Energía Solar Térmica

Transcripción

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
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Requerimientos para colectores:
costos
eficiencia
fácil de instalar, operar y remover
alto porcentaje de materia reciclable
confiable
durable
estético
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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
Instituto Politécnico Nacional
10
SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR /
BOMBAS DE CALOR PARA LA ALBERCA
DE CIUDAD UNIVERSITARIA
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
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
 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
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.
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.
Ejemplo de instalación: CLUB ALEMAN
480 COLECTORES
october 2001
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
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
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
Sistema de calentamiento solar de agua doméstico
(por termosifón)
Termo-tanque
Agua
caliente
Radiación solar
Colector
Agua fría
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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
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Calentadores solares planos
Calentador Solar para Uso Doméstico
con capacidad de 300 lts. Área Total: 3.8 m2
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Sistema de calentamiento solar de agua doméstico
24
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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
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
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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
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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
Tubos evacuados
Tubo al Vacío
entrada
salida
vidrio
agua
vacío
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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
Peligros potenciales de sistemas de
calentamiento solar de agua
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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
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Comparación
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
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Comparación
Items
Productos de baja
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
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Comparación
Items
Productos de baja
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
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 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.
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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)
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Resumen resultados DIT
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
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Tubos de vacio
•Radiación: 20.4 a 25 MJ/m2
•Ahorro promedio mensual de gas: 19.0 a 25.0
kg. (en pruebas DIT)
•Temperatura promedio alcanzada: 65ºC
•kg gas ahorrado/m2 de área de captación =
11.5
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Placa plana o panel
•Radiación promedio: 18.5 a 25
MJ/m2
•Ahorro promedio mensual de gas:
16 a 25.2 kg (en pruebas DIT)
•Temperatura promedio alcanzada:
55ºC
•kg gas ahorrado/m2 de área de
captación = 11.7
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Riesgos: Tubos de vacio rotos por granizada
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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
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Modelación de sistemas de calentamiento de agua con Polysun
Calentador solar Guadalajara
Fracción solar Toluca
Fracción solar Guadalajara
kWh Toluca
Energia solar termica Guadalajara
Temperaturas máximas Toluca
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)
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
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Contribución del calentamiento solar
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Fuente: IEA-SHCP, Solar Heat Worldwide 2006
Calentamiento solar en el mundo
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MEXICO??
Source: REN 21 “Renewables 2010 Global Status Report”
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
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.
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
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Energía Solar Térmica

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solicitud del Certificado de Estudios