuelve al espacio

exterior, mientras que las dos terceras partes restantes penetran hasta la superficie terrestre.

La energía solar térmica aprovecha la radiación del sol para calentar un fluido que, por lo general, suele ser

agua o aire. La capacidad de transformar los rayos solares en calor es, precisamente, el principio elemental en

el que se basa esta fuente de energía renovable.

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Aplicaciones de la Energía Solar

El desarrollo tecnológico actual permite aprovechar la energía del Sol para los usos más diversos.

En este grafico se pueden observar los kilowatts/h proporcionados por la radiación solar, a la izquierda en

verano y derecha en invierno, por lo que se puede ver que en la provincias que están más al norte,

aprovecharían mejor este tipo de energía.

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Clasificación de las energías solares.

Energia Solar

Sistemas termicos

Centrales termoelectricas solares o termosolares

para produccion de energia electrica

Sistemas domesticos: Termotanques solares , cocinas

solares para produccion de calor en agua, coccion de alimentos

Sistemas electricos

Energia solar fotovoltaica

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Ejemplo utilización:

Termotanques solares

Cocinas solares

Centrales térmicas solares

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1. Objetivo

Este informe tiene como objetivo brindar información general sobre la energía solar térmica, como

aprovecharla, con que métodos y sistemas, mejoras y explicaciones de los sistemas actuales, como trabajan y

como se calculan.

¿Porque se busca utilizar energías renovables?

Simplemente por el mismo echo que son prácticamente inagotables, son limpias, es decir que no generan

contaminación, lo cual es nuestro principal problema en estos tiempos.

El principal efecto de la contaminación que producen los combustibles es el de los gases emanados en el

denominado calentamiento global. La temperatura en la superficie de la Tierra viene dada por un equilibrio

entre la energía radiante del Sol y el calor reflejado por la Tierra al espacio. Los gases invernadero de la

atmósfera absorben el calor en forma de radiación infrarroja y ejercen un efecto invernadero, lo cual permite

mantener la temperatura de la superficie en un promedio de 15 grados centígrados y crear el ambiente

propicio para la existencia de seres humanos, animales, plantas y otras formas de vida. Así ha sido desde el

inicio de la vida en el planeta, pero la acción del hombre y su desmedido afán de energía están ocasionando un

desequilibrio en la naturaleza con impactos que ya se están sintiendo. La concentración de CO2 en la

atmósfera ha crecido desde 280 ppm (partes por millón) antes de la Revolución Industrial hasta 358 ppm en

1994. De mantenerse esa tendencia, llegaría a 500 ppm en el año 2050. El impacto de las actividades humanas

en el calentamiento global debido a los gases invernadero se da en las siguientes proporciones: dióxido de

carbono, 63,7%; metano, 19,2%; fluorocarbonos, 10,2%; subóxido de nitrógeno, 5,7%; y otros, el 1,2%

restante. Debido a la mayor concentración de gases invernadero, principalmente CO2, la energía en forma de

calor que se refleja al espacio, se mantiene durante más tiempo junto a la superficie de la Tierra,

produciéndose un aumento de la temperatura. Como podemos observar, el mayor causante del calentamiento

global es el dióxido de carbono y el origen de estas emisiones se debe al uso de combustibles fósiles. Las

emisiones de un motor de combustión interna como el usado en los automóviles, incluye, además de CO2 y

vapor de agua, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono (CO). Estos dos últimos gases son

los que causan daños en la salud y envenenamiento de las personas. El uso de convertidores catalíticos reduce

significativamente el nivel de estos contaminantes

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2. Material

Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Él es la causa de los vientos, de la evaporación de

las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Su

calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de los vegetales

y de los animales que con el paso de los siglos han originado combustibles fósiles como el carbón o el petróleo.

La radiación solar tiene otra importancia capital: otras formas de energía renovable, como el viento, las olas o

la biomasa no son más que manifestaciones indirectas de ésta.

¿Cómo aprovechar la energía solar térmica?

Cuando hablamos de energía, generalmente se busca o se debe transformarla, en nuestro caso al hablar de la

energía solar, se puede transformar directamente en energía eléctrica con paneles solares, o se puede

acumular el calor que traen por radiación los rayos solares y con ello usar este tipo de energía térmica en

cocinar alimentos como en las cocinas solares o bien usar este calor en un ciclo termodinámico y con este

mover un generador para generar energía eléctrica como en las centrales térmicas solares, también se puede

usar este calor para calentar agua para uso doméstico como en los termotanques o radiadores solares.

Ventajas de la energía solar:

•La más importante de todas las ventajas es que este tipo de energía no contamina.

•Al estar hablando de la energía solar podemos afirmar que es una fuente inagotable.

•Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas donde el tendido eléctrico no llega (zonas

rurales, montañosas, islas), o es dificultoso y costoso su traslado.

•Los sistemas de captación solar que se suelen utilizar son de fácil mantenimiento, lo que facilita su elección.

•El costo disminuye a medida que la tecnología va avanzando, mientras que el costo de los combustibles

fósiles aumenta con el paso del tiempo porque cada vez son más escasos.

•La única inversión es el coste inicial de la infraestructura, pues no requiere de ningún combustible para su

funcionamiento, y se puede amortizar a los 5 años de su implantación.

•La energía solar fotovoltaica no requiere ocupar ningún espacio adicional, pues puede instalarse en tejados y

edificios.

•La disponibilidad de energía solar reduce la dependencia de otros países para el abastecimiento de energía

de la población.

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Desventajas de la energía solar

• El nivel de radiación de esta energía fluctúa de una zona a otra, y lo mismo ocurre entre una estación del año

y otra, lo que puede no ser tan atractivo para el consumidor.

•Cuando se decide utilizar la energía solar para una parte importante de la población, se necesitan grandes

extensiones de terreno, lo que dificulta que se escoja este tipo de energía.

•Además, otra de las desventajas, es que inicialmente requiere una fuerte inversión económica a la que

muchos consumidores no están dispuestos a arriesgarse.

•Muchas veces se debe complementar este método de convertir energía con otros, como por ejemplo las

instalaciones de agua caliente y calefacción, requieren una bomba que haga circular el fluido.

3.Colectores Solares

Un colector solar transforma la radiación solar en calor. La frecuencia de la radiación solar que se aprovecha en los colectores solares está en el rango entre 300 y 3000 nm, es decir incluye el espectro visible más la radiación infrarroja cercana.

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Existen básicamente 3 tipos de colectores solares: el plano, de tubos evacuados y el concentrador parabólico. El de tipo plano y de tubos permite temperaturas entre los 20 y 120°C; y, el concentrador entre 150 a 800°C. Los 2 primeros se utiliza para calentamiento de agua o aire en residencias, piscinas e industrias que requieren una temperatura baja; mientras que el ultimo se usa en sistemas de vapor para hospitales, industrias y grandes instalaciones incluyendo plantas de generación eléctrica que necesitan mayor temperatura (termosolares). Pero dentro de los colectores para calentamiento de agua tenemos los siguientes clasificaciones:

Colector solar plano Es una caja metálica con una cubierta de vidrio o un material que permite el paso de la luz hacia una lámina metálica, generalmente de cobre pintada en negro o recubierta de una película de alta absortividad a la que está sujeta, sea por medio de soldadura o presión, una rejilla o serpentín de tubos de cobre por los que circula agua. Los tubos y la lámina forman la placa colectora la misma que se asienta sobre una capa de material altamente aislante que preserva el calor. La base del colector es por lo general metálica.

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Las partes de un colector solar plano se muestran en el la Fig. 7.2:

CONSUMO

El consumo de agua caliente a 38º en una vivienda por día y por persona es de 60 a 100 litros, variando de

acuerdo a los hábitos de vida. El agua a 38º se obtiene mezclando el agua del termotanque (superior a los 55º)

con agua fría, en una proporción 60 a 40 aproximadamente. Como ejemplo para una vivienda habitada por

cuatro personas, y según los hábitos de vida de sus ocupantes, el termotanque debe producir por día entre

150 a 250 litros de agua. Para otras aplicaciones los consumos de agua a 38º por día y por persona son:

En Hospitales: 90 litros ;En Hoteles, posadas: 80 litros; En Clubes, baños de personal: 20 litros ;

En Comercios, oficinas: 8 litros; En Restaurantes: 10 litros por comida.

MODELOS

El tamaño del termotanque necesario para calentar el agua de una vivienda familiar está determinado por

varios factores, entre los más importantes se cuentan los siguientes: Cantidad de personas que habitan,

hábitos de vida de los mismos, lugar geográfico, temperatura del agua fría, composición salina del agua.

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Colector plano de caucho

Es una variante del colector solar plano pero en este caso su principal función es el calentamiento o

climatización de piletas, debido a su gran área de captación bajo peso debido a su construcción en materiales

plásticos.

El sistema de climatización permite disfrutar de la piscina a una temperatura agradable (entre 27°C a 32° C

regulables), durante el período de octubre a abril.

Son sistemas forzados ya que solo se ponen en marcha cuando la temperatura del colector es adecuada,

generalmente son automáticos y solos prenden una bomba que hace circular el agua hasta que le quita todo el

calor al colector.

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El diseño óptimo de un colector solar debe permitir absorber la mayor cantidad de radiación solar y reflejar lo mínimo de modo que toda la energía se transfiera al agua que circula en los tubos. Las pérdidas por convección y radiación a la atmósfera en la parte superior del panel deben ser mínimas al igual que las pérdidas por conducción en el aislamiento inferior y lateral del colector y en la placa colectora. Sigamos la trayectoria de la energía en el colector desde la que recibe del Sol hasta llegar al agua en los tubos. La parte de la radiación del Sol G que incide sobre la placa es G AC, donde AC es el área del colector. A su vez, una parte de ésta se transmite a través del vidrio (y del aire entre el vidrio y la placa colectora) hacia la placa colectora, lo cual viene dado por un índice de transmitividad τ. La radiación que incide sobre la placa colectora es entonces τ . G. AC .

Una parte de esta radiación es absorbida por la placa colectora (placa más tubos de cobre) lo cual viene dado por un índice de absortividad α. Esta es la energía útil o cantidad de calor útil QU y es la que finalmente llega al agua en los tubos. Sin embargo, la energía QU no se puede entregar totalmente a los tubos pues hay pérdidas en la parte superior del colector QT, en los lados QS y en el fondo o base del mismo QB. El balance energético en el colector viene dado por la suma de todas las energías de entrada y salida del sistema, y podemos representarlo como:

Donde: QU = Cantidad útil de calor en Joules. τ = Coeficiente de transmitividad del vidrio, adimensional. Debe tender a 1. α = Coeficiente de absortividad de la placa colectora, adimensional. Debe tender a 1. G = Radiación solar en W m-2. AC = Área del colector en m2. QT = Cantidad de calor que se pierde en la parte superior del colector. QB = Cantidad de calor que se pierde en la parte inferior del colector. QS= Cantidad de calor que se pierde en los lados del colector.

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Recordemos que la energía del Sol cambia constantemente por lo que esta ecuación se la debe entender como válida para un instante determinado de tiempo. La cantidad de calor útil en el colector QU se transfiere a la masa de agua que circula en los tubos del colector y por el circuito de agua. Esta energía viene dada por la ecuación Q=mf cp ΔT, que habíamos visto, donde destacamos que la masa mf es la cantidad de agua que está circulando en el sistema (flujo de masa). El cambio en temperatura ΔT es la diferencia entre la temperatura final de la placa del colector Tp y la temperatura ambiente Ta, es decir ΔT=Tp-Ta. Si agrupamos las dos ecuaciones para QU obtenemos:

Las pérdidas de calor en el colector dependen de: • el área del colector, • la temperatura en las diferentes partes del colector (vidrio, placa, tubos, y otros), • la temperatura ambiente. Las pérdidas de calor se transfieren a la masa de agua. Como la masa de agua en el colector es constante y el líquido es agua con un calor específico dado, entonces las pérdidas de calor se pueden representar por:

Donde: UL = Coeficiente integral de transferencia de calor del colector, que viene dado por el fabricante en [W m-2 oC-1]. QP = Cantidad de calor por pérdidas del colector en Joules Ta = Temperatura ambiente en oC Tp = Temperatura de la placa del colector en oC Ac = Área del colector en m2 Podemos entonces escribir nuestra ecuación de balance energético del colector como:

Sin embargo, esta ecuación no nos resulta muy útil pues la temperatura de la placa del colector no es fácil de determinar y no la podemos controlar ya que cambia con la radiación del Sol. Lo que sí podemos controlar es la temperatura de ingreso del agua al colector, por lo que convendría encontrar una ecuación equivalente en función de esta temperatura.

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Esto se consigue mediante una serie de análisis que no serán cubiertos y nos llevan a la ecuación del colector que sigue:

Donde:

FR = Factor de retención de calor del colector, que determina la capacidad de aprovechamiento de la

radiación solar del colector e incluye todos los parámetros de transferencia de calor en el vidrio, la placa

colectora, el aislamiento, el diseño del colector (diámetro, longitud y separación de los tubos), de la placa al

líquido y el caudal de masa de agua. Este valor viene dado por el fabricante del colector.

Ti = Temperatura del agua a la entrada del colector.

Esta ecuación es la más importante en sistemas de colectores solares.

Orientación e Inclinación del Colector

Al igual que en el caso del panel fotovoltaico, la cantidad de energía que podemos extraer del colector solar depende de la radiación solar que recibe, tanto directa como indirecta(reflejada) o difusa. La mejor orientación del colector se obtiene con un ángulo de inclinación igual a la latitud del sitio donde se instalará el colector y en dirección a la línea equinoccial. Si bien el óptimo ángulo de inclinación en el Ecuador sería cero grados, se prefiere el ángulo de entre 5 y 10 grados por asuntos de limpieza del colector con la lluvia.

Para poder calcular la cantidad de calor aprovechable de un colector solar y comparar los colectores entre sí,

nos interesa conocer su eficiencia. Recordemos que la eficiencia en una relación de la energía ingresada al

sistema respecto de la energía producida. La fuente de energía del colector es la radiación solar, en tanto que

la que se obtiene es la cantidad de calor útil QU. La eficiencia del colector para condiciones determinadas de

radiación y temperaturas de ambiente y de entrada es:

El primer término nos da una información sobre la calidad óptica del colector, es decir cuánta radiación solar se aprovecha; mientras que el segundo nos indica las pérdidas térmicas en el colector.

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Absortividad y Superficies Selectivas La eficiencia del colector es máxima si el producto τα es lo más cercano a 1. Un buen colector tiene normalmente valores de τ = 0,9 y de α = 0,95. La transmitividad depende de la frecuencia de la radiación y para el vidrio se reduce casi a cero para valores mayores a 4000 nm. Lo que se busca es reducir al mínimo la radiación que el colector refleja al ambiente, lo cual viene dado por el valor de emisividad del material ε. El vidrio tiene la cualidad de retener la radiación de onda larga infrarroja. Para aprovechar al máximo la radiación solar la placa absorbedora debe ser de color negro. Generalmente se aplica una pintura especial que se fija al metal, pero con el paso del tiempo y por las altas temperaturas que pueden llegar a cerca de 200oC, la pintura se quiebra y se desprende de la placa, reduciendo la eficiencia del colector. Se ha desarrollado nuevas tecnologías de materiales que permiten una máxima absortividad en las frecuencias hasta 3000 nm y una baja emisión en ondas infrarrojas, con el recubrimiento de una lámina de superficie selectiva sobre la placa de cobre o aluminio. Los materiales empleados para absorbedores solares selectivos son: galvánicos en negro de cromo, negro de níquel y compuestos de titanio (TINOX). Este último, con una coloración azul, ha logrado valores de absortividad de 95% y emisividad de 5%.

Radiación Crítica El segundo factor de la ecuación de eficiencia debe ser mínimo para que la eficiencia sea la máxima posible. Esto se consigue de dos formas: a) mientras más grande es el valor de G, y b) si la diferencia de temperatura Ti-Ta es mínima, es decir que la temperatura del agua que ingresa al colector debe ser igual a la temperatura ambiente. El valor crítico o mínimo de radiación que debe incidir sobre el colector para obtener un calor útil es aquel en que la radiación absorbida es igual a las pérdidas térmicas, esto es:

Donde: GC es la radiación crítica instantánea.

Caudal de Agua Si tomamos la ecuación de eficiencia en función de las temperaturas de entrada y salida del Colector podemos ver que la eficiencia depende también de la relación entre el caudal de agua que fluye en el circuito colector–tanque–colector y la diferencia de temperatura medida entre la salida del colector y la salida del tanque hacia el colector. De allí que para mantener la misma eficiencia, cuando la temperatura de salida del colector se incrementa, el caudal de agua debe reducirse, y viceversa. Normalmente esto se hace mediante una bomba que se activa o desactiva para mantener este diferencial de temperatura constante, entre 10°C a 20°C. Dependiendo del nivel de radiación la temperatura también cambia y con esta bomba se puede variar el caudal para optimizar la eficiencia del colector, lo cual se consigue con sistemas de control electrónico y bombas de velocidad variable.

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Ejercicio 1 Los datos del fabricante de un colector solar plano para agua son los siguientes: FRτα = 77,9%, FRUL= 2,64 *W/(m2K)+, área del colector (bruta) 6,19 m2, área efectiva del absorbedor 5,93 m2. a) Calcular la radiación crítica requerida para producir calor útil si la diferencia de temperatura de ingreso al colector y el ambiente es de 10K. b) ¿Cuál es la eficiencia del colector en condiciones estándar de prueba? c) ¿Para estas condiciones cuánto calor útil podemos obtener del colector? Solución:

a) La radiación crítica viene dada por la ecuación:

; reemplazamos valores y tenemos

b) Condiciones estándar aplicables son: G=1000 W/m2 y Ta=25°C. La ecuación de eficiencia queda:

C) Según normas, los datos del fabricante se determinan para el área bruta del colector que es la que debemos tomar, entonces

Área del Colector y Calor Útil La cantidad de calor útil QU tiene una relación directamente proporcional con el área. Si se quiere más calor útil se debe aumentar el área. Sin embargo, en la práctica, al duplicar el área del colector no se puede conseguir el doble de calor útil pues un colector más grande no trabaja a plena capacidad como lo hace el más pequeño. Además, si el área es excesiva, el calor generado se pierde, por lo que en el diseño se debe calcular un área óptima en base de la información exacta de la carga térmica requerida y de la radiación solar promedio. Pretender satisfacer la totalidad de la demanda térmica con calentadores solares durante todo el año no es rentable porque hay variaciones en la radiación solar. Se debe siempre pensar en disponer de un sistema mixto de calentamiento eléctrico, gas, biomasa o diesel que se complemente con el sistema solar. El factor de cobertura solar de la demanda con calentamiento solar usualmente es rentable hasta un 60% de la demanda anual para el caso de calentamiento de agua más calefacción, y de hasta un 90% sólo para calentamiento de agua (residencias y piscinas). Existen programas de computador que facilitan este cálculo y el diseño de los sistemas termosolares.

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Tomamos del fabricante el dato del rendimiento anual del colector y fijamos el factor de cobertura solar. Supongamos que queremos cubrir un 60% del total de la energía con nuestro colector, que la producción anual de un colector de 3 m2 es de 594 kWh/m2 y que las pérdidas del sistema solar son del 20%, entonces:

Área del colector

Para nuestro caso del ejemplo: Qd = 2858 kWh, Fs = 60%, Rc = 594 kWh/(m2 año) y Fp = 20%. El colector del ejemplo debe tener un área de al menos 3,6 m2 para suplir el 60% de la demanda anual para calentamiento de agua. Demanda Energética Anual Nos interesa conocer la demanda de energía térmica de la vivienda durante un período. El período a tomar, que puede ser diario, semanal, mensual o anual depende de la información sobre la radiación solar que dispongamos para el sitio. Procedamos a calcular la demanda energética anual de una vivienda con cinco personas y consumo de agua promedio de 150 litros por día a una temperatura promedio de 45°C. El calor requerido :

Anualmente:

Tanque de Almacenamiento El tamaño del tanque de almacenamiento de agua caliente debe mantener la reserva de agua de uno a un día y medio. Si en nuestro ejemplo la demanda era de 150 litros entonces, el tanque debe tener entre 150 y 225 litros de capacidad. Dividiendo el volumen de agua del tanque para el área del colector nos da 41,7 lt/m2 de colector, en el primer caso (150 litros); y, 62,5 lt/m2 de colector en el segundo (225 litros). Normalmente, para calentamiento solar de agua se toma como volumen del tanque de almacenamiento entre 40 lt a 50 lt por cada metro cuadrado de colector. Si necesitamos también calefacción este valor se toma como 75 lt por m2 de colector. Es importante notar que el agua al interior del tanque de almacenamiento tiene una temperatura variable en función de la altura. Como el agua caliente sube, la parte más alta es la más caliente y es de ahí donde debemos tomar la salida de agua para usarla en la residencia. El agua que llega del colector ingresa al tanque por lo general a una altura de un tercio del fondo. El agua fría que sale del tanque hacia el colector debe tomarse lo más bajo posible, pues así reducimos las pérdidas en el colector.

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4.Colector solar de tubos de vacío

Un panel solar de tubos de vacío es un tipo de colector solar que aprovecha la energía solar térmica, formado

por colectores lineales alojados en tubos de vidrio al vacío.

Cada colector de tubo de vacío consiste en la disposición de tubos en líneas paralelas formadas por un tubo

exterior y otro interior o de absorción. Está cubierto mediante una capa que absorbe la energía solar,

inhibiendo la pérdida por radiación. Al evacuar el aire y hacerles el vacío en el espacio que existe entre ambos

tubos, se evita pérdidas por convección y conducción.

El panel tiene estructura de peine, con un mástil que conduce el fluido caloportador (sistema indirecto) o

directamente el agua para uso (sistemas directos) y una serie de tubos a modo de púas donde se produce la

captación de la radiación solar.

El colector de tubos de vacío se basa en el “principio de concentración”.

Dentro de este sistema tenemos 3 tipos distintos :

All Glass

Heat Pipe

U-Pipe

Sistema all glass

Sistema U-pipe

Sistema Heat pipe

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Características

Los paneles de tubos suelen incorporar una placa inferior reflectante por debajo del plano de los tubos, de

manera que puedan aprovechar su forma cilíndrica para absorber la energía reflejada en la placa. En general,

los tubos son más eficientes en días fríos, ventosos o nubosos, donde la concentración y el aislamiento de la

superficie captadora presenta ventajas sobre la mayor superficie captadora de los paneles planos.

Los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas paredes se hace un vacío muy

elevado (en torno a 0,005 pa), y el vidrio interior suele llevar un tratamiento a base de metal pulverizado para

aumentar la absorción de radiación. Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo fluorescente;

en torno a los 60mm de diámetro y 180cm de largo.

La diferencia entre colectores planos y de tubos de vacío consiste fundamentalmente el aislamiento: en los

colectores planos existen pérdidas por convección, mientras que en los tubos, al estar aislados al vacío, estas

pérdidas se reducen a valores en torno a un 5%, que suponen hasta un 35% menos con respecto a los paneles

planos, lo que permite incrementar el rendimiento de forma notable, anunciándose incluso aumentos de

196% frente a los colectores planos.

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Eficiencia de los distintos tipos de colectores.

Sistemas de circulación

Existen básicamente dos tipos de sistemas de calentamiento de agua con colectores solares de acuerdo a su sistema de circulación: pasivo (termosifón) y activo (forzados). La diferencia entre los dos es que el sistema activo requiere de energía adicional (mecánica, eléctrica o térmica) para su funcionamiento, en tanto que el sistema pasivo utiliza exclusivamente la energía térmica (solar) propia del colector. El sistema pasivo más utilizado es el termosifón y el activo es el de ciclo abierto con bomba.

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Termosifón El calentamiento con termosifón consiste en instalar un tanque de almacenamiento de agua a una altura superior del colector. El agua caliente del colector, por ser menos densa, se desplaza hacia arriba y esta se almacena en el tanque. El tanque es aislado para mantener la temperatura del agua para su posterior uso. Por gravedad, el agua fluye luego hacia las salidas de agua caliente en la residencia. Entre las ventajas se puede mencionar que es un sistema simple, de fácil instalación y tiene un precio bajo, pero sus desventajas son:

• Depende de la presión de agua de ingreso a la residencia para la circulación de agua por el colector. • Si entra aire al sistema se interrumpe el flujo de agua. • Depende totalmente de la radiación solar para la disponibilidad de agua. • Al estar expuesto el tanque al ambiente exterior está sujeto a una mayor pérdida del calor almacenado. • La temperatura del agua no tiene control. • Necesita de un elemento adicional para calentamiento con gas o electricidad.

Sistema de Bomba

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El sistema de calentamiento de agua activo comprende: colectores solares en el techo, tanque de almacenamiento, bomba de circulación, termostato eléctrico o equipo de calentamiento adicional, sistema de control de temperatura y presión y tanque de expansión para sistemas con líquido anti- congelante. Es el sistema común de agua caliente en las residencias, con la importante diferencia que la fuente de calor proviene del Sol y no de un termostato eléctrico o calefón de gas. Mediante la instalación de la bomba de circulación podemos controlar muy efectivamente el rendimiento del colector ya que, como hemos visto anteriormente, la bomba se activa cuando la diferencia de temperatura entre la salida del agua caliente del colector y la de entrada de agua fría al tanque excede un valor, que por lo general es entre 10 y 20°C. Las ventajas de este sistema son: • El tamaño del tanque de almacenamiento puede ser más grande que el termosifón y no afecta la estética de

la residencia. • El uso de un elemento de calentamiento de respaldo mediante termostato, calefón o caldero, permite disponer de agua caliente en situaciones de baja radiación solar. En casos en que se requiere una temperatura más alta que la normal, se puede calentar en dos etapas: con calentamiento solar hasta cierta temperatura y luego con el equipo de respaldo. • La eficiencia en el aprovechamiento solar es alta. • El mantenimiento es más fácil pues está ubicado en un sitio de mayor acceso que el techo. • El tanque de almacenamiento no requiere un aislamiento adicional porque está al interior de la vivienda. Entre las desventajas podemos mencionar que requiere de energía adicional para el funcionamiento de la bomba y, en ciertos lugares, no disponen de servicio eléctrico. En esos casos se puede instalar un pequeño panel fotovoltaico para suministrar la energía de la bomba que es una carga pequeña y funciona en corriente directa. Otras desventajas son que la instalación es más compleja que el termosifón y su costo es más alto.

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5. Sistemas de concentración o Cocinas solares.

El uso de leña o combustibles para la cocción de alimentos puede reducirse si se emplea una cocina solar. El

concepto es simple: los rayos del sol se reflejan en una estructura forrada con material reflectivo, usualmente

aluminio o espejo, y se envían hacia un recipiente donde se coloca el alimento. Hay tres tipos de cocinas

solares: de caja, de panel y parabólicas. Las cocinas de caja son más lentas, pueden abarcar mayor cantidad de

alimentos y la comida no se quema. La de tipo panel tiene paneles planos que reflejan el sol hacia un

recipiente dentro de una bolsa de plástico. Son muy fáciles de construir y tienen una gran capacidad de

cocción. La de tipo parabólico es un poco más compleja pues la base debe ser construida de modo que el haz

de luz se dirija a un punto central donde se coloca el recipiente con los alimentos. Las cocinas parabólicas

tienen una alta temperatura.

Ventajas

Facilidad de uso.

No contaminan, son muy ecológicas.

No necesitan electricidad, ni combustible.

Fomenta el uso de energías renovables.

Se economiza en cuanto a dinero utilizado en la cocción de alimentos.

La tecnología y conocimientos necesarios de fabricación es muy accesible.

Existe alta disponibilidad de los materiales de fabricación.

Los materiales de fabricación son económicos.

Es una buena solución en lugares donde el clima permite su uso cotidiano.

Es un beneficio en países y sitios donde los recursos energéticos para cocinar son escasos o de costos

demasiado altos.

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Desventajas

Si el cielo no está del todo despejado, se requiere más tiempo para cocinar. Con cielo azul los tiempo

de cocción son equivalentes a una cocina de gas o eléctrica.

Los hornos solares son algo más lentos que las cocinas solares parabólicas.

Depende de las condiciones del tiempo para poder cocinar. No es posible cocinar con días nublados o con

lluvia.

Solo se puede ocupar de día, aunque con el uso de una cesta aislante se puede prolongar el efecto de la

cocción varias horas.

El funcionamiento de un horno solar (cocina solar tipo caja) se basa principalmente en algunos principios

físicos.

Efecto invernadero

Este efecto permite aumentar el calor dentro del horno. Es el resultado del calor en espacios cerrados en los

que el sol incide a través de un material transparente como el cristal o el plástico. La luz visible pasa fácilmente

a través del cristal y es absorbida y reflejada por los materiales que estén en el espacio cerrado.

El funcionamiento de una cocina solar parabólica se basa en la concentración de la radiación solar en un punto

o llamado foco mediante una superficie lo más reflectiva posible, es decir baja absortividad o nula y alta

reflectibilidad. Podemos distinguirlas entre de foco descubierto o foco profundo.

En general en estas se llegan a temperaturas muy superiores a los hornos, cerca de 250°C

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6.Centrales Térmicas Solares

Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del

calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se

produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una

central térmica clásica. En ellas es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar

temperaturas elevadas, de 300 °C hasta 1000 °C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo

termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los

rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central

donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la

superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato. Su principal problema

medioambiental es la necesidad de grandes extensiones de territorio que dejan de ser útiles para otros usos

(agrícolas, forestales, etc.).

Hoy en día también se han generado otras tecnologías, tratando de reducir el impacto ambiental como lo son

las centrales hibridas de ciclo combinado, una planta convencional de ciclo combinado, está formada por una

turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor.

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En el caso de una planta híbrida de ciclo combinado-solar, el funcionamiento, es semejante al de una planta de

ciclo combinado convencional, el combustible se quema normalmente en la cámara de combustión de la

turbina de gas. A los gases de escape que se dirigen al recuperador de calor, se les añade el calor proveniente

del campo solar, dando lugar a un aumento en la capacidad de generación de vapor con el consiguiente ahorro

de combustible y una disminución de las emisiones, así como, a una reducción de costes de operación y de

costes globales de la electricidad solar térmica. Gracias a esta combinación se aúnan las ventajas de las

térmicas de combustibles de poder producir energía de forma constante y de las térmicas solares, costo del

combustible cero.

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Ejemplo aplicación de una central termorsolar

Andasol es el primer complejo termosolar del mundo con almacenamiento térmico. Andasol, formada

por Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3 se encuentra ubicado en la Comarca de Guadix en el municipio

de Aldeire y La Calahorra, en la provincia de Granada, España. Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3, de

50 MW cada una, han sido construidas en uno de los altiplanos más elevados y extensos de la Península

Ibérica (la elevación media es de 1100m.) Gracias a esta altura posee uno de los mejores recursos de radiación

solar directa de España.

Con una inversión de cerca de 300 millones de euros por planta, se trata de las mayores plantas solares del

mundo construidas en los últimos 15 años y solo superadas por SEGS VIII y SEGS IX (90 MWe cada una)

construidas en California a principios de la década de 1990. Las plantas deberían suministrar electricidad a

200.000 hogares.

Características del proyecto Andasol:

Capacidad de turbina: 49'9 MW

Generación anual eléctrica: 181.831.000 kWhe

Eficiencia anual media de conversión de radiación a energía eléctrica: 16%

Horas de operación al año: 3.644 h. a plena carga.

Producción evitada de CO2: 152.000 tm/año Evacuación eléctrica: Central gestionable. Esta característica dota a la red eléctrica de una estabilidad

ante huecos de tensión y la hace programable.

Datos principales de generación de la generación solar térmica

Tecnología cilindro parabólica

Capacidad de almacenamiento: 1.010 MWht térmicas para 7,5 horas de operación a plena carga.

Energía térmica aportada por el campo solar: 437.646.000 kWht/a

Tamaño del campo solar: 510.120 m2

Radiación normal directa anual recibida por metro cuadrado: 2.136 kWh/m2a

Eficiencia anual media de conversión de radiación a vapor solar en el campo solar: 43%

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Conclusión:

La energía solar térmica, es una energía renovable de gran potencialidad en muchas partes del planeta, y

representa una alternativa no contaminante y económica de calentar líquidos, y hasta producir energía

eléctrica atreves de una central térmica. Si bien este tipo de energía es gratuita , su disponibilidad no está

asegurada, ya que hay días en que la radiación solar es prácticamente insuficiente , por lo que hay que instalar

un sistema alternativo de calentadores a gas u otro combustible que asegure la disponibilidad de líquido

caliente o vapor en esos días, también se podría integrar a otros sistemas renovables como la energía eólica,

ya que esta también funciona de noche. Otro punto a considerar es el económico, que como ya sabemos los

combustibles fósiles son limitados y cada vez cuesta mas obtenerlos y en un futuro será de gran importancia la

energía solar como reemplazante o complemento . Para finalizar diremos que la tendencia mundial apunta

hacia las energías renovables “verdes”, lo podemos ver en que varias automotrices tienen ya sus vehículos

eléctricos o hibridos, tenemos el “Toyota prius”, el Chevrolet Volt, Renault Zoe, también hay ya empresas

nuevas como la Tesla que tienen todos sus vehículos eléctricos, la Rimac que tiene su Concept One, el primer

superauto electrico con una potencia de 1088HP y 1000NM de torque, limitando su velocidad a los 320Km/h,

en lo que respecta a energía eléctrica España es uno de los lideres en la Termosolar y en los sistemas de

termotanques solares hoy en dia son accesibles para la gran mayoría, hay leyes que promueven el uso de estos

sistemas para economizar energía.

Terminando diremos que solo esta en nosotros proponernos usar energías limpias y renovables para nuestro

abastecimiento, ya podemos ver varios ciudades que generan la totalidad o gran parte de su energia mediante

fuentes renovables.

A todo este movimiento ecológico o volverse energéticamente autosuficiente hay una cultura que nos es

importante nombrar como lo es la Permacultura.

Tiene muchas ramas que incluyen, pero que están limitadas al diseño ecológico, la ingeniería ecológica, diseño

ambiental, la construcción y la gestión integrada de los recursos hídricos, que desarrolla la arquitectura

sostenible y los sistemas agrícolas de automantenimiento modelados desde los ecosistemas naturales.

Ejemplo de una ciudad

autosufiente.

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Una casa autosuficiente integrada con varios sistemas renovables.

Tambien tenemos que obtener un rendimiento aceptable y sustentable por lo que nuestra casa debe estar

aislada térmicamente lo mejor posible, siendo fresca los veranos y calida los inviernos, una alternativa son los

techos verdes, que aíslan la

casa y a su vez generan una

superficie cultivable y

reductora de CO2.

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Otro ejemplo de sistemas renovables combinados.

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Aquí observamos un pueblo autosuficiente como lo es Samso, una isla que es 100% sustentable.

Samso, es una pequeña isla de 112km2 y 4.000 habitantes que en 1997 decidió aprovisionarse solamente de

energía eólica. Actualmente el 75% de su energía procede de los 10 aerogeneradores instalados en el mar, y el

restante 25% viene de la energía solar y la biomasa.

Esto ha provocado que en una isla donde antes solo existían agricultores y granjeros ahora hay empleos verdes

y cualificados para mantener todas las instalaciones, se ha reducido las emisiones de CO2 a la atmósfera y el

coste de la energía producida es menor para los habitantes ya que antes había que importar gas y petroleo a

un alto coste.

Samso es un perfecto ejemplo de sostenibilidad energética y de como se puede llegar a ser una economía

sostenible. De hecho, en España, la isla de La Graciosa en Canarias ha puesto en marcha un proyecto para

convertirse en una isla sostenible alimentada por un nuevo modelo de energía alternativa y limpia.

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Referencias

http://solartec.com.ar/documentos/SOLARTEC-termotanques.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar_de_tubos_de_vac%C3%ADo

http://www.sostenibilidad.com/top-lugares-autosuficientes

http://www.theguardian.com/environment/2015/may/24/how-green-are-straw-fired-power-stations

http://www.blogenergiasostenible.com/samso-isla-sostenible-dinamarca/

http://www.ecologiaverde.com/como-construir-una-casa-ecologica-y-autosuficiente/

https://es.wikipedia.org/wiki/Permacultura

http://www.terra.org/categorias/comunidad-cocina-solar/cocinas-solares-informacion-general

introduccion_a_la_permacultura_-_bill_mollison.pdf_parte_1

Centrales termosolares PFC_Daniel_Serrano_Garcia

ENERGÍAS RENOVABLES Conceptos y Aplicaciones Santiago J. Sánchez Miño