Modulo 1

5/16/2018 Modulo 1 - slidepdf.com

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EL CAMPODE CAPTADORES



INDICE

1. EL MOVIMIENTO SOLAR Y LA RADIACIÓN

1.1.- EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA ...................................................................1

1.2.- BALANCES DE ENERGÍA SOLAR ........................................................................11 1.3.- MOVIMIENTO SOLAR.........................................................................................14

1.4.- INSTRUMENTACIÓN PARA LA OBSERVACIÓN DEL FLUJO SOLAR .................20

1.5.- COORDENADAS PARA LA DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO SOLAR ...........27

1.6.- CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLAR ...............................................................37

1.7.- EJEMPLO RESUELTO............................................................................................40

2. SISTEMAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN

2.1.- SISTEMA TERMOSOLAR DE CONCENTRACIÓN................................................43

2.2.- SISTEMAS DE COLECTORES CILINDRO-PARABÓLICOS (CCP) .......................50

2.4.- FLUIDO DE TRABAJO EN EL TUBO ABSORBENTE ..............................................54

2.5.- BALANCE ENERGÉTICO .....................................................................................58

2.6.- EJEMPLO DE DESARROLLOS TECNOLÓGICOS ................................................66

2.7.- FUTURO DE LA TECNOLOGÍA ............................................................................72



MÓDULO 1.EL CAMPO DECAPTADORES

1. EL MOVIMIENTO SOLARY LA RADIACIÓN




1

1.1.- EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA

El Sol es la fuente de energía más abundante y limpia, y es de origen

renov able. Es decir, es una fuente de energía inagotable. Comoinconv enientes tenemos su dispersión y discontinuidad en relación a otras

fuentes energéticas (carbón, petróleo, etc).

Según la Ley de Prev ost, todo cuerpo con T > 0 ºC emite radiación

electromagnética, es decir, emite energía. Considerando al Sol como un focotérmico a 5.777 K, desde éste nos llegan 1.367 W/m2 en forma de radiación

electromagnética.

CONCEPTOS TEÓRICOS

Radiación térmica

Un cuerpo, por tener una temperatura, emitirá una cantidad de calor en

forma de ondas electromagnéticas.

La cantidad de energía radiante emitida o calor radiado viene dada por la

Ley de Stefan-Boltzman.

En el caso del Sol:

6,35 × 107 W/m2

Cuerpo negro

Cuerpo ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incidesobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a trav és del cuerponegro.

A su v ez, el cuerpo negro emite radiación electromagnética de cualquier longitud de onda.




2

Energía

La capacidad para realizar un trabajo.

Unidad SI Julio (J). Muy usado Watio hora (Wh).

Potencia

Cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

Potencia media:

Unidad SI Watio (W)

Longitud de onda (λ)

Distancia que recorre la onda en el tiempo transcurrido entre dos picos de lamisma.




3

Distintas magnitudes relacionadas con la descripción de la radiación solar

Magnitud Explicación Unidad Símbolo

Radiación Se utiliza habitualmente en un sentido genérico.

IrradianciaLa radiación que incide en uninstante sobre una superficie

determinada (potencia).

W/m2 I, E

IrradiaciónLa radiación que incide durante unperiodo de tiempo sobre una

superficie determinada (energía).

Wh/m2 oJ/m2

H

Irradiancia

espectral

Es la potencia radiante por unidad

de área y longitud de onda.W/(m2µm) Iλ, Eλ

Irradianciadirecta

Radiación que llega a un

determinado lugar procedente deldisco solar.

W/m2 Idir , Edir

Irradiancia difusaEs la radiación procedente de toda

la bóv eda celeste excepto laprocedente del disco solar.

W/m2 Idif, Edif

Irradiancia

global

Se puede entender como la suma

de la radiación directa y difusa. Esel total de la radiación que llega a

un determinado lugar.

W/m2 Ig, Eg




4

Formas básicas en las que la radiación se difunde (radiación difusa) en laatmósfera

Difusión por partículas de aire

Se debe a las moléculas de aire son muy pequeñas en comparación con laslongitudes de onda de la radiación más significativas en el espectro de la

energía solar. Se puede estudiar por la teoría de Rayleigh.

Difusión por partículas de polvo

La partículas de polv o tienen un tamaño mucho mayor que las moléculas que

componen el aire. Son difíciles precisar porque las partículas de polv o varíande tamaño y concentración

Difusión por el vapor de agua

Debida al vapor de agua contenido en la atmósfera

Absorción

La absorción de la radiación solar a su paso por la atmósfera terrestre es

debida fundamentalmente a:

Al ozono en el ultrav ioleta (λ < 0,3 µm) y un poco para el v isible (0,5 <

λ < 0,6 µm)

Al v apor de agua confinado en las capas bajas de la atmósfera enel infrarrojo (λ > 0,7 µm)




5

La siguiente imagen muestra las componentes de la radiación a su paso por laatmósfera:

Albedo (ρ)

Porción de la radiación solar incidente sobre el suelo que es reflejada. A falta

de datos más precisos, suele tomarse ρ = 0,2.




6

Irradiancia circumsolar y radiación extraterrestre


Irradianciacircumsolar

Es la parte de la radiación difusaprocedente de las proximidades

del disco solar.

W/m2 Icir , Ecir

Radiaciónextraterrestre

Es la radiación que llega al exterior de la atmósfera terrestre. Sólo varía

con la distancia Tierra-Sol.

W/m2 oJ/m2

Io, Eo oHo

La siguiente imagen muestra una estación de medida de radiación solar y

variables meteorológicas.




7

Emisividad, reflectividad, transmisividad y absortividad


Emisiv idad

Capacidad o eficiencia de unmaterial para emitir radiación

comparada con un cuerpo

negro.

Adimensional Є

Reflectiv idadFracción de radiación incidente

reflejada por una superficie.Adimensional ρ

Transmisiv idadFracción de radiación incidentetransmitida por una superficie.

Adimensional τ

Absortiv idadFracción de radiación incidenteabsorbida por una superficie.

Adimensional α

Radiación definida desde el punto de vista de su interactuación con lasdistintas superficies

Radiación emitida. Relación con la emisiv idad y la radiación que

puede emitir el cuerpo.

Radiación reflejada. Relacionado con la radiación que llega a un

cuerpo y la reflectiv idad.

Radiación transmitida. Relacionado con la radiación que llega a un

cuerpo y la transmisiv idad.

Radiación absorbida. Relacionado con la radiación que llega a un

cuerpo y la absortiv idad.




8

La siguiente imagen muestra los conceptos anteriormente expuestos sobre uncolector cilindro-parabólico:

Mecanismos de transferencia de calor

a) Radiación: aparece en sólidos, líquidos y gases. Es la transferencia de

energía desde las partículas más energéticas de una sustancia a laspartículas adyacentes menos energéticas, por las interacciones de

las partículas.

b) Convección: consiste en la transferencia de energía entre una

superficie sólida, a una temperatura, y un fluido adyacente enmov imiento, que se encuentra a una temperatura diferente.




9

c) Conducción: energía emitida por la materia (sólida, líquida ogaseosa) como resultado de los cambios en las configuraciones

electrónicas de los átomos o moléculas en su interior. La energía estransportada por ondas electromagnéticas, pudiendo tener lugar

incluso en el vacío.

Entalpía

Es una medida del contenido energético de una sustancia o de un sistema.

Su unidad en el sistema internacional es el kJ/kg.

Masa de aire (MA)

Es la razón de cantidad de masa gaseosa que la radiación solar atrav iesahasta llegar al suelo, respecto de la que recorren cenitalmente los rayos solares

en el nivel del mar a una presión inicial (P0) de 1 bar, que es la menor trayectoria posible (MA1).

)(·0

α senP

P MAn =




10

Propiedades del Sol como fuente energética

La siguiente tabla muestra las características principales del Sol:

En relación al Sol como fuente energética, este se puede asemejar a un

cuerpo negro a 5.777 k de temperatura. Por la Ley de Stefan-Boltzman (poder emisivo total de un cuerpo negro), podemos determinar su poder emisivo:

M λ Poder emisivo monocromático




11

1.2.- BALANCES DE ENERGÍA SOLAR

De la realización de balances energéticos sobre el Sol y la energía radiada,

podemos extraer:

Emitido por el Sol y recibido en la Tierra 1,731014 kW ,

Energía solar reflejada por la atmósfera: 30%, 0,521014 kW.

Energía solar que calienta la atmósfera: 47%, 0,801014 kW.

Energía solar para la evaporación de los océanos: 23% , 0,401014 kW.

Energía solar que genera perturbaciones atmosféricas: 0,00371014 kW.

Energía solar utilizada en la fotosíntesis: 0,00041014 kW.

De lo anterior, se destaca que el 47% de la energía solar incidente, 0,801014

kW, alcanza la superficie terrestre:

31% directamente.

16% después de ser difundida por el polv o, vapor de agua y

moléculas de aire.

El resto de la energía solar, el 53%, no alcanza la superficie de la Tierra:

15% absorbida por la troposfera (agua, ozono y nubes).23% reflejada por las nubes.

7% reflejada por el suelo.

2% absorbida por la estratosfera, principalmente por el ozono.

6% difundida por la atmósfera y dirigida hacia el cielo.




12

Las siguientes imágenes muestran gráficamente los balances energéticossobre la energía radiada por el Sol y que llega hasta la Tierra:

Balance de Radiación Solar




13

Balance de Radiación Terrestre




14

1.3.- MOVIMIENTO SOLAR

Traslación

La distancia Tierra-Sol varía de 0.983 UA (unidades astronómicas, r = 1,495979

108 k m = 1 UA) (aproximadamente el día 3 de enero), a 1.017 UA

(aproximadamente el 4 de julio). Esto supone una oscilación anual de un ± 3 %en la cantidad de radiación solar recibida por la Tierra.

El considerado año sidéreo (tiempo real que la Tierra tarda en dar una vueltaalrededor del Sol, dura 365,25636 días.

La siguiente imagen muestra el mov imiento de traslación de la tierra sobre laelipse:

Posición de la Tierra sobre su Órbita

Éste movimiento de traslación no es uniforme. Viene caracterizado por:

La v elocidad lineal media es de unos 29,8 km/s (máxima en elperihelio y mínima en el afelio).

Por la segunda ley de Kepler o ley de las áreas, el radio v ector queune el Sol con un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.

La v elocidad areolar es constante.




15

Esta distancia irregular de la Tierra respecto al Sol se puede estimar mediantela ecuación:

r = r 0 / √E0

Donde E0 v iene dada por cualquiera de estas dos ecuaciones:

• E0 = 1,000110 + 0,034221 cos Γ + 0,001280 sen Γ + 0,000719 cos 2Γ +

0,000077 sen 2Γ

• E0 = 1 + 0,033 cos (2nπ/365)

Γ v iene dada por:

• Γ = 2π(n-1)/365

n es el día del año contado desde el 1 de enero

r 0 la distancia media Tierra - Sol

Rotación

Simultáneamente al movimiento de traslación, la Tierra gira sobre uneje que pasa por los polos.

La rotación se puede suponer un mov imiento perfectamente

uniforme.

El período de rotación de la Tierra es de 23 h 56 min 4,099 s.

El plano normal al eje de rotación que pasa por el centro degrav edad de la Tierra se denomina plano ecuatorial o plano del

ecuador. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la

eclíptica, lo cual deriv a en las estaciones del año y la desigualdaden la duración de los días.

En la traslación alrededor del Sol, el eje de rotación se desplazaparalelamente a si mismo.

El eje de rotación siempre tiene el mismo ángulo ε con la normal alplano de la eclíptica. Se denomina oblicuidad de la eclíptica y su

valor es de 23° 27'.




16

Sucesión de las Estaciones

Constante solar

Es la radiación extraterrestre. Es decir, la radiación recibida fuera de laatmósfera. Su valor es prácticamente constante y se conoce como constante

solar, definiéndose como:

Cantidad total de energía procedente del Sol, en todas las longitudes de

onda, por unidad de tiempo y por unidad de área de una superficie normal a

los rayos solares y a la distancia media entre la Tierra y el Sol.

ICS = 1.367 W/m2

= 4.212 kJ/m2·h




17

Las siguientes imágenes muestran la relación entre la radiación solar extraterrestre, y su relación con la radiación real:

Curva Estándar de la Radiación Solar Extraterrestre




18

Distribución Espectral de la Radiación Solar




19

La información de las gráficas, tabulada, v iene dada por la siguiente tabla:

El estudio de este espectro indica que:

El 7% de la energía, 95 W/m2, longitudes de onda inferiores a 0,38µm.

El 47,3%, 640 W/m2, longitudes de onda comprendidas entre 0,38 y0,78 µm.

El 45,71% restante corresponde a longitudes de onda superiores a

0,78 µm.




20

1.4.- INSTRUMENTACIÓN PARA LA OBSERVACIÓN DEL FLUJO SOLAR

HELIÓGRAFOS

Sirv en para medir la duración de la luz solar, que se puede definir como el intervalo de tiempo durante el cual se v e el disco solar.

Determinan los períodos del día durante los cuales la intensidad dela radiación directa es superior a un cierto umbral, 120 W/m2, que

está reconocido a niv el mundial.

El interv alo de tiempo transcurrido entre la salida y la puesta de Sol,define el máximo tiempo de radiación solar diaria posible, para un

día concreto del año y para un lugar determinado.




21

La siguiente imagen muestra el heliógrafo de Campbell-Stokes:

PIRHELIÓMETROS

Sirv en para medir la radiación solar directa total.

De tipo telescópico con una apertura de pequeño diámetro.

Las superficies receptoras del pirheliómetro deben mantenerse en

todo momento perpendiculares a la dirección de la radiación solar,por lo que el uso de un sistema de seguimiento adecuado ( solar

tracker) es Ineludible.

Las aperturas de este dispositiv o están dispuestas de forma que sólo

la radiación procedente del disco solar y de una estrecha franjaanular en torno al mismo alcanzan el receptor.

Factores que determinan la precisión son: sensibilidad, estabilidaddel factor de calibración, error máximo por v ariaciones de

temperatura ambiente, errores debidos a la respuesta espectral delreceptor, no-linealidad de la respuesta, ángulo de apertura,

constante de tiempo del sistema y efectos del equipo auxiliar.




22

Pirheliómetro de disco de plata de Abbot




23

Pirheliómetro Eppley NIP montado sobre un seguidor solar

PIRANÓMETROS

Sirv en para medir la radiación global, directa y difusa, que se recibe

en todas direcciones, por lo que el instrumento tiene que descansar sobre una base horizontal.

La banda de frecuencias medida por el piranómetro estácomprendida entre 0,3 µm y 3 µm; si se protege de la radiación

directa por un anillo protector desvanecedor, entonces mide sólo laradiación difusa.

Los piranómetros más usuales se basan en determinar la diferenciade temperaturas entre una superficie negra y una blanca mediante

termopilas o células fotoeléctricas, protegidas del v iento ycompensadas para cambios de temperatura ambientales,

mediante una doble semiesfera de vidrio, para suprimir losfenómenos de convección.




24

Esquema de un piranómetro Eppley PSP

Piranómetro de Kipp y Zonen




25

Las siguientes imágenes muestran piranómetros con distintos elementos desombra para medir la radiación difusa:

PIRRADIÓMETRO DIFERENCIAL O BILANMETRO

Estos aparatos, muy delicados, miden la diferencia entre las radiacionesdirigidas hacia el suelo y hacia el espacio y permiten establecer dos balances

radiativos. Poseen una doble superficie sensible, una vuelta hacia arriba y laotra hacia abajo.

Bilanmetro Ventilado de Gier y Dunkle




26

Las siguientes imágenes muestran resultados de medidas piranométricas:

Medidas piranométricas

Medidas piranométricas en un día soleado en septiembre, con pasos de nubes




27

1.5.- COORDENADAS PARA LA DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO SOLAR

Sistema de coordenadas celestes horizontales

Las coordenadas celestes horizontales de un astro son:

El acimut, ψ, arco de horizonte comprendido entre el Sur y el punto

donde el círculo v ertical que pasa por el astro corta al horizonte.

Se cuenta a partir del Sur, de 0° a ±180°, positiv o hacia el Oeste y

negativ o hacia el Este.

La altura, α, arco de dicho círculo v ertical comprendido entre el

astro y el horizonte.

Se mide a partir del horizonte, de 0° a 90°, positiv o hacia el cenit y

negativ o hacia el nadir.

Más usado ángulo cenital, θz:

θ z = 90° - α

Coordenadas Celestes Horizontales




28

Sistema de coordenadas celestes horarias

Las coordenadas celestes horarias de un astro son:

El ángulo horario, ω, que es el arco del ecuador celestecomprendido entre el meridiano superior del lugar y el círculo horario

que pasa por el astro.

Se mide sobre el ecuador a partir del punto de intersección entre el

meridiano superior del lugar y aquel, de 0° a ±180°, positiv o hacia elOeste y negativo hacia el Este.

La declinación, δ, es el arco del círculo horario que pasa por el astro,comprendido entre el ecuador y éste.

Se cuenta a partir del ecuador de 0° a ± 90°, positivo hacia el poloNorte y negativ o hacia el polo Sur.

Coordenadas Celestes Horarias




29

La siguiente imagen muestra las posiciones del Sol a lo largo del año:

Declinaciones solares a lo largo del año:

Movimiento aparente del Sol sobre el horizonte

Las coordenadas horizontales de un astro varían con el tiempo.

Se denomina orto de un astro el momento de su cruce con elhorizonte, haciéndose v isible por el Este.

Se denomina ocaso el momento en que el astro cruza el horizonte

por el Oeste, ocultándose.




30

El instante de paso de un astro por el meridiano superior del lugar (ω= 0º), en el que alcanza su altura máxima sobre el horizonte, se

conoce como culminación superior del astro.

El interv alo de tiempo transcurrido entre dos culminaciones

superiores consecutivas de tal astro, que coincide con el período derotación de la Tierra, es constante y se denomina día sidéreo.

El día sidérico constituye una unidad fundamental de tiempo enastronomía. Su duración es de 23 h 56 min 4,091 s.

El Sol está animado de un mov imiento aparente propio aparentecon respecto a las estrellas fijas.

Este mov imiento se realiza sobre la eclíptica, que está inclinada unángulo ε = 23° 27' sobre el ecuador.

La declinación solar varía a lo largo del año, entre un máximo de δ =+ε y un mínimo de δ = -ε.

El mov imiento aparente del Sol y el mov imiento de rotación terrestre,determinan el mov imiento aparente del Sol sobre el horizonte.

El tiempo transcurrido entre dos culminaciones superiores del Soldefine el día solar verdadero, que es un poco mayor que el día

sidéreo.

Planos del Ecuador y la Eclíptica




31

Tiempo solar y tiempo oficial. La ecuación del tiempo

El tiempo solar verdadero, TSV, es el ángulo horario del centro del Sol,

expresado en horas. Cada hora equivale a 360°/24=15°.

TSV = ω /15

El tiempo local aparente, TLA, es el tiempo solar verdaderoaumentado en 12 horas, por lo que empieza a contarse a partir de

medianoche.

TLA = TSV + 12

El día solar verdadero tiene una duración desigual a lo largo del año,por el movimiento de traslación que no es uniforme.

Por todo esto, el tiempo solar verdadero tiene una naturaleza másgeométrica que física, ya que no es una función lineal del tiempo, y

no sirve para establecer una escala de tiempo uniforme.

El día solar medio, usado en la vida diaria y de duración constante,

corrige las irregularidades del día solar v erdadero.

El tiempo solar medio, TSM, es el tiempo solar verdadero corregido

de todas sus irregularidades.

Ecuación del tiempo, Et

Suma algebraica de todas las correcciones que es preciso deducir del tiempo

solar v erdadero para despejarlo de todas sus irregularidades.

TSV = TSM + Et




32

Representación de la ecuación del tiempo:

El tiempo civ il, TC, también denominado tiempo local medio, es eltiempo solar medio aumentado en 12 horas. Se empieza a contar desde la medianoche.

TC = TSM + 12

El tiempo univ ersal, TU, es el tiempo civ il del meridiano 0 o de

Greenwich.

Por todo lo anterior, para un lugar de longitud geográfica λ (positiva

hacia el Este), el tiempo civ il en horas viene dado por:TC = TU + λ/15

El carácter local del tiempo civ il impide su utilización oficial en lavida práctica.

Para extender a todo el mundo el tiempo univ ersal, se ha dividido lasuperficie terrestre en 24 husos horarios.

Amplitud de 15° (1 hora) de longitud cada uno.




33

Numerados de 0 a 23 hacia el Este, a partir del huso horario 0, que setoma como referencia. Este huso tiene como meridiano central el 0.

Dentro de cada huso rige el tiempo local estándar, TLE, definidocomo el TU aumentado en un número entero de horas igual al

número del huso.

Para una longitud geográfica λ, la diferencia entre el tiempo civ il y el

tiempo local estándar, conocida como corrección de longitud,viene dada por:

TC-TLE = (λ -λ s )/15

donde λ s es la longitud del meridiano central del huso

correspondiente.

La corrección de longitud es positiva si el lugar está al Este de dicho

meridiano y negativa en caso contrario

El tiempo oficial, TO, que es el que marcan los relojes que usamos en

la v ida ordinaria, difiere un número entero de horas delcorrespondiente al huso horario.

TO = TLE + AO

Siendo AO el adelanto oficial sobre el huso horario

Tiempo solar v erdadero y tiempo oficial están relacionados por

TSV = TO- AO+(λ -λ s )/15+ Et – 12

donde, tiempo y Et en horas, y λ en grados (positiva hacia el Este)

Hora 1; entre medianoche verdadera y las 1 horas TLA

Hora 2; entre las 1 horas y las 2 horas TLA

…

Hora 24; entre las 23 horas TLA y la medianoche v erdadera del día

siguiente




34

Cálculo de la posición solar. Ecuaciones aproximadas

La duración del año trópico es de 365,24219 días.

Se aproxima el año con 365 días. Cada día de este año se identificamediante un número denominado día del año, n, que varía entre 1

(para el día 1 de enero) y 365 (para el día 31 de diciembre).

Suponiendo la declinación solar constante durante un día del año,

la posición solar en un instante viene dada, en coordenadashorarias, por el ángulo horario ω y la declinación δ del centro del

Sol.

El ángulo horario (expresado en grados sexagesimales) es:

ω = 15 ⋅ t

donde t está expresado en horas de tiempo solar verdadero

La declinación solar puede calcularse con un error máximo de ±1.5°con la expresión aproximada de Cooper:

δ = 23.45 sen[360/365( dn +284)]

La ecuación del tiempo, expresada en minutos, según Spencer (conun error máximo de unos 35 segundos).

Et =229,2/60[0,000075 + 0,001868cos (Γ) - 0,032077sen(Γ) –

0,014615 cos(2Γ) - 0,04089 sen (2Γ)]

Donde Γ = 2π(n-1)/365, ángulo del día en radianes




35

Posición del sol relativa a una superficie plana

Función de la posición solar en la esfera celeste y de la posición de

la superficie sobre el plano del horizonte. Dos ángulos:

Ángulo de Incidencia de los Rayos Solares sobre una Superficie

El ángulo acimutal, α, también llamado orientación. Ánguloentre la proyección horizontal de la normal al plano y el Sur,

de 0º a ± 180º, positiv o hacia el Este.

La pendiente o inclinación, β, de la superficie. Ángulo entre la

superficie y la horizontal. De 0º a 180º.

Ángulo de incidencia, i, formado entre los rayos del Sol y la normal ala superficie.

Para una superficie arbitrariamente orientada e inclinada, en función

de las coordenadas horarias del Sol y de la latitud geográfica Sol,viene dado por:




36

Representación de la posición solar a partir de la carta solar esférica y de lacarta solar cilíndrica.




37

1.6.- CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLAR

Cálculo de la radiación solar extraterrestre

La irradiancia extraterrestre incidente sobre una superficie cualquiera

en un instante dado, v iene establecida por:

Io = ICS Eo cos θ

Donde:

ICS es la constante solar

θ es el ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la superficie.

Eo es el factor de corrección de la distancia Tierra-Sol, debido a la

excentricidad de la órbita terrestre

La irradiación, o energía recibida durante un determinado período

de tiempo [t1, t2], se obtiene integrando la irradiancia para eseperíodo.

Cálculo de la radiación incidente sobre una superficie inclinada

Dos metodologías para determinar la radiación incidente sobre la superficie

terrestre:

A partir de la composición de la atmósfera y del estudio de los

efectos que causan sobre la radiación solar . Se establece unamodelización a través de una serie de coeficientes atmosféricos, y se

determinan las componentes directa y difusa y de éstas la global.Gran complejidad y necesario acudir a ciertas simplificaciones.

A partir del análisis de series temporales de valores medidos deirradiación (normalmente irradiación global en plano horizontal)

medidos o calculados a partir de series de horas de Sol, y del estudioestadístico de estas series, obtener también las componentes directa

y difusa y de ellas la global.

∫∫ ==

2

1

2

1

··· 00

ω

ω

ω

π

d I dt I H t

t o




38

Apoyado en imágenes de satélite que permite una mayor extensiónEspacial.

Radiación incidente sobre la superficie terrestre

Existen distintos modelos para el estudio de la radiación incidente sobre la

superficie terrestre.

Ventaja Desventaja

ModelosEstadísticos

No precisan el conocimiento deparámetros atmosféricos en la

zona de estudio.

Precisan v alores deradiación global en la zona

de estudio.

ModelosFísicos

Precisan del conocimiento de

parámetros atmosféricos en lazona de estudio.

No precisan v alores de

radiación global en la zonade estudio.

Tres componentes a determinar:

Radiación directa desde el disco solar.

Radiación difusa procedente del cielo.

Radiación difusa y directa reflejada, procedente del suelo.

Calcular la irradiación solar directa sobre una superficie inclinada, es en parteun problema geométrico y en parte un problema físico determinado por la

interacción de la radiación solar con la atmósfera.

La irradiación difusa incidente en superficies inclinadas es, si no hacemos

ciertas simpli ficaciones y modelizaciones, de elevada complejidad debido a lagran variabilidad tanto en el tiempo como en su distribución espacial sobre el

cielo.

Existen en la bibliografía div ersos modelos de distribución de radiación difusa,

basados en distribuciones isótropas sencillas, como en otras más complejas,anisótropa y multiparamétricas de la radiación difusa.




39

Radiación incidente sobre la superficie terrestre. Propuesta de metodología

Mapas de radiación solar en España y Extremadura:




40

1.7.- EJEMPLO RESUELTO

DATOS

Latitud: φ = 37.40

Longitud: λ = 5.680

Día Juliano: D.J. = 120

Hora inicial: ti = 13h 50min

Hora final: tf = 14h 50min

Cálculo del Tiempo Solar Verdadero:

Tiempo Oficial

Hora inicial: ti = 13h 50min = 13,833h

Hora final: tf = 14h 50min = 14,833h

Hora intermedia del intervalo: t = (ti + tf)/2 = 14,33h

TO = TSV -Et +12 - λ/15 + 2 (España Peninsular Horario de Verano)

TO = TSV - Et + 12 - λ / 15 +1 (España Peninsular Horario de Invierno)

Horario de Verano: Sábado cercano al 25 de Marzo – Sábado cercano al 25

de Octubre.

TSV = TO + Et -12 + λ/15 – 2

TO = 14,33 h




41

Et (Ecuación del Tiempo). Aproximación a la Ecuación del Tiempo de Spencer:

Et = 229,2/60 [0,000075 + 0,001868 cos (Γ)− 0,032077 sen (Γ)− 0,014615 cos

(2Γ)− 0,04089 sen ( 2Γ)]= 2,878 min = 4,7910-2 h

Desfase por longitud; λ/15 = -5.68 / 15 = -0,37866 h

TSV = (14.33 + 4.7910-2 - 12 - 0.37866 – 2) h = -0.0007 h ≈ 0,0 h

Así queda que la hora intermedia del intervalo elegido corresponde al

mediodía solar. La hora a queda comprendida por tanto entre las (–0.5h) y(+0.5h) Hora Solar.




42

2. SISTEMAS TERMOSOLARESDE CONCENTRACIÓN

Colectores Cilindro-parabólicos (CCP)




43

2.1.- SISTEMA TERMOSOLAR DE CONCENTRACIÓN

La imagen muestra un esquema simplificado del ciclo térmico en un sistema

termosolar de concentración:

Un parámetro importante es la concentración geométrica, dada por lasiguiente expresión:

Cg = concentración geométrica

A = superficie de absorción

A = superficie de captación

abs

c

g A

AC =




44

Inciso. Concepto teórico

Rendimiento térmico del ciclo de Rankine v iene dado por la expresión:

Es una relación entre la potencia de salida y la potencia térmica de entrada al

ciclo.

Rendimiento energético de un sistema termosolar - Temperatura de operación

Si sube la Top, entonces sube el rendimiento η

Si sube la Top, aumentan las pérdidas por radiación

Si baja Cg, aumentan las pérdidas por radiación

Debido al ángulo de aceptancia, que veremos posteriormente, no toda laradiación proyectada sobre el concentrador termina en el foco, como se

aprecia en la siguiente imagen:




45

Valores límite de la razón de concentración

Teóricamente, la razón de concentración puede tomar cualquier

valor para rayos perfectamente paralelos.

En la práctica, los límites teóricos son:




46

Sistemas Termosolares de Concentración (STCS)

Aprov echamiento de la energía solar en media y alta temperatura.

Concentración de la radiación directa.

Generación de electricidad a partir de la energía solar. Éstas son las

conocidas como Centrales Energéticas Termosolares (CETS).

El esquema general de funcionamiento de esta central es el mostrado en la

imagen:

Centrales Energéticas de Termosolares (CETS)

Destacan tres:

a) Colectores cilindro parabólicos (CCP). Es una tecnología madura.




47

b) Sistemas de receptor central (CRS) o sistemas de torre.




48

c) Discos parabólicos (DP) o más propiamente, paraboloides derev olución.




49

b) y c) son tecnologías en expansión y desarrollo comercial

Se tienen dos configuraciones:

Sistemas sólo solares.

La radiación solar es la única fuente energética.

Sistemas híbridos.

La radiación solar se complementa con (o complementa a) otra fuente

energética, como pueden ser combustibles fósiles o biomasa.

Como se muestra en la gráfica, los sistemas híbridos pueden contribuir a una

estabilización de la producción de las plantas.

Aplicación de los STCS

Aplicaciones energéticas

Generación de electricidad

Producción de calor para procesos industriales

Cogeneración (combinación de ambas)

Aplicaciones de química solar. Conversión de la energía radiante enenergía química (almacenamiento químico).

Reformado solar del gas natural

Obtención de hidrógeno solar




50

Disociación térmica de v apor

Otros procedimientos termoquímicos.

Desalación de agua

Detoxificación de efluentes industriales o agrícolas

Tratamiento o síntesis de materiales.

Etc.

2.2.- SISTEMAS DE COLECTORES CILINDRO-PARABÓLICOS (CCP)

Se trata de un espejo cilindro-parabólico que concentra la radiación solar

directa sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola.

La radiación solar concentrada calienta el fluido que circula por el interior del

tubo receptor.




51

El esquema de funcionamiento y componentes de una planta de CCP vienedado en la siguiente imagen:

2.3.- COMPONENTES PRINCIPALES DE UN CCP

1) El reflector cilindro-parabólico

Refleja y concentra sobre el tubo absorbente la radiación solar directa.

Espejo curv ado en una de sus dimensiones con forma deparábola. Concentra sobre su línea focal toda la radiación solar

que atraviesa su plano de apertura.

La superficie especular especular se trata de una serie de películasde plata o aluminio sobre un soporte con suficiente rigidez. Éstepuede ser:

a) Chapa metálica

Suelen ser de aluminio pulido de alta reflectiv idad especular (en

torno al 80%)

Bajo coste.

Durabilidad baja.




52

b) Vidrio

Vidrio de bajo contenido en hierro.

Cara posterior: Fina película de plata + película de cobre + Pinturaepoxi

Dos tipos diferentes de espejos:

De v idrio grueso (espesor = 3mm)

De v idrio delgado (espesor = 1,5 mm)

c) Plástico

El reflector es una lámina de material plástico sobre la que se

deposita una película de plata o aluminio.

La forma parabólica tiene que ser aportada por un soporte más

resistente, sobre el que se pegará la lámina reflectante.




53

Problemas:

Baja durabilidad en la intemperie.

Grado de ensuciamiento mayor que los espejos de v idrio.

2) El tubo absorbente

Rendimiento del CCP está directamente relacionado con la calidad

del tubo absorbente.

El absorbedor puede constar de uno o dos tubos.

Dos tubos concéntricos

Tubo interior por el que circula el fluido que se calienta (metálico).

Tiene un recubrimiento selectiv o con elevada absortiv idad (>90%) ybaja emisiv idad en el espectro infrarrojo (<30%).

Tubo exterior de cristal. Reduce las pérdidas térmicas por conv ección en el tubo metálico. Protege de las inclemencias

meteorológicas el recubrimiento selectiv o. Suele llev ar untratamiento antirreflexivo en sus dos caras.




54

Esquema de un tubo absorbente

2.4.- FLUIDO DE TRABAJO EN EL TUBO ABSORBENTE

Para temperaturas moderadas (<200ºC), se utiliza aguadesmineralizada, o una mezcla con Etileno-Glicol.

Para temperaturas elevadas ( 200ºC < T < 450ºC), aceite sintético.

¿Por qué agua a bajas T y aceite sintético a altas T?

Respuesta en clase.

EJEMPLO:

Agua a 315ºC a la salida de los colectores, P ≥ 100 bar.

Aceite sintético a 315 ºC a la salida de los colectores, P = 10 o 15 bar.

Usar menores presiones posibil ita el empleo de materiales más económicos.




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Ejemplos de aceites sintéticos:

Para temperatura máxima de 300 ºC, Santotherm 55. Buenas

propiedades térmicas y buen precio (≈1€/kg).

Para temperaturas hasta 400ºC, Monsanto VP-1. Baja temperatura de

congelación, es de 12ºC (traceado).

Hasta 425 ºC, el Syltherm 800. Buenas propiedades térmicas.

Temperatura de congelación de 40ºC. Mas caro que el Monsanto VP-1(≈7€/kg, frente a ≈3€/kg).

Sistema de traceado

Resistencia eléctrica que mantiene la temperatura del fluido de trabajo.

Producción de CO2 por consumo eléctrico.

3) El sistema de seguimiento del Sol




56

Mecanismo de accionamiento, eléctrico o hidráulico, que mueva alcolector de acuerdo con la posición del Sol.

Para colectores grandes, los altos pares requeridos para girar alcolector obligan a usar mecanismos hidráulicos.

Se abaratan costes y se simplifica la construcción del CCP con un solomecanismo de accionamiento que muev e a varios módulos

concentradores conectados en series, y operados conjuntamente.

Formado por módulos cilindro parabólicos conectados en serie y

operados por un mismo mecanismo de accionamiento.

Mov imiento gobernado por un control electrónico, de forma que el

colector esté siempre perfectamente enfocado hacia el Sol.

Varios colectores se unen en serie para formar filas que, a su vez, se

conectan en paralelo hasta conseguir la potencia térmica deseada.




57

Mecanismos de actuación

Las imágenes muestran un motor reductor y un mecanismo hidráulico, de

izquierda a derecha.

4) La estructura metálica

Estructura metálica de soporte de un colector cilindro-parabólico:




58

La figura muestra el esquema de un CCP modelo LS-3, que está formado por ocho módulos cilindro parabólicos, de 12 metros de longitud y 6,75 metros de

ancho cada uno:

2.5.- BALANCE ENERGÉTICO

1) Introducción

Razón de concentración geométrica, C

Cociente entre el área de apertura del colector y el área total del tuboabsorbedor. En el CCP:

C = 4A /(LπD2)

Siendo:

A: La apertura del colector

D: El diámetro del tubo receptor

C: Longitud del concentrador




59

Valores usuales de la razón de concentración de un CCP alrededor de 20. Elmáximo teórico está en torno a 220.

Angulo de aceptancia, θ

Es el ángulo máximo entre dos rayos en un plano transv ersal de la apertura delcolector de manera que, una vez reflejados, dichos rayos intercepten el tubo

absorbente. Con sistemas de seguimiento precisos, el ángulo de aceptanciadebería ser inferior a 1º. Los sistemas usados actualmente tienen una precisión

del orden de 0,25º.

Por otro lado, el rango de temperaturas ideal para el correcto funcionamientode un CCP está en el rango 150-400ºC.

2) Pérdidas en un CCP

Tres grupos:

Pérdidas geométricas

Pérdidas ópticas

Pérdidas térmicas desde el tubo receptor al ambiente




60

Pérdidas geométricas

Equivalen a una disminución del área efectiv a de captación.

Las pérdidas geométricas en un CCP se div iden en dos grupos:

a) Debidas a la posición relativ a de los colectores entre sí.

b) Inherentes a cada colector

Por el sistema de seguimiento solar, el colector solo puede girar alrededor de un eje, lo que da lugar a la existencia del llamado

ángulo de incidencia, φ, que es el ángulo entre radiación solar directa y la normal al plano de apertura del colector.

Esta pérdida se cuantifica como un área de colector que se pierde, S E:




61

Donde:

A es el ancho del concentrador cilindro parabólico

L la longitud del concentrador cilindro parabólico

F la distancia focal de la parábola

Fm la distancia media entre la superficie de la parábola y el

absorbente

φ el ángulo de incidencia de la radiación solar directa

Un ángulo de incidencia demasiado elevado conlleva dos efectos:

Reduce el área efectiv a de captación.

Afecta a los valores de reflectiv idad, absortiv idad y transmisiv idad.

Estos efectos se cuantifican mediante un parámetro que se denominamodificador por ángulo de incidencia, K.

Pérdidas ópticas

Cuatro causas:

La superficie reflexiv a del concentrador no es un reflector

perfecto.

El v idrio que cubre al tubo absorbente metálico no es totalmentetransparente.

La superficie selectiva del tubo metálico no es un absorbenteperfecto.

La geometría del concentrador parabólico no es perfecta.

La consecuencia es que sólo una parte de la radiación solar directa llega al

fluido del absorbedor.




62

Cuantificación de las pérdidas ópticas

Reflectiv idad de la superficie del concentrador parabólico, ρ

Valores típicos de la reflectiv idad están alrededor del 90%, perodisminuye conforme aumenta la suciedad en la superficie.

Ejemplo: ρPANELES LIMPIOS= 0,92

ρPANELES baja 0,26 %/día por la suciedad progresiv a de los

espejos

Factor de intercepción, γ

Una fracción de la radiación solar reflejada por los espejos no

alcanza a la cubierta de cristal del tubo absorbedor porimperfecciones microscópicas o macroscópicas de los espejos, oerrores de posicionamiento del colector, o incluso el bloqueo quepueden suponer los soportes del tubo absorbente.

Valor típico 95%.

Transmisiv idad de la cubierta de cristal, τ.

Una fracción de la radiación solar reflejada por los espejos y quealcanza la cubierta de cristal del tubo absorbedor, no es capaz de

atravesarlo.

Valor típico 90 – 95%

Absortiv idad de la superficie selectiva, α

Cantidad de radiación incidente que la superficie selectiva puedeabsorber.

Vapor típico 90% – 96%

Rendimiento Óptico Pico del CCP




63

Pérdidas térmicas

Principalmente en dos lugares:

En el tubo absorbedor

Pérdidas de calor por conducción a través de los soportes de

los tubos absorbentes.

Por radiación, convección (eliminadas con cristal en vacío) y

conducción desde el tubo absorbente hacia la cubierta decristal.

Por conv ección y radiación desde el tubo de cristal alambiente.

En las tuberías de fluido térmico

Pérdidas de calor por conducción a través de los soportes.

Por conv ección y radiación desde la tubería.

Las pérdidas vienen dadas por la siguiente expresión:




64

Donde:

UL es el coeficiente global de pérdidas térmicas desde el tubo

absorbente al ambiente (W/m 2TUBO ABSORBENTEK)

QL son las pérdidas térmicas globales (W)

T abs es la temperatura media del tubo absorbente metálico (K)

T amb es la temperatura ambiente (K)

Do es el diámetro exterior del tubo metálico absorbente (m)

L es la longitud de dicho tubo (m)

UL debe ser facilitado por el fabricante del colector. U L)abs, para un CCP contubo absorbente de vacío ≈ 4 W/m2

TUBO ABSORBENTEK (fluido a unos 350 ºC)

3) Rendimiento de un CCP

En el CCP se pueden definir tres rendimientos diferentes y un parámetro:

Rendimiento óptico con un ángulo de incidencia de 0º (rendimientoóptico pico), ηopt,0º.

Rendimiento térmico, ηth.

Rendimiento global, ηglobal. Pérdidas ópticas, geométricas y térmicas.

Modificador por ángulo de incidencia, K. Considera las pérdidasópticas y geométricas para un ángulo de incidencia φ ≠ 0º, y que no se

tienen en cuenta en ηopt,0º. Se verá más adelante.

Energía solar incidente sobre un colector cilindro parabólico

Q sol =ScIcos(φ) Siendo:

Q sol = energía solar incidente sobre el colector (W)

Sc = área de apertura de la superficie reflexiva del colector (m 2 )

I = radiación solar directa (W/m 2 )

φ = ángulo de incidencia




65

Energía térmica útil suministrada por el colector

Qútil = qm(h sal – hent )

Siendo:

Qútil = energía térmica útil suministrada por el colector (W)

qm = caudal másico del fluido de trabajo (kg/s)

h sal = entalpía del fluido de trabajo a la entrada al colector (J/kg)

hent = entalpía del fluido de trabajo a la salida del colector (J/kg)

Rendimiento global del colector

ηglobal = Qútil / Q sol

Diagrama Sankey en el colector

El diagrama de Sankey es una herramienta muy útil para el estudio energéticode un sistema. En el caso de un CCP se tiene:

Consideraciones varias

El rendimiento óptico ηopt,0º depende del grado de ensuciamiento delcolector. Este ensuciamiento está afectado por:

La reflectiv idad de los espejos.




66

Por la transmisiv idad de la cubierta de v idrio del tuboabsorbente.

El fabricante ha de especificar el grado de limpieza para el cual esválido el ηopt,0º.

El rendimiento óptico pico puede estar en torno a 0.75, para un gradode limpieza del 100%.

El modificador por ángulo de incidencia K depende directamente delángulo de incidencia.

K=1 para φ = 0º

K=0 para φ = 90º

K se tiene que dar como función, K=K(φ), determinadaexperimentalmente.

El rendimiento térmico depende de la T del fluido y de la radiación solar directa.

2.6.- EJEMPLO DE DESARROLLOS TECNOLÓGICOS

1) Colector

Colectores Eurotrough y LS3 respectivamente.




67

Similitudes

Dimensiones del reflector prácticamente idénticas.

Tubo absorbente con recubrimiento selectiv o.

Tubo absorbente envuelto por otro tubo de v idrio (v acío).

Diferencias

El colector Eurotrough admite 12 módulos en serie .

Diferente potencia de la unidad hidráulica.

Estructura soporte del Eurotrough es más rígida y ligera.

La siguiente tabla muestra las características principales de ambos colectores:

Características Principales de los Colectores Eurotrough y LS3

2) Tubo absorbedor

Dos fabricantes principales:

La israelí Solel.

La alemana Schott.

Las características principales de los tubos son:

Longitud de 4 m aproximadamente.

Absortiv idad del 95%.

Emisiv idad a 350 ºC del 12%.




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3) Sistema de accionamiento y seguimiento

Para colectores de gran tamaño se emplean accionamientos hidráulicos. Hay

tres tipos de control del seguimiento:

Siguiendo las señales de células fotov oltaicas y sensores (control en

bucle cerrado).

Calculando la posición solar mediante la implementación de algoritmos

que calculan la posición del sol en cada instante (control en bucleabierto).

Combinación de ambos.

A trav és de las siguientes tablas se ve claramente la variación de radiación

recibida en función del tipo de seguimiento:

Efecto de la Orientación de Superficies para Todo el Año y Valor de la Radiación Directa a 35º deLatitud N




69

La siguiente tabla muestra la misma información respecto a un valor dereferencia:

Orientación de la superficie (Forma deseguimiento)

Producción respecto a la referencia(%)

Fija horizontal Valor de referencia (100)

Fija inclinada 35º al Sur 115

Con ajuste continuo sobre un eje horizontalNorte-Sur

139

Con ajuste continuo sobre un eje paralelo aleje de la Tierra

152

Con ajuste continuo sobre dos ejes conincidencia normal solar

156

El principio de funcionamiento de un seguidor solar para seguimiento sigue el

esquema siguiente:




70

El elemento de sombra del esquema anterior puede apreciarse en estaimagen de un sensor de banda de sombra:

4) Elementos de conexión

Son elementos críticos en una instalación de colectores cilindro-parabólicos.

Constituyen los puntos de fallos más frecuentes.

Dos tipos de uniones:

Conductos flexibles

Juntas rotativas

Como fabricantes destacados se tienen ATS e Hyspan.

Las siguientes imágenes muestran, de izquierda a derecha una unión flexible y

una junta rotativa.




71




72

2.7.- FUTURO DE LA TECNOLOGÍA

Según el PER 2010-2005 (Plan de Energías Renovables), la situación de latermosolar es España viene dada por la siguiente tabla:

Según los últimos estudios, ee prev en 816 MW operativ os en 2010, por encimade lo dictado por el PER, y hasta 2013, 500 MW anuales.

Líneas de innovación tecnológica para el periodo 2005-2010 según el PER

Diseño estructural

Desarrollo de un nuev o colector cilindro parabólico conocido como

Eurocolector o Euro Trough que mejora el diseño de los colectores utilizados enlas plantas de California (LS) con el diseño de una nuev a estructura que

aumenta el rendimiento. Se encuentra operativ o un prototipo en la PlantaSolar de Almería.

Fluido de transferencia de calor

Proyectos DISS e INDITEP, con el objetiv o de generar vapor directamente en los

tubos de absorción. Esto supone eliminar la necesidad de una transferencia de

calor intermedia por lo que se aumenta la eficiencia y se disminuyen los costes.




73

En cualquier caso, la fabricación de los tubos de absorción supone uno de losgrandes retos tecnológicos para la industria nacional.

Concentradores Disco Parabólicos

Los concentradores disco parabólicos son los sistemas que se encuentran en

una etapa más alejada de la comercialización, aunque teóricamenteconsiguen la mayores rendimientos y pueden ser más versátiles en su utilización

por su modularidad.

El futuro de los CCP pasa por:

Optimización del sistema.

Mejorar o abaratar los componentes.

Optimización de los trabajos de operación y mantenimiento.

A corto plazo

Aumentar el tamaño del módulo sin penalizar excesivamente el

rendimiento.

Aumentar el factor de capacidad mediante el aumento del sistema

de almacenamiento.

Empleo de sales fundidas como medio de almacenamiento.

Empleo de sales fundidas como fluido de trabajo.

Nuev os recubrimientos, más eficientes y duraderos, para el tubo

absorbedor.

Optimización de la estructura soporte.

Reducción de los consumos parásitos de la planta.

Reducción del número de fallos.

Mejora del rendimiento del ciclo de potencia .

Aumentando la temperatura de operación a 450 ºC.




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Objetivo

Reducir el coste de la energía producida hasta los 0.10 €/kWh,

mediante una mejora de hasta 4 puntos el rendimiento anual (solar a eléctrico) de la planta, hasta el 15% y el 20% y la reducción de

costes O&M hasta en un 20%.

El siguiente gráfico muestra un ejemplo de abaratamiento de coste

en la operación y el mantenimiento.

A Largo plazo

Poner a punto la tecnología de generación directa de vapor en los tubosabsorbedores (tecnología DSG, Direct Steam Generation). De este modo se

espera conseguir reducir el coste de la energía producida hasta en un 25%, lareducción de los costes de instalación en un 15% y un aumento del

rendimiento anual en un15%.

Modulo 1

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