Ingeniería Energética-Energías Alternativas

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    08-Jun-2015
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PFD - Ingeniera TrmicaIngeniera EnergticaEnergas Alternativas SolarEnerga solar en baja, media y alta temperaturaMarEnerga maremotriz, trmica y obtenida de las olasElicaFuentes elicas y fundamentos para el diseo de aerogeneradoresPrincipal - Energas Alternativashttp://personales.ya.com/universal/TermoWeb/EnergiasAlternativas/index.html [24/07/2003 0:49:40]Ingeniera TrmicaIngeniera EnergticaEnerga Solar Radiacin solar en la superficie terrestrePropiedades pticas de materiales utilizados en procesos trmicos de Energa SolarColectores de Placa PlanaColectores de concentracin de media temperaturaAlmacenamiento de energa solarCalentamiento de agua, calefaccin y refrigeracin por Energa Solar Centrales termosolares; orientacin de heliostatosCentrales termosolares; sombras y apantallamientosConcentradores circulares con receptor central simtricoConfiguracin geomtrica de receptores de centrales termosolaresReceptor cilndrico verticalDistribucin de energa sobre un receptor cilndrico vertical Diseo de un receptor de Energa Solar de 200 MW Principal - Energas Alternativas - Energa Solar http://personales.ya.com/universal/TermoWeb/EnergiasAlternativas/solar/index.html [24/07/2003 0:49:42]DEPARTAMENTO DE INGENIERIAELECTRICA Y ENERGETICAUNIVERSIDAD DE CANTABRIAPROCESOS TERMOSOLARESEN BAJA, MEDIAY ALTA TEMPERATURAPedro Fernndez DezI .- RADI ACI N SOLAREN LA SUP ERF I CI E TERRESTREI .1.- LA CONSTANTE SOLARDesde el punt o de vist a ener gt ico, la masa solarque porsegundo se ir r adia al espacio en for made par t culas de alt a ener ga y de r adiacin elect r omagnt ica es apr oximadament e de 5,6 .1035 GeVydella,laTier r ar ecibeenelext er ior desuat msfer aunt ot alde1,73.1014kW,osea1,353kW/m2,queseconocecomoconst ant esolar ycuyovalor fluct aenun3%debidoalavar iacinperidica de la dist ancia ent re la Tierra y el Sol.La at msfer a y la super ficie t er r est r e se encuent r an a t emper at ur as medias dist int as y, porlot ant o, t ambin r adan ener ga; as, la longit ud de onda de la r adiacin solarest compr endida ent r e,0,05 m y 4 m, mient r as que la r adiacin t er r est r e lo est ent r e 3 m y 80 m, es decir , se t r at ade emisiones de onda larga.Los 1,73.1014 kW de energa solar que inciden sobre la Tierra, se repart en en la siguient e forma,Energa solar reflejada por la atmsfera hacia el espacio exterior, 30%, 0,52.1014 kWEnerga solar que se utiliza en calentar la atmsfera, 47%, 0,80.1014 kWEnerga solar que se utiliza en la evaporacin de los ocanos, 23% , 0,40.1014 kWEnerga solar que se utiliza en generar perturbaciones atmosfricas, como el viento, (energa mecnica),0,0037 .1014 kWEnerga solar utilizada en la fotosntesis, 0,0004.1014 kW.De t odo lo ant er ior , slo el 47% de la ener ga solarincident e alcanza la super ficie t er r est r e, defor ma que el 31% lo hace dir ect ament e y el ot r o 16% despus de serdifundida porel polvo, vapordeagua y molculas de air e. El 53% de la ener ga r est ant e no alcanza la super ficie de la Tier r a, ya queun2%esabsor bidapor laest r at osfer a,pr incipalment epor elozono,el15%por lat r oposfer a,(agua, ozono y nubes), en t ot al 2 + 15 = 17% y porot r a par t e, un 23% es r eflejada porlas nubes, un7% es r eflejada porel suelo y el 6% r est ant e cor r esponde a aquella ener ga difundida porla at ms-fera que se dirige hacia el cielo, Figs I.1.2.Solar I.-1Fig I.1.- Balance de radiacin solarFigI.2.-Balancederadiacint errest reI .2.- DI STRI BUCI N ESP ECTRAL DE LA RADI ACI N SOLAR EXTRATERRESTREEl Sol se puede consider arcomo un gigant esco r eact orde fusin nuclear , const it uido pordife-r ent esgasesqueseencuent r anr et enidosenelmismopor fuer zasgr avit at or ias.Laener gaenfor ma de r adiacin elect r omagnt ica, r esult ado de las r eacciones de fusin que t ienen lugaren l,fundament alment e en el ncleo, debe sert r ansfer ida a la super ficie ext er iorpar a, desde all, serr adiada al espacio; en est e pr oceso de t r ansfer encia apar ecen fenmenos convect ivos y r adiat ivos,Solar I.-2as como sucesivas capas de gases, dando lugara un espect r o de emisin cont inuo.A pesarde la compleja est r uct ur a del Sol, par a las aplicaciones de los pr ocesos t r micos der iva-dos del mismo, se puede adopt arun modelo mucho ms simplificado. As, se puede consider aral Solcomouncuer ponegr oquer adaener gaalat emper at ur ade5.762K,yaqueladist r ibucindeener ga par a cada longit ud de onda apr ovechable porlos pr ocesos t r micos y fot ot r micos, es bsi-cament e la misma que la de dicho cuer po negr o. Par a ot r os pr ocesos que dependen de la longit ud deondayenlosque,ladist r ibucinespect r alesunfact or impor t ant e,por ejemploenlospr ocesosfot ovolt aicos o fot oqumicos, pueden r esult arnecesar ias consider aciones ms det alladas.La Tier r a, en su movimient o alr ededordel Sol, descr ibe una r bit a elpt ica, de escasa excent r ici-dad, de forma que la dist ancia ent re el Sol y la Tierra vara aproximadament e un 3%.La distancia media Tierra-Sol es, d = 149 millones de KmEn el solsticio de verano, la Tierra est alejada una distancia del Sol mxima, dmx = 1,017 dEn el solsticio de invierno, la Tierra se halla a la distancia mnima del Sol, dmin = 0,983 dConest osdat os,unobser vador t er r est r esit uadosobr euncr culoenelcualelSolocupaseelcent r o, ver a a st e bajo un ngulo de 32 minut os.La r adiacin emit ida porel Sol y las r elaciones espaciales con la Tier r a, conducen al concept odeint ensidadder adiacinenellmit eext er ior delaat msfer a;suvalor espr ct icament econs-t ant eyseconocecomoconst ant esolar ,definindosecomolaener gasolar por unidaddet iempor ecibida sobr e una super ficie per pendiculara la r adiacin, de r ea unidad. Est a r adiacin al at r ave-sarla at msfer a, es par cialment e absor bida y difundida porcier t os component es de la misma; enlas lt imas dcadas, al disponerde sat lit es ar t ificiales, se han podido r ealizarmediciones dir ect asde la int ensidad solar , libr es de la influencia de la at msfer a t er r est r e, habindose dado un valorst andard de la misma I0(ext ) pr opuest o porThekaekar a y Dr ummond en 1979, Fig I.3.Result a impor t ant e conocerla dist r ibucin espect r al de la r adiacin solar , ya que la int er accinde la misma con los dist int os medios mat er iales va a serfuncin de la longit ud de onda de la r adia-cin incident e. En la Fig I.3 se puede obser varel espect r o de la r adiacin ext r at er r est r e cor r espon-dient e a la dist ribucin de energa que llegara a la Tierra en ausencia de at msfera.Lacur vast andar ddeladist r ibucinespect r aldelar adiacinext r at er r est r e,est basadaenmedidashechasenelespacioext er ior agr analt it ud,enlaqueelpr omediodeener gapar aunaanchur a de banda de longit ud de onda media y la ener ga int egr ada par a longit udes de onda infe-r ior es a vienen dadas en la Tabla I.1 (Thekaekar a). En ella El es el pr omedio de r adiacin solarcompr endido sobr e una pequea banda del espect r o cent r ada en la longit ud de onda ,W/cm2m, es el % de la const ant e solar asociada a longit udes de onda menores que .Si a par t irde est os valor es se quier e calcularla fr accin de la r adiacin solarext r at er r est r e y lamagnit ud de dicha r adiacin en el ult r aviolet a, < 0,38 m, visible, 0,38 m TL,ret> Ti+1FiC 0, en otros casos ' por lo que el balance energtico ser,(m cp)i dTi dt = Ci dTi dt== Ccol {Fic (TC2 - Ti) + (Ti-1-Ti)j=1i-1Fjc] + CL [FiL (TL,r - Ti) + (Ti+1-Ti) j=i+1NFjL} + (U A)i (Ta - Ti)Puede suceder que existan circunstancias en las que el fluido en el colector o en la carga no seaigual al del depsito de almacenamiento, como se presenta en la Fig V.5, en la que se observa unV.-119depsito nico en el que los circuitos de las placas colectoras y de carga estn separadas por inter-cambiadores.Fig V.5ALMACENAMIENTOENLECHODEROCAS.-Unaunidaddealmacenamientoenlechoderocas (guijarros o cantos) Fig V.6, se basa en la capacidad calorfica de ciertos materiales ligera-mente compactos, a travs de los cuales se hace circular un fluido, generalmente aire.Fig V.6.- Unidad de almacenamient o de lecho compact oPara las aplicaciones de energa solar, los lechos de rocas bien diseados, que utilizan la propiaroca, tienen varias caractersticas interesantes, como,a) El coeficiente de transferencia de calor entre el aire y el material slido es altob) El coste del material de almacenamiento es bajoc) La conductividad trmica del lecho es baja cuando no circula aire a su travs.Las partes que componen una unidad de este tipo de lecho compacto son,a) Un contenedorb) Una estructura porosa para contener y apoyar el lechoc) Distribuidores de aire para el flujo en ambas direcciones que reduzcan al mnimo el paso del aire.Durante el funcionamiento, el flujo pasa a travs del lecho en una direccin aportando calor(generalmente hacia abajo) y en direccin contraria al extraer calor. No se puede aportar y extraercalordeestaunidadalmismotiempo;staesunadiferenciafundamentalconlossistemasdeV.-120almacenamiento de agua donde es posible aportar y extraer calor simultneamente.Las necesidades de aislamiento en la superficie exterior del lecho de rocas son mnimas, si elalmacenamiento es para perodos de tiempo cortos, puesto que la conductividad trmica del lechoen las direcciones radiales es baja.Los intercambiadores de lecho de guijarros tienen una transferencia de calor muy buena entre elaire y los slidos del lecho, lo que tiende a reducir al mnimo las diferencias de temperatura entre elaire y los slidos cuando se calienta el lecho y entre los slidos y el aire cuando se enfra el lecho.Se han realizado muchos estudios sobre el calentamiento y el enfriamiento de lechos de rocasen sistemas qumicos con materiales de relleno de tamao uniforme y forma regular, pero pocosofrecen un verdadero inters para las aplicaciones en los sistemas termosolares.Para la determinacin del coeficiente de transferencia de calor en lechos de rocas se puede utili-zar la expresin, (Lof y Hawley, 1948)

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