Energía Solar Térmica
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Energía Solar Térmica
Selección del tipo de colector Menos de 40 º C colectores desnudos De 40 a 55 º C colectores en caja con baja selectividad De 70 a 100 º C Colectores CPC Tubos de vacío Fuente: Poship. Potential of solar heat in industrial process. De 50 a 80 º C colectores en caja con alta selectividad Más de 100 º C Colectores concentradores Centro de Investigación en Energía, UNAM Tipos de colectores Colector Concentración Temperatura (ºC) Seguimiento Plano C =1 30 < T < 80 Estacionario Tubo evacuado C =1 50 < T < 190 Estacionario 1<C<5 70 < T <240 Estacionario CPC 5 < C < 15 70 < T < 290 Un eje Canal parabólico Disco parabólico Torre central 15 < C < 40 70 < T < 290 Un eje 100 < C < 1000 70 < T < 930 Dos ejes 100 < C < 1500 130 < T < 2700 Dos ejes www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Requerimientos para colectores: costos eficiencia fácil de instalar, operar y remover alto porcentaje de materia reciclable confiable durable estético www.cie.unam.mx TECNOLOGÍA DE CAPTADORES SOLARES DE PLÁSTICO (USO ALBERCAS) Ventajas: •Eficiente para temperaturas menores a 40ºC •El panel solar es sumamente ligero. •Los colectores están fabricados en módulos individuales. •Fácil instalación •Disponibilidad ilimitada •Menor costo TECNOLOGÍA DE CAPTADORES SOLARES DE PLÁSTICO Desventajas: •Altas temperaturas:>> requiere protección contra sobrecalentamiento •Durabilidad. (Polipropileno estabilizado para UV) •Baja eficiencia a temperaturas medias y altas •Utilización de polímeros de alto rendimiento (PEEK,ETFE). FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA SOLAR 1. Bomba de recirculación del sistema solar. 2. Válvula Check 3. Válvula de tres vías que dirige el agua hacia los paneles o hacia el filtro opera automáticamente . 4. Válvulas esfera para habilitar o deshabilitar el sistema solar de forma manual. 5. Válvula eliminadora de aire 6. Entrada de agua fría a los paneles 7. Salida de agua caliente de los paneles 8. Control diferencial que controla la válvula de tres vías y/o la bomba. 9. Sensor de radiación solar. 10. Sensor en la tubería de agua fría de la alberca. CLUB ENTRENNA - SPORT CITY. CUERNAVACA, MOR. Calentamiento de albercas. Semi-olímpica y usos múltiples. 920 m2 INSTALADOS. CLUB ALPHA 4. PUEBLA 1,155 m2 DE PANELES PARA CALENTAMIENTO DE ALBERCA OLÍMPICA CLUB HACIENDA SAN JAVIER. ZAPOPAN, JAL 1,596 m2 de paneles para calentamiento de albercas Centro de Investigación en Energía, UNAM Instituto Politécnico Nacional 10 Centro de Investigación en Energía, UNAM SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR / BOMBAS DE CALOR PARA LA ALBERCA DE CIUDAD UNIVERSITARIA Centro de Investigación en Energía, UNAM ESTADO ACTUAL Volumen de agua a calentar: 6000 m3 Temperatura de calentamiento: 27 °C 100% de energía cubierto por caldera de Gas LP Consumo: ~89,064 litros de gas LP al mes Costo: ~$407,000.00 al mes Eficiencia de la caldera 82% Emisiones de CO2: 142.5 Tons. al mes* *Utilizando un factor de 1.6x10-3 Ton. de CO2 /litro de gas LP Centro de Investigación en Energía, UNAM ESTUDIO PREVIO ESTUDIO DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE PARA LA ALBERCA DE CIUDAD UNIVERSITARIA O. García-Valladares, H. Schweiger, C. Estrada, R.Best CONCLUSIONES DEL ESTUDIO Centro de Investigación en Energía, UNAM El estudio demostró que el calentamiento con energía solar es la opción mas rentables (económica y ambientalmente: CO2) entre las diferentes tecnologías propuestas (cogeneración, bombas de calor, sistema solar, sistemas híbridos, etc.). El estudio de CIE-UNAM demuestra que la inversión solar se recupera en tiempos muy adecuados (menores de 2 años). El estudio propuso: la implementación de la cubierta nocturna como primer paso y posteriormente la instalación de colectores solares Centro de Investigación en Energía, UNAM CUBIERTA NOCTURNA Se dejó de utilizar la cubierta por problemas no inherentes a la tecnología, durante su funcionamiento se demostró su viabilidad económica y ahorros muy importantes del consumo de combustible. Centro de Investigación en Energía, UNAM Panel solar de plástico como el de la empresa Heliocol (tecnología israelita) Que se muestra en las fotografías. No requiere de mantenimiento alguno. Panel Solar HC-40 Heliocol Modulo HC-40 Heliocol Los colectores están fabricados en módulos individuales. Fácil instalación Garantía de 10 años y vida útil de 25 años. Centro de Investigación en Energía, UNAM Ejemplo de instalación: CLUB ALEMAN 480 COLECTORES october 2001 Centro de Investigación en Energía, UNAM CASO 1: 40% Solar, 60% Bombas de Calor* (precios del 2008) Inversión inicial: $20,800,000.00 33 bombas de calor y 1000 colectores Ahorro de gas del 90% Periodo de recuperación: 5 años Relación beneficio/costo: 2.2 * Basado en MACROPROYECTO: LA CIUDAD UNIVERSITARIA Y LA ENERGÍA Proyecto CUenergía01-08 “Aprovechamiento de la energía solar en Ciudad Universitaria” Responsable M.en I. Augusto Sánchez Caso 2: 48% Colectores con respaldo gas LP SISTEMA SOLAR DE CALENTAMIENTO: FABRICACIÓN ISRAELÍ BAJO NORMA ISO 9002 Centro de Investigación en Energía, UNAM UTILIZADO EN LAS OLIMPIADAS ATLANTA 96 Colector tipo: Modelo: Área por colector: Número de colectores: Área total de captación: Curva de eficiencia (ver certificación) Ángulo de inclinación AHORROS ACUMULADOS DURANTE LOS PRIMEROS CINCO AÑOS AÑO AHORROS EN PESOS 1 2,431,464.00 2 5,012,888.00 3 7,753,543.00 4 10,663,229.00 5 13,752,383.00 HELIOCOL HC-40 3.8 m2 1000 3800 m2 m= 16.33 b= 0.83 5 ° APORTACIÓN ENERGÉTICA solar 48% Gas LP 52% october 2001 Centro de Investigación en Energía, UNAM 7 7 7 10 7 42 7 10 7 9 9 40 10 8 8 8 8 8 64 8 8 8 9 10 9 9 9 9 5 5 5 5 5 5 5 5 5 2 9 +7.80mts 9 6 6 9 6 6 6 6 6 6 6 9 9 7 9 162 9 9 +7.80mts 20 10 10 10 10 10 10 10 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 264 3 9 9 42 +10.50mts 10 9 90 +7.80mts 9 9 9 10 +7.80mts LUDOTECA 99 9 9 9 9 9 9 9 ACTIVIDADES DEPORTIVAS 9 525 COLECTORES HC40 9 8 5 1 9 9 425 COLECTORES HC40 1.- ACTIVIDADES DEPORTIVAS: 525 COLECTORES 2.- LUDOTECA: 211 COLECTORES 3.- CORREDOR: 264 COLECTORES 9 9 9 9 9 37 8 8 8 8 8 62 9 18 10 9 COMEDOR 5 10 5 TOTAL: 1000 COLECTORES Centro de Investigación en Energía, UNAM Sistema de calentamiento solar de agua doméstico (por termosifón) Termo-tanque Agua caliente Radiación solar Colector Agua fría www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM El agua tibia solar ¿A que temperatura se baña la gente en la regadera? 38°C a 42°C Arriba de que temperatura se escalda la piel? 48°C ¿De cuantos litros es la ducha promedio? 40 L por persona www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Calentadores solares planos Calentador Solar para Uso Doméstico con capacidad de 300 lts. Área Total: 3.8 m2 www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Sistema de calentamiento solar de agua doméstico 24 www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Estos colectores son los mas antiguos aún en operación, Han producido agua caliente en un edificio de apartamentos en Florida desde 1923 Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Centro de Investigación en Energía, UNAM Historia del agua tibia solar Centro de Investigación en Energía, UNAM Anatomía de un colector solar plano 1. Marco 2. Sello 3. Cubierta transparente 4. Marco lateral 5. Aislamiento térmico 6. Superficie absorbedora 7. Ductos para el fluido 8. Fijación 9. Caja protectora www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Anatomía de un colector solar plano Ventajas 1. Alta conductividad térmica 2. Larga duración 3. Buena eficiencia a temperaturas altas 4. Superficies selectivas en el absorbedor Desventajas: Mayor costo que plástico Limitación en materiales Riesgo de corrosión Mayor peso www.cie.unam.mx SISTEMAS DE CAPTACIÓN SOLAR CON TECNOLOGÍA DE PLACA PLANA Balance de energía en el captador solar QABS QU QP QAL Balance de energía Eficiencia instantánea Eficiencia óptica Eficiencia térmica QU I T AC OP CT A UC F ' CT A (Tf Ta ) IT GRUPO BIMBO D.F. SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE 10 m3 POR DÍA CLUB ATLAS de Guadalajara.. más de 800 m2 para ALBERCA HOTEL VALLARTA PALACE 360 CAPTADORES SOLARES. AGUA CALIENTE PARA SERVICIOS EN HOTEL GRAN TURISMO DE 350 HABITACIONES HOTEL LE BLANC CANCUN. 330 Habitaciones 300 COLECTORES. AGUA CALIENTE PARA SERVICIOS CLUB DE FUTBOL PUMAS. UNAM SISTEMA PARA CALENTAMIENTO DE REGADERAS Y TINAS DE HIDROTERAPIA SISTEMAS TERMOSIFÓNICOS COMERCIALES SISTEMAS SOLARES (PROGRAMA HIPOTECAS VERDES-INFONAVIT) TECNOLOGÍA DE TUBOS EVACUADOS ESTOS EQUIPOS AL TRABAJAR AL VACÍO TIENEN MENOS PÉRDIDAS POR CONVECCIÓN 47 < T < 190 OC Centro de Investigación en Energía, UNAM Tubos evacuados Tubo al Vacío entrada salida vidrio agua vacío www.cie.unam.mx SISTEMAS DE TUBOS DE CALOR SOLARES (con tubos evacuados) TECNOLOGÍA DE TUBOS EVACUADOS (sin tubos de calor) Colector de tubos al vacío: Ventajas: mayor rango de temperaturas reduccion de pérdidas conductivas materiales ilimitados bajos costos de producción utiliza radiacion solar en todas direcciones alta eficiencia Desventajas: Expansión del tubo interior a altas temperaturas riesgo a presiones altas estética SISTEMAS TERMOSIFÓNICOS EVACUADOS SISTEMAS SOLARES EVACUADOS EN CHINA Eficiencias de conversión para diferentes tecnologías termosolares E F I C I E N C I A Diferencia de temperaturas entre el captador solar y el ambiente Captador solar plano Calentamiento de piscinas Captador evacuado Calentamiento de agua y de espacios Calor para procesos Captador para piscina Centro de Investigación en Energía, UNAM Peligros potenciales de sistemas de calentamiento solar de agua www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Problema : aislamiento El agua dentro del tanque se enfriará rápidamente Los problemas se localizan en: 1、materia prima 2、procesos de aislamiento 3、diseño no profesional www.cie.unam.mx Comparación Centro de Investigación en Energía, UNAM Items Productos de baja calidad Productos de alta calidad Aceros inoxidables con bajo contenido de níquel y cromo SUS304 o SUS316 acero inoxidable,Alto contenido de Níquel y cromo Tanques Espesores < 0.5mm internos Sin ánodos de sacrificio Espesores > 1 mm Con ánodos de sacrificio Soldadura manual Soldadura automática Sin pruebas de presión Pruebas de materiales, soldadura, presión, corrosión, etc. No hay pruebas de fugas después de soldar Prueba de fugas en cada tanque después de soldar www.cie.unam.mx Comparación Centro de Investigación en Energía, UNAM Items Productos de baja calidad Productos de alta calidad Uso de placas de acero estándar para sustratos Acero de altas especificaciones de resistencia a la tensión y compresión Soportes espesores de materiales indebidos sin proceso de pintado o protección para intemperie recubrimiento de zinc o pinturas especiales para protección a la intemperie Tiempo de vida: 1-2 años Tiempo de vida > 10 años www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Comparación Items Productos de baja calidad Productos de alta calidad El aislamiento es no uniforme El aislamiento es compacto y en zonas como las tapas y homogéneamente distribuido agujeros de conexión en el sistema Aislamiento Espesor del aislamiento < 25mm Espesor del aislamiento > 25 mm Densidad del aislamiento < 20kg/m3 Densidad del aislamiento > 30kg/m3 Sin tratamiento para deformación a altas temperaturas Con tratamiento para deformación a altas temperaturas www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM La investigación muestra que el precio de un producto de alta calidad es entre 20% y 30% más alto que uno de baja calidad. Este incremento de precio a la larga, sin embargo, se ve recompensado por la durabilidad y desempeño de los sistemas. Hay sistemas que se garantizan desde 1, 3, 5 y 10 años dependiendo de la calidad de los mismos y obviamente esto repercute en su precio. www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM RECOMENDACIONES PROGRAMA HIPOTECAS VERDES •Se recomienda el uso de la NMX-ES-004-NORMEX-2009 que es específica para calentadores solares. •Garantía de 10 años por parte del fabricante del sistema, no de comercializadores •Volumen mínimo del tanque de almacenamiento (150 L±5%) •Área mínima del absorbedor, superficie negra (> 1.5 m2) •Tanques con ánodo de sacrificio •Espesor de la placa o lámina utilizada en tanques (> 1 mm) •Materiales del tanque no permitidos: aceros inoxidables con bajo contenido de Níquel o cromo, como el SUS443 •Espesor del aislamiento (> 25 mm) •Densidad del aislamiento (> 30 kg/m3) •Inclinación de los sistemas entre 15 y 30º (latitudes de México para obtener la máxima radiación solar durante el año) www.cie.unam.mx Resumen resultados DIT Centro de Investigación en Energía, UNAM Tubos de vacio con tubo de calor •Radiación: 18.7 a 24 MJ/m2 •Área captación: 1.5 a 2.2 m2 •Ahorro promedio mensual de gas: 21.0 a 27.0 kg (en pruebas DIT) •Volumen de agua: 100 a 160 L •Temperatura promedio alcanzada: 65ºC •kg gas ahorrado/m2 de área de captación = 12.9 www.cie.unam.mx Resumen resultados DIT Centro de Investigación en Energía, UNAM Tubos de vacio •Radiación: 20.4 a 25 MJ/m2 •Área captación: 1.5 a 2.2 m2 •Ahorro promedio mensual de gas: 19.0 a 25.0 kg. (en pruebas DIT) •Volumen de agua: 100 a 160 L •Temperatura promedio alcanzada: 65ºC •kg gas ahorrado/m2 de área de captación = 11.5 www.cie.unam.mx Resumen resultados DIT Centro de Investigación en Energía, UNAM Placa plana o panel •Radiación promedio: 18.5 a 25 MJ/m2 •Área captación: 1.5 a 2.0 m2 •Ahorro promedio mensual de gas: 16 a 25.2 kg (en pruebas DIT) •Volumen de agua: 146 a 151 L •Temperatura promedio alcanzada: 55ºC •kg gas ahorrado/m2 de área de captación = 11.7 www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Riesgos: Tubos de vacio rotos por granizada www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Preguntas frecuentes ¿Cuanto cuesta un sistema de calentamiento solar? De $3,600.00 a $13,000.00 pesos ¿Cuanto cuesta la instalación? 2 mil a 3 mil pesos ¿Cuál es el ahorro esperado? 70% del volumen da agua a calentar ¿Cuáles son los beneficios además del ahorro? Beneficios al ambiente, cero costo operativo ¿Hay un periodo de garantía? 3 años tubos al vacio, 5 años tubos tipo caloriducto y 10 años colector plano www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Modelación de sistemas de calentamiento de agua con Polysun Centro de Investigación en Energía, UNAM Calentador solar Guadalajara Centro de Investigación en Energía, UNAM Fracción solar Toluca Centro de Investigación en Energía, UNAM Fracción solar Guadalajara Centro de Investigación en Energía, UNAM kWh Toluca Centro de Investigación en Energía, UNAM Energia solar termica Guadalajara Centro de Investigación en Energía, UNAM Temperaturas máximas Toluca Centro de Investigación en Energía, UNAM Temperatura máximas Guadalajara tecnología de colectores parabólicos compuestos COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC NO REQUIERE DE SEGUIDOR SOLAR vidrio ABSORBEDOR Absorbedor CON CAMPANA caja COLECTA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA aislamiento Colectores tipo CPC CPCs COMERCIALES Año Capacidad de calentamiento solar instalada (paises IEA) Capacidad instalada anual(m2) Capacidad acumulada 2004 68,725 642,644 2005 100,348 742,992 2006 96,694 839,686 2007 154,267 993,953 140,000 Capacidad (MWt) Centro de Investigación en Energía, UNAM Calentamiento solar en México 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 2008 165, 632 1,159,585 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2009 233,336 1,392,921 AÑO www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM Contribución del calentamiento solar www.cie.unam.mx Fuente: IEA-SHCP, Solar Heat Worldwide 2006 Centro de Investigación en Energía, UNAM Calentamiento solar en el mundo www.cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía, UNAM MEXICO?? Source: REN 21 “Renewables 2010 Global Status Report” Centro de Investigación en Energía, UNAM Programas de Calentadores Solares en México • PROCALSOL de la CONAE • Hipotecas Verdes del INFONAVIT • Norma Ambiental del Gobierno del D.F. • FIRCO • Fondo Plata del Estado de Zacatecas Centro de Investigación en Energía, UNAM Normas Mexicanas NMX • NMX-ES-001-NORMEX 2005 ( Vigente) Rendimiento Térmico y Funcionalidad de Colectores Solares para Calentamiento de Agua. Métodos de Prueba y Etiquetado. • NMX-ES-002-NORMEX 2007 ( Vigente) Definiciones y Terminología. • NMX-ES-003-NORMEX 2007 (Vigente) Requerimientos Mínimos para la Instalación de Sistemas Solares Térmicos para Calentamiento de Agua • NMX-ES-004-NORMEX 2010 (Vigente) Evaluación Térmica de Sistemas Solares para Calentamiento de Agua. Método de Prueba. • DICTAMEN DE IDONEIDAD TÉCNICA (DIT) (2007 Especificaciones para determinar el ahorro de gas LP en sistemas de calentamiento de agua que usan la energía solar y el gas LP. DIT. Centro de Investigación en Energía, UNAM Terminos Clave Radiación electromagnética Longitud de onda Infrarojo Ultravioleta Constante solar Sistema pasivo Sistema Activo Efecto invernadero Masa térmica Muro Trombe Relacion de concentración Concentrador Fresnel Torre central solar de potencia Heliostato Concentrador parabolico Disco parabolico www.cie.unam.mx