TALLER DE ENERGÍA SOLAR

INER 2013

ESPE

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA

ENERGÉTICA (GTER-ESPE)

APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

COMO ALTERNATIVA PROMISORIA PARA GALÁPAGOS

AUTOR: JOSÉ GUASUMBA

INVESTIGADOR

ÁREA DE ENERGÍAS RENOVABLES

PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013

1. Consideraciones generales de la energía solar

2. Técnicas de determinación del recurso solar

3. Aplicaciones de baja temperatura

4. Aplicaciones de media y alta temperatura

5. Conclusiones

CONTENIDO

- RENOVABLE (Edad: 5000 Maños, Pérdidas de 4,3 Tn/s, 6000 Maños reducción de un 10% su masa) - SOSTENIBLE - DISPERSA --- SOLIDARIA -ALEATORIA

- DENSIDAD ENERGETICA (15·1017 kWh/año)

Potencia: 0 - 1000 W/m2; - Energía diaria: 4 - 6 kWh/m2·día

- DIURNA

- CONSIDERACION SOCIAL - ESTRUCTURA DE COSTES

- TECNOLOGIAS SOLARES

1. CONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGÍA SOLAR

COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR

ZONAS CLIMATICAS

Zona climática MJ/m2 kWh/m2

I H < 13,7 H < 3,8

II 13,7 < H < 15,1 3,8 < H < 4,2

III 15,1 < H < 16,6 4,2 < H < 4,6

IV 16,6 < H 18,0 4,6 < H < 5,0

V H > 18,0 H > 5

2. TÉCNICAS DE DETERMINACION

DEL RECURSO SOLAR LOCAL

-Instrumentos de medición

-Datos de satélite

-Anuarios meteorológicos

-Software

-Modelos matemáticos

-Mapas

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN:

HELIÓGRAFO ESPE

El HELIÓGRAFO 240-1070-L Campbell-Stokes: Utiliza una esfera de cuarzo que concentra la radiación solar directa en un punto, que se desplaza a lo largo de un cartón, quemando su superficie, este instrumento permite determinar las horas de sol pico (HSP) o la insolación diaria.

PIRANÓMETRO PARA MEDIR

RADIACIÓN DIFUSA ESPE

Exactitud: 2%

Rotación del aro de ajuste

de latitud: 0-60°

Declinación: ±25 °

Ancho de la banda

cobertor: 76mm

Diámetro del aro cobertor:

635 mm

Montaje: sobre plataforma

Niveles de ajuste: 3

Tamaño: 26”x29”x23”

Peso: 86 lbs

CALIBRACION DEL PIRANÓMETRO PARA

MEDIR RADIACIÓN DIFUSA ESPE

COMPONENTES DEL MEDIDOR DE

RADIACIÓN DIFUSA ESPE

Ajuste de latitud

Escala relativa

Mirilla de calibracion

NIVELACIÓN DEL PIRANÓMETRO ESPE

Nivelación de plataforma

Puerto de datos a la PC

Perillas de nivelación

PIRANÓMETRO PARA MEDIR

RADIACIÓN DIRECTA ESPE

PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN

DIRECTA: CARACTERÍSTICAS ESPE

Movimiento de seguimiento solar en un solo eje.

Permite la calibración del ángulo solar (más/menos 25°)

Calibración de Latitud de 0° a 90°

Nivel de burbuja de agua para ubicación horizontal del

equipo.

Motor que gira 15 grados cada hora.

Los datos se descargan directamente en la computadora.

Voltaje 8.13x10-6 V/Wm-2

Voltaje de Operación 120V, 60 Hz

PIRANÓMETRO PARA MEDIR

RADIACIÓN GLOBAL ESPE

• Rango espectral: (50% puntos) 310 a 2800 nm

• Sensibilidad (micro V/W/m2): 5 – 15

• Tiempo de respuesta (95%) < 18 s

• No linealidad (0 – 100 W/m2): 2.5%

• Máxima irradiancia: 2000 W/m2

• Rango: 180 grados

TÉCNICAS ALTERNATIVAS DE DETERMINACIÓN DE

LA RADIACIÓN SOLAR LOCAL

ESPE

Datos de satélite: NASA, 3TIER

Software: Isocad, (Marina Rosales-Isofotón)

Anuarios meteorológicos

Mapas del INAMHI

Interpretación del entorno, micro climas

Método de Page

Transformación de datos de radiación solar sobre

superficie horizontal para superficie inclinada: ISF,

JUTGLAR, DUFFIE - BECKMAN

3. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR

TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA

-Agua caliente sanitaria ACS para viviendas

- Climatización de piscinas

- Calefacción

- Secado de frutas y granos

- Desalinizadores de agua de mar

- Climatización de biorreactores

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE

LOS COLECTORES PLANOS

Una instalación solar térmica esta constituida por un

conjunto de componentes encargados de realizar las

funciones de captar la radiación solar, transformarla

directamente en energía térmica cediéndola a un

fluido de trabajo(agua, aceite térmico)

Por último hay que almacenar dicha energía térmica

de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo

de los captadores, o bien transferirla a otro, para

poder utilizarla después en los puntos de consumo.

Dicho sistema se complementa con una producción

de energía térmica por sistema convencional auxiliar

que puede o no estar integrada dentro de la misma

instalación. Este sistema convencional de producción

de energía puede ser un termo eléctrico, un

generador alimentado por fuel oil.

SISTEMA AUXILIAR

INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA VIVIENDA

Los colectores

transforman la energía

solar en calor que se

puede utilizar para

disponer de agua

caliente sanitaria en una

vivienda

Instalación solar compacta para producción de agua caliente sanitaria.

Por cortesía de Wagner- Solar.

INSTALACIÓN SOLAR COMPACTA

COMPONENTES DEL COLECTOR PLANO

-Acumulador

-Colector

-Tubería de agua fría

-Tubería de agua

caliente

Aplicación: ACS para 3

personas

Paneles solares térmicos

Se suelen emplear estos paneles planos en la aplicaciones

normales en edificios y viviendas (calefacción, duchas,

lavabos, cocinas, agua caliente para piscinas), donde la

temperatura no es necesario que sea superior a 70-100 °C .

Pueden utilizarse también en aplicaciones con

concentración solar donde se alcanzan temperaturas mucho

mas altas. Pero lo normal es lo que indicamos en el primer

párrafo.

La industria fabricante de este tipo de paneles esta muy

desarrollada, por lo que los paneles ofrecen una larga

duración (mas de 25 años) y un alto rendimiento térmico (70

al 90 %).

Principio de funcionamiento de un colector térmico de

tubos.

Fuente: Energy Group.

COLECTOR DE TUBOS AL VACÍO

(JOSE GUASUMBA,2012)

Criterio de la demanda Litros de ACS/ día a 60 °C

Viviendas unifamiliares 30 por persona

Viviendas multifamiliares 22 por persona

Hospitales y clínicas 55 por cama

Hoteles de 4 estrellas 70 por cama

Hoteles de 3 estrellas 55 por cama

Hotel/Hostal (2 estrellas) 40 por cama

Camping 40 por emplazamiento

Hostal/Pensión (1 estrellas) 35 por cama

Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 55 por cama

Vestuario/Duchas colectivas 15 por servicio

Escuelas 3 por alumno

Cuarteles 20 por persona

Fabricas y talleres 15 persona

Administrativos 3 por persona

Gimnasios 20 a 25 por usuario

Lavanderías 3 a 5 por kilo de ropa

Restaurantes 5 a 10 por comida

Cafeterías 1 por almuerzo.

CRITERIOS DEL CONSUMO DE ACS

Instalación con paneles

solares termodinámicos

para la producción de

agua caliente sanitaria y

calefacción.

Fuente: Solar PST.

APLICACIONES MÚLTIPLES DE LA ENERGÍA SOLAR

SISTEMA DE ACS DE PRODUCCION NACIONAL

Volumen de acumulación: 240 litros

Potencia: 2000 Wt

Inclinación de la instalación: 25 °

ACS para 6 personas

Rendimiento: 50-60%

Temperatura agua: 55-65 °C

Fuente: ESPE, (Guasumba, 2011)

SISTEMA DE ACS PARA PRODUCCIÓN

EFICIENTE DE BIOGÁS

Volumen de sustrato: 700 litros

Volumen de ACS: 300 litros

Inclinación de la instalación: 20 °

Numero de colectores: 6

Presión biogás:80PSI

Temperatura sustrato: 26 °C

Rango mesofílico

Temperatura del agua: 32-40°C

Año de fabricación: 2003

Fuente: CICTE, (Guasumba,2003)

BOTELLA PLÁSTICA COMO

CAPTADOR DE RADIACIÓN SOLAR

-Potencia útil: 12 Wt

-Área: 0.02 m² la de 1.35 litros

- Vida útil: 25 años sometidas a

tensiones térmicas que le

producen fragilidad

-Período de descomposición del

PET: 100-1000 años en

condiciones ambientales

moderadas

CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO

Calentador solar ecológico

Volumen: 135 litros

Temperatura: 55 °C

Suministro de ACS: 3 personas

Aislamiento: Pasto seco CHF 12%

Bombeo de agua: ESFV

Amperaje: 2.5 A

Voltaje: 12 V

Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO

EN ESPIRAL SOBRE PARABOLOIDE

Calentador solar ecológico

Volumen: 500 litros

Temperatura: 55 °C

Suministro de ACS: 30-50 Personas

Aislante: Pasto seco

Bombeo: ESFV

Amperaje: 2.5 A

Voltaje: 12 V

Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

DESALINIZADOR DE AGUA DE MAR

Datos técnicos:

Producción: 4 Litros por día

Área: 1 m2

Temperatura: 45 °C

Cubierta: Vidrio templado 4 mm

Recipiente: Acero AISI 304

Fuente: ESPE, (Guasumba,2007)

5. APICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR TERMICA

DE MEDIA Y ALTA TEMPERATURA

1. Espejos parabólicos

2. Lentes de Fresnel

3. Helióstatos

4. Lentes compuestas

ESTADO DEL ARTE: CONCENTRADORES CP

Tecnología de máximo rendimiento

Próxima comercialización Aumento de fiabilidad

Reducción de costes

3 fabricantes / sistemas Tessera Suncatcher (SES) 25 kW

Cleanergy / SBP Eurodish 10 kW

Infinia Corp 3 kW

CONCENTRADORES PARABOLICOS TIPO ESPEJOS

CCP CON FACETAS DE VIDRIO

Espejos curvos

Alineables individualmente

Estructura con forma parabólica

MOTOR STIRLING

El Ciclo Stirling

Balance energético del sistema Eurodish

TORRE DE POTENCIA Y HELIÓSTATOS

SISTEMA SOLAR DE

ALTA TEMPERATURA

0.50 – 0,60

Factor Coseno ( 20%)

Sombras ( 1%) Reflectividad Heliostatos ( 10%)

Bloqueos ( 1%) Transmisividad Atmosférica ( 5%)

Desbordamiento de Flujo ( 3%) Pérdidas en el Receptor ( 10%)

PERDIDAS

POTENCIA TERMICA NETA ( 50% – 60%)

POTENCIA QUE ENTRA AL SISTEMA

IRRADIANCIA x SUPERFICIE CAPTADORA

POTENCIA ELÉCTRICA NETA

( 15 – 20 % POTENCIA QUE ENTRA

AL SISTEMA )

SISTEMA DE CONVERSIÓN DE

POTENCIA

0.35

Autoconsumos ( 10% )

BALANCE DE RENDIMIENTOS TIPICOS

EN UNA PLANTA DE RECEPTOR CENTRAL

TECNOLOGIA NACIONAL:

COCINA SOLAR CON CCP

TECNOLOGIA NACIONAL:

COCINA SOLAR PORTATIL

-Potencia: 200 Wt

-Temperatura de cocción: 100 °C

-Temperatura sin carga: 250 °C

-Tiempo de cocción: 10 - 45 minutos

-Peso : 12 Kg

-Volumen de cocción: 2.5 Litros

-Vida útil: 20 años

-Tiempo de fabricación: 20 minutos

- Año producción: 2002

-Giro manual, 15° por hora

-Región de pruebas: Ecuador

-Emisiones: 0 gases contaminantes

ESPEJO PARABÓLICO Y MOTOR STIRLING

CONCENTRADOR DE RADIACION SOLAR CON LENTE DE

AGUA-ECUADOR

APLICACIONES:

-Eliminación de residuos, con baja

emisión de contaminantes

-Esterilizar implementos quirúrgicos

-Tratamiento térmico de elementos

metálicos para reducir corrosión

-Vaporización del agua

-Desinfección de agua

-Cocción de alimentos

-Generación de electricidad por

accionamiento de motor STIRLING

MODELO MATEMATICO DE LA LENTE DE AGUA

2

2

OH

ac

n

nn

4

a

tsaLabcf

fFkHRT

Índice de Refracción:

Temperatura focal:

FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACION SOLAR

Datos técnicos:

Lente de agua y acrílico

Diámetro: 1m

Temperatura máxima: 650 °C

Irradiancia directa:1250 W/m²

Distancia focal: 2.5 m

Fuente: ESPE, (Guasumba,2010)

FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACIÓN SOLAR

Datos técnicos:

Lente de agua y acrílico

Diámetro: 0.7 m

Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)

ENSAYOS DE COCCION DE ALIMENTOS

5. CONCLUSIONES

1. Los combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural,

son deficitarios y contaminantes

2. Impacto ambiental, lluvia ácida, exterminio de especies

sensibles por aumento de temperatura media global

3. La única energía que tenemos disponible es la

energía solar( Asiain J., Sevilla-2003)

4. En Galápagos se deben aplicar las siguientes

tecnologías alternativas: ESFV para electrificación, CSP

para calentamiento de agua, desalinización del agua de

mar, calefacción de biorreactores para procesamiento

de desechos orgánicos y aguas servidas, eólica offshore

5. En el mediano y largo plazo: uso de energías renovables

del mar: Corrientes, olas, energía potencial oceánica.

TALLER DE ENERGÍA SOLAR

INER 2013

ESPE

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

José Guasumba

Investigador-Ecuador

sjguasumba@espe.edu.ec

(593) 999 832 736

PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013