Curso Energías Renovables, Energía Solar Térmica, Profesor Jorge Bornscheuer

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Prof: Jorge BornscheuerProf: Germán Hoernig

Asist: Cristian CastilloAsist: Cristóbal Ponce

Panorama actual• Agotamiento de combustibles fósiles.• Problemas Medio-ambientales.

Existe una creciente necesidad mundial de reducir las emisiones contaminantes provenientes de otras fuentes de energía.

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• Existen fuentes de energía limpias y que se encuentran disponibles en el medio ambiente para ser utilizadas. Una de estas es la energía Solar, que la podemos aprovechar principalmente de tres formas:

1. Energía Lumínica2. Energía eléctrica 3. Energía en forma de Calor

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Conceptos previos

Mecanismos de Transferencia de Calor (TdC)

•Conducción•Convección•Radiación

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Conducción

Transferencia de calor entre cuerpos sólidos que presentan una diferencia de temperatura entre sí.

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300°C 20°C

Convección

Transferencia de calor a través de un medio fluido (líquido o gas), que transporta el calor entre zonas con diferente temperatura.

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T°comida=80°C

Aire moviéndose a 25°C

Radiación

Transferencia de calor de un cuerpo debido a su temperatura, sin necesidad de que exista contacto físico.

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T°comb=700°CT°amb= -1°CT° mano= 31°C

Generalidades• ¿Qué es la energía solar?Es la energía emitida en forma de radiación en la

superficie del sol. La energía solar comúnmente utilizada es la fracción que llega a la tierra.

La superficie del planeta Tierra en una hora recibe el equivalente al total de la energía consumida por toda la humanidad en un año.

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¿Cuánta de ésta energía puedo usar?

• Datos aproximados:• Intensidad de radiación que llega en las capas

altas de la atmósfera = 1.380 W/m2

• Intensidad que llega a la superficie terrestre ~ 900 W/m2

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1 ampolleta incandescente consume 60 W,Una ampolleta de ahorro : 15 W , una ampolleta LED: 3 W

¿Cómo se aprovecha?

“Captar la radiación solar por medio de algún dispositivo”La energía solar puede ser utilizada para generar electricidad como para transferir calor, su limitante es que sólo se recibe durante el día, por lo que se requiere la inclusión de sistemas de almacenamiento.

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• ¿De qué depende una buena captación?• - La hora• - La inclinación de la Tierra respecto del Sol ( variable a lo largo del año)• - Condiciones meteorológicas• - Grado de contaminación

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Aplicaciones Comunes

1. Para producir electricidad.

2. Para transferir calor.2.1 Secadores (deshidratador de alimentos).2.2 Calefacción por Muro Trombe.2.3 Hornos y cocinas solares.2.4 Desalinizador de agua. (obtención de agua potable).2.5 Producción de agua caliente sanitaria (ACS).

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Secadores

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Secador de alimentos

Aire ambiente frío

18°C

30°C

Aire caliente húmedo

SOLSOL

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Plástico negro, puede ser de bolsa de basura.

Malla contra mosquitos

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Secador de alimentosPlástico transparente

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40 cm35 cm

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Entrada de aire ambiente frío, con malla contra mosquitos.

Secador de alimentosSalida de aire caliente húmedo, con malla contra mosquitos.

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Muro Trombe

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Muro Trombe

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Superficie necesaria (m2)

Superficie útil es la que enfrenta la pared norte y aprovechable, (encerrada al interior de la vivienda).

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Superficie necesaria (m2) temperatura media

exterior de invierno ºCsuperficie de pared

necesaria por unidad de superficie útil

Muro

climas fríos-10 0,72>1,0-7 0,60-1,0-4 0,51-0,93-1 0,43-0,78

climas templados+2 0,35-0,60+5 0,28-0,46+7 0,22-0,35

Ejemplo:

Necesito un muro Trombe para colocar en la pared norte de mi casa. La pared tiene 20 m2 de superficie, en invierno baja la T° hasta -1 ºC.

Entonces: -1°C, 0,43*20 m2 a 0,78*20 m2

Recomendado: entre 8,6 m2 a 15,6 m2

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Material-espesor

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Hornos y/o cocinas Solares

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Desalinizadores de agua

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Construcción Simple• Materiales:

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Construcción Simple

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Construcción Simple

1°

2°3°

4°

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Conclusión

Agua Caliente Sanitaria

Es agua destinada a consumo humano (potable) que ha sido calentada anteriormente.

Es posible utilizar equipos que captan el calor del sol para transferirlo al agua para calentarla.

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Equipos necesarios• Colector sin cubierta circulación forzada

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Equipos necesarios• Circulación por termosifón, con cubierta simple

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Equipos necesarios• Colector de tubos al vacío

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Equipos necesarios• Acumuladores

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Como norma práctica para el dimensionamiento del serpentín del tanque de almacenamiento, toma como un valor aceptado 0,25 m2 se superficie de cañería por 1 m2 de panel. La capacidad del estanque se considera el consumo diario por persona + un 50% .

Acumuladores

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Vasos de Expansión• Los vasos de expansión permiten la absorción

del aumento del volumen que es consecuencia del calentamiento del agua, evitando el incremento de la presión.

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Dimensionamiento ACS

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• 1°. Se necesita determinar el agua necesaria a calentar por día (L).

• Dato: 60 (Litros/persona*día)

Ejemplo: una familia de 5 personas, que vive en Valparaíso.

L = 60*5 = 300 (Litros/día)


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• 2°. Determinar el energía necesaria (Q) para calentar el agua desde la temperatura de la red (Te) hasta la temperatura requerida (Ts).

Q=4180*L*(Ts-Te) (J/día)

Datos: Ts: de 45 °C Te: temperatura mínima de la red en el año.

Valor app: 5°C


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Q=4180*L*(Ts-Te) (J/día)Q=4180*300*(45-5)= 50.160.000 (J/día)

Se necesita aportar Q a 300 Litros de agua para calentarla desde 5 hasta 50°C. De las 24 horas del día, solo una parte de ellas me aportar energía para calentar el agua. Aproximadamente 8,5 horas al día.


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30 ampolletas de 60 W


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• 3°. Determinar el área que tengo que exponer a la radiación solar (m2 de panel).

Para esto, necesito saber cual es la intensidad de la radiación promedio (Iamb prom), en una determinada dirección e inclinación.

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• Esta familia quiere calentar agua sólo durante el verano, por lo tanto, en el mes más frío del verano debe llegar a la temperatura deseada.

Dato: El mes más frío del año en Chile es Junio. El mes más frío del verano en Chile es Febrero.

Por lo tanto el valor de la intensidad de radiación promedio (Iamb prom), será de Febrero.


α < 20º

Inclinación de Colectores

θ

a) Verano: Θ = Latitud del lugar - 10º

b) Invierno:

Θ = Latitud del lugar + 10º

c) Todo el año

Θ = (Latitud del lugar)

Separación de Colectores


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Para nuestro caso

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Iamb prom = 186,23 (W/m2)Iamb prom = 401,6 (W/m2)


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El colector que decidamos utilizar, no puede captar toda esta energía y transferirla al agua, solo una parte de ella (Iútil). Es por esto que se dice que el colector tiene un rendimiento (ɳ).

Iútil= ɳ *Iamb prom


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Te: temperatura promedio de entrada desde la red (agua fría).Ts: temperatura de salida del agua a calentar (agua caliente).Tamb: temperatura ambiente promedio anual de la zona.


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|

ɳ = 63%

X = 0,025

Interceptamos con la línea que nos dé un mayor valor de ɳ (mayor rendimiento).

Plano sin cubierta

Plano con cubierta simple

Colector de tubos al vacío

ɳ


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Datos: Iamb prom= 430,17 (W/m2)

ɳ = 63% = 0,63

Por lo tanto:

Iútil = ɳ*Iamb prom

Iútil = 0,63*401,6 = 253 (W/m2)


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253 7,3

7,3

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