Sistema solar termico

http://www.todo-solar.com.mxTutorial de Sistemas Solares Térmicos

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Torreón, Coah., México. Marzo de 2010Imagen de fondo: Central solar Andasol España

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Índice

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Introducción 3

1. Fundamentos del Sistema Solar Térmico 4

1.1 Aprovechamiento de la energía solar 5

1.2 Elementos principales de una instalación solar 6

2. Tecnologías y Aplicaciones 14

2.1 Energía Solar Termoeléctrica 15

2.2 Energía Solar Térmica 25


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Introducción

Los sistemas solares térmicos nacen de la necesidad del hombre de cubrir dosaspectos fundamentales de su diario vivir: La generación tanto de electricidad, comode calor. Este último, siendo utilizado, además, y contra lo que se pudiera pensar, parala refrigeración de espacios.

Así pues, podemos definir a este tipo de sistemas como aquellos que hacen usotérmico de la energía solar en general.

De este modo, el presente tutorial busca explicar de manera clara y concisa laaplicación de cada una de las tecnologías térmicas existentes, así como los alcances delas mismas.


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1.1 Aprovechamiento de la energía solar

El funcionamiento de un sistemasolar térmico se basa en la idea deque mediante un receptor, cuyatecnología varía de un sistema a otro,se pretende calentar un fluido,generalmente agua o aire, paraproducir vapor o simplementerealizar un intercambio térmico conalgún fin específico.

Para lograr esto, los captadores solares, generalmente, se valen de superficiesoscuras con la finalidad de absorber la mayor cantidad de radiación solar posible.

En ocasiones, se utilizan sistemas de almacenamiento para abastecer el consumocuando sea necesario.

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)Madrid, España


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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Colectores Solares

Con el objetivo de incrementar la cantidad de energía absorbida por un colector, sehan diseñado distintas versiones de los mismos. Destacan:

Colectores planos. Utilizan como fluido el agua.

Colectores de tubo de vacío. quealcanzan temperaturas más elevadas defuncionamiento. Reduciendo sus pérdidas,gracias al vacío existente en el tubo.

Colectores solares de aire. Unabanico energizado por una celdafotovoltáica introduce aire al colector.El aire se calienta por radiación solar,para luego enviarse al espacio acalentar.

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Sistema de Distribución

El sistema de distribución tiene como meta el transportar el fluido caliente hasta supunto de consumo.

De este modo, dependiendo de las condiciones climáticas del lugar de ubicacióndel sistema, así como las necesidades a satisfacer, podemos clasificarlo en cuatroprincipales tipos de instalación:

•Instalaciones de Circuito Abierto

•Instalaciones de Circuito Cerrado

•Circulación forzada de agua

•Circulación natural o con termosifón


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Sistema de Distribución•Instalaciones de Circuito Abierto.

Transfieren directamente agua caliente hacia eldepósito de almacenaje.

1. El colector Calienta el agua.2. Al aumentar la temperatura del agua, esta

tiende a subir, pues es menos densa.3. Una vez que el agua caliente llega al depósito

acumulador, este deja fluir el equivalente deagua más fría hacia el colector. Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)

Madrid, España

Ventajas:•Sencillo de fabricar e instalar•Económico

Desventajas:•Riesgo de rotura por congelación en periodos deheladas. Por lo que es necesario vaciar el circuito enépocas muy frías .•Obstrucciones en el colector, por la calidad del agua. Porlo que se requiere de ciertos aditivos o equipoelectrónico.


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Sistema de Distribución•Instalaciones de Circuito Cerrado.

Se compone de dos circuitos:

1. Circuito primario del sistema captador. Aquíse introduce un fluido especial que circuladentro del colector , el cual, mediante unintercambiador de calor, aumenta latemperatura del agua del tanque.

2. Circuito secundario. Aquí se encuentra eltanque de almacenamiento.

Ventajas:•El agua del depósito NO se mezcla con el fluido del colector•Al usar anticongelante en el circuito primario, el sistema funciona aún en climas donde las temperaturas bajen los cero grados centígrados

Desventajas:•Más difícil de fabricar e instalar•Más costoso que el de circuito abierto



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Sistema de Distribución•Circulación forzada de agua

Basa su funcionamiento en una bomba deimpulsión, energizada por una fuente dealimentación externa .

Común en climas fríos, donde se buscaminimizar pérdidas de calor.

Utilizado para instalaciones de cualquiertamaño.

Ventajas:•Transfiere el fluido circulante de manera más rápida•Menos pérdida de calor en la distribución.•Permite interrumpir el flujo cuando el agua del acumulador esté más caliente que el fluido del colector.

Desventajas:•Costo extra por la bomba



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Sistema de Distribución

•Circulación natural o con termosifónSu funcionamiento es básicamente el mismo queel de una instalación de circuito abierto,aprovechando la circulación natural del aguacaliente, la cual tiende a subir al elevar sutemperatura.

Utilizados en zonas de clima cálido.

Únicamente para pequeñas instalacionessolares.



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AlmacenamientoPara aprovechar al máximo la energía proveniente delsol, es necesario almacenarla, para utilizarla cuando serequiera.

Por norma general, los depósitos cilíndricos son losque mejores resultados brindan al momento dealmacenar calor. Esto gracias al fenómeno deestratificación, mediante el cual, el agua calientedisminuye su densidad y tiende a ascender sobre el aguafría, más densa.

Entre más alto sea el depósito, mayor será ladiferencia de temperatura entre la parte superior einferior del tanque.

Un punto a tomar en cuenta es la calidad del agua aalmacenar, puesto que esta puede producir corrosión,misma que puede evitarse mediante el uso de sistemaselectrónicos .


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Tanque de gas

Colector Solar

Tanque Acumulador

Unidad de control

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Sistema de apoyo de energíaCuando la radiación solar no es suficiente para generar la energíademandada y/o el consumo excede lo previsto, siempre será bienvenido unsistema de apoyo que ayude a cubrir dichas necesidades energéticas.

Por lo general, estos sistemas de apoyo se basan en fuentesconvencionales de energía. Principalmente:

•Sistemas eléctricos que proporcionan calor mediante resistencias.•Calderas de gas, como sucede en el caso de los boiler convencionales.

Siendo así, es indispensable contar con unsistema de control adecuado que permitaalternar entre la fuente solar y laconvencional. Procurando hacer uso mínimode esta última.


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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Conceptos clave

•La temperatura a la cual una superficie es calentada gracias a la radiación solar sedetermina por:

T=radiación incidente - pérdidas por conducción, convección y reflexión

•La selección de superficies capaces de absorber la luz visible del sol, sin perderenergía a causa de la radiación infra-roja, permite mayores temperaturas.

•La temperatura puede incrementarse notablemente al utilizar sistemas deconcentración solar, mediante superficies altamente reflejantes o lentes de aumento.

•Existen tres tipos básicos de captación solar térmica: No Concentrado, Concentrado auna línea y Concentrado a un Punto.


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Conceptos clave

•Colectores No Concentrados. Utilizados para generar temperaturas relativamentebajas, por ejemplo, para uso doméstico.

•Colectores Concentrados en una Línea. Mediante superficies especiales, permiten unradio de concentración de hasta 20 veces la de un Colector sin concentración, por loque pueden ser capaces de alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como paragenerar electricidad.

•Colectores Concentrados en un Punto. Permiten un radio de concentración de hasta1000 veces la de un Colector sin concentración, sin necesidad de superficiesespeciales. Es posible generar hidrógeno del agua.


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Conceptos clave



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Principales TecnologíasMeta: Incrementar la radiación incidente en el receptor


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Principales TecnologíasColector de Canal Parabólico

(CSP por sus siglas en Inglés)

Los Colectores de Canal Parabólico concentran la radiaciónsolar en un tubo situado en el eje de la parábola, por el cualcircula un fluido que facilita la transferencia de calor.

La implementación de un sistema de seguimientode la trayectoria del Sol permite incrementar laeficiencia en la conversión de la Radiación solar porDía a Calor generado por día.


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Principales TecnologíasColector de Canal Parabólico

(CSP por sus siglas en Inglés)

Fuente: Departamento de Energía de los Estados Unidos de América

El fluido caliente es bombeado através de una serie deintercambiadores de calor paraproducir vapor extremadamentecaliente capaz de mover una turbinapara generar electricidad.


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Principales TecnologíasColector de Plato Parabólico

Concentra la energía solar en un solo punto, en el cual se ubicaun motor Stirling, el cual convierte directamente la radiación enelectricidad.

Su diseño modular lo hace unabuena opción para la generación deenergía en las zonas rurales donde lared eléctrica no está disponible. Sinembargo, la inversión inicial es muycostosa.


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Principales TecnologíasColector de Torre Central

Consiste de un campo de Heliostatos (Reflectores), queconcentran la radiación del Sol en un receptor central, a loalto de una Torre.

En este sistema, un compuesto especial de sal esbombeado desde un tanque “frío” (288°C), para pasara través del receptor central, donde se calienta,llegando hasta los 565°C para volver a un tanque“caliente”

Los sistemas actuales permiten almacenar el calor enun rango de 3 a 13 horas.


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Fuente: Sandia National Laboratories

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Principales TecnologíasColector de Torre Central


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Principales Tecnologías

Tecnología Temperatura (°C) Eficiencia máxima de conversión

Plato Parabólico 50 – 1000 80%

Torre Central 500 – 800 73%

Canal Parabólico 260 -400 56%

Colector plano 30 -100 21%


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2.2 Energía Solar Térmica

Colectores de baja temperatura

Dentro de esta clasificación entran los Colectores planos.•Caja normalmente de aluminio.•Cubierta de vidrio templado que favorece el efecto invernadero.•Superficie captadora que incluye un absorbedor de cobre•Aislamiento de fibra de vidrio en el fondo•Máxima temperatura aprox. 127°C•Principales aplicaciones: Calentamiento de agua y espacio, aireacondicionado y procesos industriales.


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Colectores de baja temperatura

Sistema para Calentar Agua


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Aplicaciones

En usos Domésticos:•Agua caliente sanitaria.•Climatización de piscinas•Calefacción de edificios•Refrigeración (con máquinas de absorción)

En usos Industriales:•Secaderos Agrícolas•Calefacción de invernaderos•Granjas avícolas y porcinas


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