GuÍa Agenex 2008 Solar Térmica

DIRECCIN GENERAL DE FORMACIN PARA EL

EMPLEO

2008

GUA BSICA DE DISEO Y MONTAJE DE

INSTALACIONES SOLARES TRMICAS.

Gua bsica de diseo y montaje de instalaciones solares trmicas adaptada a los contenidos formativos de cualificacin profesional.

GUA BSICA DE DISEO Y MONTAJE DE INSTALACIONES SOLARES TRMICAS.

Direccin General de Formacin para el Empleo. Junta de Extremadura.

Autores:

Francisco Cuadros Blzquez Juan Francisco Bravo Hernndez

Ramn Bentez Gonzlez Antonio Ruiz Celma

Martn Cobos Rodrguez

Revisin y correccin:

Fernando Lpez Rodrguez Martn Cobos Rodrguez

EDITA: Direccin General de Formacin para el Empleo

Junta de Extremadura

Fomento de la Naturaleza y el Medio Ambiente (FONAMA)

Badajoz Enero de 2009



PROLOGO

La Gua Bsica de Diseo y Montaje de Instalaciones Solares Trmicas elaborada por la Agencia Extremea de la Energa surge con el objetivo de atender la demanda formativa que en nuestra regin, con el desarrollo actual de las fuentes de energas renovables, y especialmente en el sector solar, se ha detectado en los ltimos aos.

Diseada especficamente para cubrir los contenidos tericos establecidos en el RD 2223/1998 de 16 de octubre del Certificado de Profesionalidad de Instalador de Sistemas de Energa Solar Trmica, servir como material de apoyo a las acciones formativas desarrolladas por la Sociedad de Fomento de la Naturaleza y el Medio Ambiente (FONAMA).

Para la elaboracin de esta gua se ha contado con profesionales con conocimientos y cualificacin en el sector y amplia experiencia formativa en energa solar. As se obtiene como resultado un documento completo adaptado al nivel formativo requerido, en un lenguaje simple y directo.

Incluida dentro de una coleccin compuesta por cuatro manuales sobre energa solar trmica, fotovoltaica y elica de pequea potencia, en dos niveles educativos (ciclo bsico y profesional).

Agencia Extremea de la Energa



Contenidos

MDULO TTULO

I RADIACIN SOLAR

II REPLANTEO DE LA

INSTALACIN

III COLECTORES

SOLARES TRMICOS

IV CIRCUITO PRIMARIO

V CIRCUITO

SECUNDARIO

VI CONTROL OPERACIN

Y MANTENIMIENTO



Cmo usar esta gua. El contenido didctico de la Gua bsica de diseo y montaje de instalaciones

solares trmicas est preparado para cubrir el desarrollo terico de los mdulos formativos de cualificacin profesional establecidos en el RD 2223/1998 de 16 de septiembre.

Contenidos tericos

Informacin destacada

Resumen de los principales conceptos del mdulo.



ndice

1. RADIACIN SOLAR ....................................................................................................... 10 1.1. BLOQUE 1. ................................................................................................................ 10

1.1.1. Magnitudes y unidades fsicas ............................................................................. 10 1.1.2. Definicin y formas de energa ........................................................................... 11 1.1.3. Calor y temperatura ............................................................................................. 14

1.2. BLOQUE 2. ................................................................................................................ 19 1.2.1. Radiacin solar. Espectro. ................................................................................... 19 1.2.2. Movimiento solar diario y estacional. ................................................................. 25 1.2.3. Energa incidente sobre una superficie plana inclinada ....................................... 28 1.2.4. Clculo de prdidas por orientacin e inclinacin. .............................................. 30 1.2.5. Clculo de sombras y bloqueos ........................................................................... 32 1.2.6. Transformacin energtica de la radiacin solar. ................................................ 34 1.2.7. Esquema de aprovechamiento solar .................................................................... 37 1.2.8. La problemtica del almacenamiento. ................................................................. 38 1.2.9. Rendimiento de los sistemas solares. .................................................................. 39

2. REPLANTEO DE LA INSTALACIN ........................................................................... 43 2.1. Interpretacin de planos de instalaciones de edificios ................................................ 43 2.2. Reglamento y normativas tcnicas y de seguridad de instalaciones en edificios. ...... 50

2.2.1. Relacin de normativa ......................................................................................... 50 2.3. Orientacin e inclinacin ptima anual, estacional y diaria. ...................................... 51

2.3.1. Orientacin del Captador ..................................................................................... 52 2.3.2. Inclinacin del Captador Solar ............................................................................ 52

2.4. Resistencia de anclajes, soportes y paneles. ............................................................... 53 2.5. Clculo de sobrecargas en edificios. ........................................................................... 55 2.6. Prdidas de carga en conducciones hidrulicas. ......................................................... 57

2.6.1. Clculo de la prdida de carga. ............................................................................ 57 2.6.2. Prdidas de Carga Totales en la Conduccin ...................................................... 59 2.6.3. Dimensionado de las tuberas de alimentacin. ................................................... 59

3. CAPTADORES SOLARES TRMICOS ......................................................................... 63 3.1. Efecto invernadero en un captador solar. ................................................................... 63 3.2. Tipos de captadores solares y caractersticas. ............................................................ 64

3.2.1. Introduccin ......................................................................................................... 64 3.2.2. Captador Solar sin Cubierta ................................................................................. 65 3.2.3. Captador Solar Plano ........................................................................................... 65 3.2.4. Captador Solar de Tubos de Vaco ..................................................................... 70 3.2.5. Caractersticas de los captadores solares ............................................................. 72

3.3. Dimensionado bsico de un sistema solar trmico. .................................................... 74 3.3.1. Produccin de agua caliente sanitaria. ................................................................. 74 3.3.2. Climatizacin de piscinas. ................................................................................... 80 3.3.3. Calefaccin mediante suelo radiante. .................................................................. 81

3.4. Montaje de los captadores solares. Resistencia de anclajes. ...................................... 85 3.4.1. Montaje de captadores solares sobre una cubierta plana ..................................... 85 3.4.2. Ejemplo de montaje de estructura inclinada. ....................................................... 86 3.4.3. Montaje de captadores sobre fachadas utilizando una estructura auxiliar. .......... 87



3.4.4. Montaje de captadores sobre cubiertas inclinadas. .............................................. 88 3.4.5. Ejemplo de montaje sobre cubierta inclinada. ..................................................... 89 3.4.6. Captadores solares integrados, sustituyendo los elementos constructivos. ......... 91 3.4.7. Instalaciones sobre el suelo. ................................................................................ 92

3.5. Fluido Caloportador. Clculo de peso vaco y lleno de paneles. ................................ 92 3.6. Dilataciones trmicas y esfuerzos sobre las estructuras ............................................. 94 3.7. Asociaciones entre los captadores solares. Prdidas hidrulicas en montaje serie paralelo. ............................................................................................................................. 95

3.7.1. Conexin en paralelo. .......................................................................................... 95 3.7.2. Conexin en serie. ............................................................................................... 96 3.7.3. Conexin mixta .................................................................................................... 97 3.7.4. Concepto de retorno invertido ............................................................................. 97

3.8. Sistemas de proteccin superficial. ............................................................................ 98 3.8.1. Tratamientos superficiales en el captador ........................................................... 98 3.8.2. Proteccin contra la congelacin ......................................................................... 98 3.8.3. Proteccin contra la ebullicin ............................................................................ 99

4. CIRCUITO PRIMARIO. ................................................................................................. 102 4.1. Formas de acumulacin trmica. .............................................................................. 103

4.1.1. Introduccin ....................................................................................................... 103 4.1.2. Tipos de acumuladores y materiales. ................................................................. 104 4.1.3. Conexin de varios acumuladores. .................................................................... 107 4.1.4. Conexin de sistema convencional auxiliar de apoyo energtico. .................... 109

4.2. Dimensionado de A.C.S. .......................................................................................... 111 4.2.1. Datos de partida. ................................................................................................ 112 4.2.2. Criterios de dimensionado. ................................................................................ 113 4.2.3. Demanda de energa trmica. ............................................................................ 115 4.2.4. Mtodos de clculo. ........................................................................................... 117 4.2.5. Volumen de acumulacin para ACS. ................................................................ 118 4.2.6. Volumen de acumulacin para calentamiento en piscinas y calefaccin. ......... 119 4.2.7. Ejemplo de dimensionado bsico. ..................................................................... 120

4.3. Intercambiadores ...................................................................................................... 122 4.3.1. Introduccin. ...................................................................................................... 122 4.3.2. Tipos de intercambiadores. ................................................................................ 123

4.4. Clculo de aislamiento. ............................................................................................. 126 4.5. Clculo de prdidas de carga en los circuitos. .......................................................... 128

4.5.1. Clculo de prdidas de carga en tuberas. .......................................................... 128 4.5.2. Clculo de prdidas de carga en captadores. ..................................................... 129 4.5.3. Clculo de prdidas de carga en accesorios. ...................................................... 130 4.5.4. Clculo de prdidas de carga en el intercambiador. .......................................... 130

4.6. Clculo de bombas de recirculacin. Consumo elctrico. ........................................ 131 4.6.1. Introduccin. ...................................................................................................... 131 4.6.2. Consumo elctrico. ............................................................................................ 132 4.6.3. Dimensionado. ................................................................................................... 133

4.7. Sistemas de proteccin superficial internas y externas. ........................................... 134 4.7.1. Proteccin contra la congelacin. ...................................................................... 134 4.7.2. Proteccin contra sobrepresin. ......................................................................... 135 4.7.3. Proteccin contra sobrecalentamientos. ............................................................ 137 4.7.4. Proteccin contra la presencia de aire en el circuito.......................................... 138

5. CIRCUITO SECUNDARIO ............................................................................................ 141 5.1. Unin y soldadura de materiales heterogneos ........................................................ 141

5.1.1. Soldadura heterognea ....................................................................................... 141 5.1.2. Herramientas necesarias .................................................................................... 141



5.1.3. Preparacin ........................................................................................................ 141 5.1.4. Soldadura heterognea blanda ........................................................................... 142 5.1.5. Soldadura heterognea fuerte ............................................................................ 142

5.2. Estratificacin trmica .............................................................................................. 143 5.3. Clculo de esfuerzos de tuberas - depsitos ............................................................ 144

5.3.1. Cargas de diseo para tuberas .......................................................................... 144 5.3.2. Presin de diseo ............................................................................................... 145

5.4. Problemtica de las incrustaciones. Tipos de aguas ................................................. 145 5.4.1. Origen y formacin de las incrustaciones .......................................................... 145 5.4.2. Mtodos para combatir las incrustaciones ......................................................... 146

6. CONTROL, OPERACIN Y MANTENIMIENTO ....................................................... 149 6.1. Mantenimiento de instalaciones solares trmicas ..................................................... 149

6.1.1. Prevencin de la legionelosis ............................................................................ 151 6.1.2. Verificaciones antes de la puesta en marcha de la instalacin. ......................... 152 6.1.3. Entrega de la instalacin solar al usuario final. ................................................. 152

6.2. Sistemas de control y regulacin .............................................................................. 153 6.2.1. Sistema de regulacin de captadores por termostato. ........................................ 155 6.2.2. Sistema de regulacin de colectores por termostato diferencial de temperatura. ..................................................................................................................................... 156 6.2.3. Sistema de regulacin de colectores por diferencial de temperatura y vlvula de conmutacin. ................................................................................................................ 156 6.2.4. Sistema de regulacin de colectores por diferencial de temperatura y vlvula mezcladora progresiva. ................................................................................................ 157 6.2.5. Sistemas de control por temperaturas extremas................................................. 158

6.3. Medidas de temperatura, precisiones, sensibilidades. Calibraciones. ...................... 160 6.3.1. Medida de temperatura. ..................................................................................... 161

6.4. Puesta a tierra. Medidas. ........................................................................................... 161 6.5. Clculo de interruptores y protecciones elctricas. .................................................. 163 6.6. Simbologa bsicas de los circuitos elctricos y electrnicos. ................................. 164 6.7. Normativa sobre instalaciones elctricas y trmicas en los edificios. ...................... 168



RADIACIN SOLAR



El objetivo del mdulo se centra en conocer los principios bsicos de la radiacin solar y sus aplicaciones energticas.

1.RADIACIN SOLAR

1.1. BLOQUE 1.

1.1.1.Magnitudes y unidades fsicas

La radiacin solar se mide en varias unidades fsicas concretas. Las ms utilizadas son:

- La irradiancia, que es la potencia de la radiacin solar por unidad de rea. En el Sistema Internacional de Unidades (en adelante SIU), su unidad es el Watio dividido por metro cuadrado (W/m2).

- La irradiacin, que es la energa por unidad de rea. Su unidad en el SIU es el Julio, J, dividido por metro cuadrado (J/m2) o sus mltiplos (normalmente el megajulio, MJ). En este ltimo caso y por razones prcticas, tambin se emplea una unidad de energa muy frecuente en el mundo real, el kWh (kilowatio por hora) en lugar del julio y/o sus mltiplos. El cambio es muy simple: 1 kWh = 3,6 MJ.

Existe una clara confusin a nivel internacional en cuanto a los smbolos empleados para representar estas magnitudes. Aqu hemos optado por una solucin eclctica: tomamos la letra I para representar la irradiancia y la letra H para la irradiacin por ser las empleadas habitualmente por los textos ms significativos dedicados a la radiacin solar y ser los smbolos ms representativos en la bibliografa tradicional. No obstante en algunos casos, para evitar confusin con el smbolo de corriente, I, se emplea el smbolo E para la irradiancia.

Los conceptos resumidos en la siguiente tabla se irn explicando con ms detenimiento a lo largo del bloque.

Tabla 1.1. S mbolos y unidades de las magni tudes ut i l izadas.

Magnitud Unidad

Irradiancia (I, E) W/m2

Irradiacin (H) W/m2 J/ m2

Calor (Q) J kWh

Temperatura (T,t) K, C, F

Energa (E) J, kWh

Potencia (P) W, kW

Diferencia de Potencial (V) V, kV

Intensidad de la corriente Elctrica (I) A



1.1.2. Definicin y formas de energa Dar una definicin de energa no es tarea fcil. Aqu daremos una definicin que, por primera vez emple Carnot. La Energa es la capacidad de un cuerpo o de un sistema para producir trabajo mecnico. A su vez, el trabajo mecnico realizado por una fuerza que acta sobre un cuerpo se define como el producto de dicha fuerza por la distancia recorrida por el cuerpo en la direccin de la fuerza. En el Sistema Internacional de Unidades (SIU):

(1.1)

La energa se presenta en mltiples formas y los procesos fsicos pueden entenderse y describirse en trminos de la conversin o transformacin entre las distintas formas de energa.

A la vista del enunciado el Primer Principio de la Termodinmica es difcil entender por qu usamos conceptos de consumo y generacin de energa. Si consumimos energa la estaremos destruyendo, y si generamos energa la estaremos creando. En realidad ambos conceptos se emplean coloquialmente. En efecto, nuestro sistema energtico se basa en la transformacin de la llamada energa primaria en energa final o til. Nosotros utilizamos la energa en una de las siguientes formas: calor (fro), electricidad y transporte (energa cintica). A estas ltimas se les llama genricamente energas tiles. De entre todas ellas, la ms verstil es la electricidad, ya que, teniendo energa elctrica, es fcil obtener de ella luz, sonido, movimiento, calor, etc. Las fuentes de energa primaria de nuestro sistema energtico actual son los combustibles fsiles, la energa nuclear y las energas renovables. En general, no se puede utilizar la energa primaria, hay que transformarla en energa til. A este proceso se le denomina coloquialmente que se ha consumido energa primaria y se ha generado energa til. Bien entendiendo que es una forma de hablar, aceptada universalmente, pero que no significa que se viole el Primer Principio de la Termodinmica.

Todas las formas de energa conocidas pueden reducirse a alguna de las cuatro siguientes formas bsicas de energa:

El Primer Principio de la Termodinmica o de Conservacin de la Energa nos dice que la cantidad total de energa en el Universo es siempre la misma, es constante. La energa del Universo ni se crea ni se destruye, slo se transforma.

Trabajo (J) = Fuerza (N) x distancia (m) = Fd

CUADRO DE NOMENCLATURA

kWh.- kilo Watio hora.- Es la energa generada o consumida por un dispositivo (generador o consumidor de energa) cuya potencia sea de 1 kW actuando durante una hora.

J.- Julio. Es la unidad de trabajo o de energa en el SIU y es igual al trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton (N) cuando su punto de aplicacin se desplaza 1 metro (m).



1. Energa Cintica: Es la energa que posee cualquier cuerpo en movimiento respecto a un sistema de referencia.

(1.2.)

2. Energa Potencial: Es debida a la fuerza gravitatoria de la Tierra. Para levantar un cuerpo respecto del suelo necesitamos utilizar una cierta cantidad de energa. Todo cuerpo elevado una cierta altura (h) con respecto al suelo es un almacn de energa potencial gravitatoria.

(1.3)

La fuerza gravitatoria que atrae un objeto hacia la Tierra se llama peso del cuerpo y es igual a su masa (m) multiplicada por la aceleracin de la gravedad (g) (9.8 m/s2). La gravedad puede ser la nica fuerza ms evidente que acta sobre los objetos que nos rodean pero no es la nica. Hay otros tipos de energa potencial asociados con los diferentes campos de fuerzas conservativas.

3. Energa Elctrica: A escala atmica y molecular actan las fuerzas elctricas que mantienen unidos los tomos (enlaces) y molculas (fuerzas intermoleculares).

4. La Energa Qumica que contiene un cuerpo, vista a escala atmica, puede considerarse que es una forma de energa potencial elctrica derivada de la redistribucin de los electrones tras la formacin del mismo. Una batera utiliza energa qumica almacenada para mantener una corriente en un circuito elctrico. La corriente elctrica es un flujo organizado de electrones en un material conductor.

Para mantener un flujo estacionario de electrones en un conductor se requiere un aporte constante de energa, ya que los electrones continuamente pierden energa en sus colisiones con los iones de la red del metal (calentamiento del conductor). En todas las centrales elctricas, los generadores operan segn el Principio de Faraday (1832). Se induce un voltaje (energa potencial por unidad de carga elctrica) en una bobina de alambre que gira en un campo magntico. Conectando los extremos de la bobina a un circuito elctrico mantenemos una corriente elctrica.

Figura 1.1 . Generador homopolar (d isco de Faraday)

La energa elctrica puede transformarse en calor, luz, movimiento, etc., dependiendo de lo que conectemos al circuito. As, la electricidad es una forma intermedia de energa muy conveniente, ya que se puede convertir fcilmente en otras formas diferentes de energa , es, por tanto, muy verstil y puede suministrarse a grandes distancias de la fuente.

Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubri que un conductor elctrico movindose perpendicularmente a un campo magntico generaba una diferencia de potencial. Ello le permiti construir el primer generador electromagntico, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imn con forma de herradura, generndose una pequea corriente. Tambin fue utilizado como generador de energa en una bicicleta para producir luz de poca intensidad.

SABAS QUE

Energa Potencial (J) = fuerza (N) x altura (m) = m g h

Energa Cintica (J) = masa (kg) x (velocidad (m/s))2 = m v2.



Otra forma de energa elctrica ms sutil es transportada por la radiacin electromagntica. Es la llamada energa electromagntica y es la forma en que nos llega la energa solar. La energa electromagntica es irradiada en mayor o menor cantidad por todos los objetos, dependiendo de su temperatura (Ley de Stefan-Boltzmann). Viaja como una onda y puede transportar energa a travs del espacio vaco. La longitud de onda determina la forma de la radiacin electromagntica: Rayos X, radiacin infrarroja y ultravioleta, microondas, ondas de radio y la pequea banda de longitudes de onda que nuestros ojos pueden detectar y que llamamos luz visible Estos aspectos se describirn con ms detenimiento ms adelante.

5. Energa Atmica y Nuclear: Es la cuarta forma bsica de la energa y est localizada en el ncleo de los tomos. Las centrales nucleares que usan una tecnologa para aprovechar esta energa operan con los mismos principios que las centrales alimentadas con combustibles fsiles, excepto que la caldera en la que se quema el combustible es reemplazada por un reactor nuclear que genera calor.

La diferencia entre energa y potencia habr que tenerla muy clara. As la rapidez con la que la energa se convierte o se transmite se llama potencia de la conversin o de la transmisin. Se puede resumir en la siguiente frmula:

(1.4) donde P es la potencia, E la energa y t el tiempo.

La unidad de energa en el SIU es el Julio (J), pero se utilizan muchas otras: kWh, toneladas equivalentes de carbn (o de petrleo), tec (o tep), barriles de petrleo, etc. Las estadsticas nacionales sobre el consumo de energa suelen darse en megatoneladas equivalentes de petrleo, Mtep (1Mtep = 106 tep)

Para una corriente continua, la potencia elctrica (en Watios) es igual al producto del voltaje V (en voltios) por la intensidad de corriente, I, (en amperios),

Recuerda que: 1 tonelada de petrleo 7,3 barriles de petrleo 1,5 toneladas de carbn 3 toneladas de madera seca 12.000 kWh de electricidad (con el 100% de eficiencia en la conversin)

Una tonelada equivalente de petrleo es una unidad de energa y es equivalente a la energa calorfica que obtendramos quemando una tonelada de petrleo.

SABAS QUE

Recuerda que: La potencia se mide en Watios (W) o en mltiplos tales como kilowatio (kW) o megawatio (MW): 1W = 1J/s

P = E / t



(1.5) Otras unidades de potencia son el caballo de vapor, CV, (1CV = 735 W)

Tabla 1.2. Pref i jos y potencias de 10.

Factor Prefijo Smbolo Factor Prefijo Smbolo 101 deca da 10-1 deci d

102 hecto h 10-2 centi c

103 kilo k 10-3 mili m

106 mega M 10-6 micro

109 giga G 10-9 nano n

100 UNIDAD

1.1.3. Calor y temperatura El sentido del tacto nos proporciona una indicacin cualitativa de la temperatura (cuerpo caliente, cuerpo fro). Sin embargo, esta apreciacin conlleva muchos errores, ya que la piel es sensible al ritmo de transferencia de energa (potencia calorfica) y no a la temperatura del objeto. Esta es la razn por la que nos parece ms fro un cuerpo metlico (buen conductor del calor) que otro de madera (mal conductor del calor) aunque estn en la misma habitacin (misma temperatura) Debido a la necesidad de un mtodo fiable y reproducible, se estableci un procedimiento para medir la temperatura basado en el Principio Cero de la Termodinmica (Ley del equilibrio trmico), que dice:

Debido a la conexin entre energa y potencia, es comn medir la energa, y particularmente la electricidad, en trminos de potencia multiplicada por el tiempo: 1kW multiplicado por hora (1 kWh) es la energa que producira un generador elctrico de 1 kW (1.000 W) de potencia actuando durante 1 hora (3.600 s)

P = V I

Unidades comunes de energa y factores de conversin: 1 kWh = 3,6 MJ 1Calora = 4,186 J 1 termia = 105,5 MJ Energa contenida en 1m3 de gas natural = 38 MJ



Dos objetos A y B que puedan intercambiar energa (por ejemplo, en forma de calor o de radiacin electromagntica) se dice que estn en contacto trmico. Dos objetos A y B se dice que estn en equilibrio trmico cuando, estando en contacto, dejan de intercambiar energa.

1.1.3.1.Termmetros y escalas termomtricas

Los termmetros de uso comn contienen un lquido, normalmente mercurio o alcohol, que se expande (aumenta su volumen) en un tubo capilar de vidrio al aumentar su temperatura. La calibracin del termmetro se hace ponindolo en contacto trmico con entornos en los que la temperatura permanezca constante, haciendo marcas en el termmetro que se correspondan con la altura del fluido en el capilar.

Figura 1.2 . Termmetro

La escala termomtrica ms comn es la Escala Celsius (Centgrada): - La temperatura de la mezcla hielo-agua, a presin atmosfrica, se define como cero grados

Celsius, y se escribe 0 C, representndose con una marca en el termmetro. Esta temperatura se denomina punto de fusin o punto de congelacin del agua.

- La temperatura de la mezcla de agua y vapor de agua, a la presin atmosfrica, se define como cien grados Celsius, y se escribe 100 C, representndose con otra marca en el termmetro. Esta temperatura se denomina punto de vaporizacin o punto de ebullicin del agua.

Entre ambas marcas se hacen cien intervalos, representado cada intervalo un incremento de temperatura de 1 C.

Escala Kelvin de temperatura: Para su definicin se usa el termmetro de gas a volumen constante. En este caso, independientemente del gas utilizado, la presin del mismo tiende a cero (vaco perfecto) a una temperatura de -273,15C. A esta temperatura se le llama cero absoluto, y se utiliza como base para la escala Kelvin de temperatura. Las relaciones entre las escalas Kelvin y Celsius son:

(1.6)

(1.7) Entre ambas, slo hay un desplazamiento del 0 de la escala.

T (K) = t (C) + 273,15

t (C) = T (K) 273,15

Si dos objetos A y B, considerados por separado, estn en equilibrio trmico con un tercer objeto C (termmetro), entonces A y B estn en equilibrio trmico entre s.



La Escala Fahrenheit define la temperatura del punto de fusin del hielo a 32 F, y la temperatura del punto de ebullicin del agua a 212 F. La relacin entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit de temperatura es:

(1.8)

1.1.3.2. Conceptos de calor y energa interna. La energa interna, U, de un cuerpo es la energa mecnica media asociada a sus constituyentes microscpicos (tomos, molculas o iones).

El calor, Q, es la energa transferida entre un sistema y su entorno (o entre un cuerpo y otro) como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellos. El flujo de calor espontneamente siempre va desde el cuerpo caliente (mayor temperatura) hacia el cuerpo fro (menor temperatura)

Segn el Primer Principio de la Termodinmica (Principio de conservacin de la energa) si un cuerpo (sistema, en general) intercambia calor, Q, con su entorno (ambiente o alrededores), realiza trabajo mecnico, W, y, en virtud de su temperatura, T, irradia energa, R (segn la ley de Stefan-Boltzmann), el principio de conservacin de la energa establece que:

(1.9)

1.- Q, W y R son magnitudes de la misma ndole (se adicionan entre s) y por tanto susceptibles de medirse en las mismas unidades. 2.- Se observa que Q, W y R son magnitudes que dependen del proceso seguido por el sistema, mientras que U es una funcin que depende del estado termodinmico del sistema (funcin de estado). Si el proceso que realiza el sistema es cerrado (ciclo), entonces U = 0.

Las unidades de calor son: 1 Calora (cal): Es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua desde 14,5 C hasta 15,5 C, ya que se supone que el calor especfico del agua es igual a 1 cal /(g C). Un mltiplo de la calora es la kilocalora (kcal): 1 kcal = 103 cal. Segn la Termodinmica tanto el calor (Q), como el trabajo (W) y la energa irradiada (R) son susceptibles de medirse en las mismas unidades. En el SIU, se miden en julios (J). Como mltiplos tendremos el kilojulio (kJ), Megajulio (MJ), Gigajulio (GJ), etc. La equivalencia entre ambas es: 1 cal = 4,186 J.

U = Q + W + R

t (F) = 9/5 t (C) + 32



Figura 1.3 . Esquema del c iclo termodinmico vapor de agua en una centra l trmica

Segn la ecuacin (1.10.), el trabajo de movimiento de la turbina-generador ser:

(1.10)

El rendimiento de la transformacin energtica desde la energa calorfica Q1 del combustible hasta el trabajo de movimiento (mecnico) de la turbina conectada al generador elctrico, W, ser:

(Teorema de Carnot). (1.11)

1



En ingeniera, a tambin se le denomina eficiencia del dispositivo (motor, mquina o central) que haya realizado la transformacin energtica.

Hay unos ciclos ideales, que en Termodinmica se les llaman reversibles, para los cuales

(rendimiento mximo o de Carnot). (1.12)

Siendo, T1 y T2 las temperaturas absolutas del foco caliente (caldera o cmara donde se quema el combustible) y del foco fro (ambiente, en general), respectivamente. Cualquier ciclo termodinmico real (irreversible se dice en Termodinmica) que realice un fluido tendr un rendimiento menor que el ideal (reversible). Todos los ciclos reversibles tienen igual rendimiento, el rendimiento mximo de Carnot dado por la Ecuacin (1.12). Ello permite definir el concepto de Entropa.

111

2

1

21



1.2. BLOQUE 2.

1.2.1. Radiacin solar. Espectro.

Figura 1.4 : Imagen del Sol .

El Sol produce energa en forma de radiacin electromagntica, que es la fuente bsica para la vida en la Tierra. Tiene una potencia de 3,9 x 1026 W, estando la superficie del Sol a una temperatura de unos 6. 000 K. Esta energa se desprende en la fusin de elementos (hidrgeno) que tienen lugar en el ncleo del Sol, para dar molculas de helio. A la unidad de superficie situada en la capa lmite de la atmsfera terrestre llegan, en promedio y perpendicularmente a ella, un total de 1.367 W/m2. A este valor de la potencia solar (irradiancia) se le denomina constante solar. La constante solar vara durante el ao segn se muestra en la siguiente figura (NASA 1971):

Figura 1.5 . Var iacin de la constante solar .



Tabla 1.3. Conceptos importantes de la radiacin so lar

Magnitud

Explicacin Unidad Smbolo

Irradiancia La potencia de la radiacin solar que incide en un instante sobre una superficie determinada W/m2 I, E

Irradiacin La energa de la radiacin que incide durante un periodo de tiempo sobre una superficie determinada W/m2

J/ m2 H

Irradiancia espectral

Es la potencia radiante por unidad de rea y de longitud de onda W/(m

2m) I, E

Irradiancia directa

Radiacin que llega a un determinado lugar procedente del disco solar W/m

2 Idir, Edir

Irradiancia difusa

Es la radiacin procedente de toda la bveda celeste excepto que procede del disco solar W/m

2 Idif, Edif

Irradiancia global

Se puede entender como la suma de la radiacin directa y difusa. Es el total de la radiacin que llega a un determinado lugar

W/m2 Ig, Eg

Irradiancia circumsolar

Es la parte de la radiacin difusa procedente de las proximidades del disco solar W/m

2 Icir, Ecir

Radiacin extraterrestre

Es la radiacin que llega al exterior de la atmsfera terrestre. Solo vara con la distancia Tierra- Sol

W/m2 J/m2 I0, E0

1.2.1.1.Distribucin de la radiacin solar.

La potencia radiante de 1.367 W/m2 que llega al exterior de la atmsfera no es la que finalmente alcanza la superficie terrestre puesto que la atmsfera atena la radiacin solar. En la Figura 1.6 se representan diferentes fenmenos que atenan la radiacin solar al atravesar la atmsfera.

Figura 1.6 . Interaccin de la radiacin solar con los componentes atmosfr icos

La distribucin de la energa irradiada por el Sol por longitud es bastante parecida a la de un cuerpo negro a la temperatura absoluta de 5. 777 K (6.000 K, aprox.). La Figura 1.7 representa cmo se distribuye la irradiancia en funcin de la longitud de onda, en kW/m2 m). A este tipo de representaciones se les llama espectro.



La diferencia entre la radiacin del cuerpo negro a 5.777 K y la radiacin global horizontal que llega a la Tierra se debe a la absorcin de determinadas longitudes de onda por la atmsfera. Por ejemplo, el ozono de las capas altas de la atmsfera absorbe la radiacin ultravioleta, que es de alta energa y que es perjudicial para la salud. Esta radiacin tiene una longitud de onda 290 nm (En la figura 1.7 corresponde con la zona que est a la izquierda).

Figura 1.7 . Espectro de la radiacin so lar fuera de la a tmsfera , a n ivel del mar y una masa de AM = 1

Un cuerpo negro es aqul que absorbe toda la radiacin que le llega, pero para mantener su equilibrio trmico, a una temperatura T, emite energa continuamente de una forma caracterstica que es funcin slo de su temperatura.



Figura 1.8 . Espectro e lectromagnt ico.

En la Figura 1.8. se muestra todo el espectro electromagntico. La parte visible del espectro se corresponde con un intervalo muy estrecho de longitudes de onda entre (440 -700 nm).

La forma en que se reparte la radiacin electromagntica en funcin de su longitud de onda.

EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO ES



Figura 1.9 . I r radiancia solar en var ios es tados del t iempo atmosfr ico

En la superficie terrestre, en un plano horizontal, la irradiancia puede alcanzar un valor mximo de unos 1.000 W/m. Este valor depende del lugar, del da del ao y, sobre todo, de la nubosidad. De esta forma, en un da nublado la irradiancia puede estar en torno a los 100 W/m, mientras que un da soleado puede estar en torno a los 800 W/m. Todo cuerpo a una temperatura absoluta, T, emite radiacin electromagntica. Dicha radiacin se modela como la que correspondera a como un cuerpo negro, que emite habitualmente en el infrarrojo (IR) La excitancia radiante de una superficie (M) en un punto cualquiera de la misma es la cantidad de energa emitida desde dicho punto en todas las direcciones del espacio por unidad de tiempo y rea. El cielo, como cualquier cuerpo, emite energa electromagntica, tambin en el infrarrojo trmico. La irradiacin media anual en la superficie horizontal de la Tierra (kWh/m) vara en los distintos lugares de la Tierra. En el desierto del Sahara hay una irradiacin solar de unos 2.300 kWh/(m ao). En el sur de Europa, la irradiacin solar mxima est entre 1700-1800 kWh/(m ao), y en el norte de Europa oscila entre 700 y 1200 kWh/(m ao).



1.2.1.2. Aparatos de medida de la radiacin solar La Figura 1.10. muestra los diferentes aparatos que habitualmente se utilizan para medir la radiacin solar.

Figura 1.10. Aparatos de medida de la radiacin so lar .

El heligrafo est compuesto por una esfera de vidrio que enfoca los rayos solares sobre una tira de papel, desde el momento de amanecer hasta el instante de anochecer, que se quema debido a la temperatura alcanzada. La longitud de la zona quemada de la cinta de papel determina las horas de insolacin.

El piranmetro tiene gran precisin y fiabilidad en la medida de la radiacin global y difusa. Estn compuestos por dos semiesferas de vidrio, una placa negra (superficie absorbedora), situada a la base de las esferas, y varios termopares conectados a dicha placa. Todo se acopla en una carcasa metlica. Cuando la radiacin incide sobre la semiesfera de vidrio calienta la superficie absorbedora. La variacin de temperatura alcanzada, que es proporcional a la intensidad de la radiacin, se transforma en diferencia de potencial en los termopares. Esta diferencia de potencial es la que se registra y almacena. Para medir la radiacin difusa es necesario colocar una banda, que sombrea en todo momento al disco solar. Hay que hacer, no obstante una correccin ya que tambin oculta parte de la bveda celeste. La radiacin directa se determina como diferencia entre la radiacin solar global menos la difusa.

El pirhelimetro se utiliza para medir la radiacin solar directa, que proviene del disco solar. Est montado sobre un seguidor solar que enfoca continuamente el dispositivo sensor hacia el Sol. Si se dispone de piranmetros y pirhelimetros bien calibrados estos pueden alcanzar precisiones del 5%.



1.2.2. Movimiento solar diario y estacional. La Tierra gira alrededor del Sol en un plano al que se le llama plano de la eclptica, describiendo una elipse en la que los puntos ms lejano y cercano al sol (llamados afelio y perihelio, respectivamente) se alcanzan aproximadamente el 4 de julio y el 3 de enero. El Sol est en uno de los focos de la elipse. Adems, rota sobre su eje, originando as los das y las noches. El eje de rotacin de la Tierra est inclinado respecto al del plano de la eclptica un ngulo de 23,5, y es precisamente la existencia de este ngulo lo que origina las estaciones del ao.

Figura 1.11. Movimiento de la T ier ra respecto del Sol (1UA = 1.496 108 km)

Al ngulo que sobre la elipse forma la Tierra respecto del Sol se le llama ngulo diario ().

El ngulo que forma el ecuador con el plano de la eclptica, se le llama ngulo de declinacin (). Este ngulo cambia a lo largo del ao por la traslacin de la Tierra respecto del Sol. En la Figura 1.12. tenemos la definicin del ngulo.

Figura 1.12. ngulo de decl inacin



En la Figura 1.13. se representa la variacin del ngulo de declinacin con el da del ao.

Figura 1.13. Var iacin del ngulo de decl inacin con e l d a del ao.

Si tomamos con origen la Tierra, entonces tenemos lo siguiente:

Figura 1.14. Movimiento aparente del So l v is to desde la T ierra .

1.2.2.1. Hora solar verdadera. Ecuacin del tiempo. La Ecuacin del tiempo es la diferencia entre el tiempo solar medio (medido por un reloj) y el tiempo solar aparente (tiempo medido por un reloj de Sol). Esta diferencia vara a lo largo del ao y alcanza su mayor diferencia a principios de noviembre, cuando el tiempo solar medio est a ms de 16 minutos por detrs del tiempo solar aparente (en concreto a 16 minutos 33 segundos cerca del 3 de noviembre), y a mediados de febrero, cuando el tiempo solar medio va ms de 14 minutos por delante del aparente.



A esta ecuacin se le conoce como Ecuacin del tiempo.

De esta forma, si todos los das, a la misma hora, hacemos una fotografa del Sol, ste cambiar su posicin a izquierda o derecha segn la ecuacin del tiempo y hacia arriba o abajo dependiendo del ngulo de declinacin. A esta curva se le llama Analema. Utilizando las expresiones de la ecuacin del tiempo y del ngulo de declinacin podemos obtener la figura del analema que se muestra en la figura de al lado.

Figura 1.15. Analema

No obstante, a la hora de dimensionar instalaciones fotovoltaicas o trmicas, no es necesario tener en cuenta esta figura. S, por el contrario, hay que tener en cuenta la duracin del da y el ngulo que forma el Sol respecto al Sur del lugar en que nos situemos y el ngulo de elevacin solar a lo largo del da.

Figura 1.16. ngulos so lares desde el observador

Existen frmulas empricas que dan esta diferencia con un error mximo de 30 segundos, una de ellas se muestra a continuacin:

.204089,02cos014615,0032077,02cos001868,0000075,0(18,229(min)

+=sensen

Et

SABAS QUE



En el plano del observador, el Sol est un ngulo por encima de ste (elevacin solar) y forma un ngulo con la direccin Sur (ngulo azimutal). Al ngulo se le llama ngulo horario y es igual a cero para las 12 de la maana y vara 15 cada hora por la rotacin de la Tierra. La elevacin solar depende de la latitud, del ngulo de declinacin y de la hora del da. El ngulo azimutal depende tambin del ngulo de declinacin, la elevacin solar y la hora del da.

(1.13)

Si queremos calcular el ngulo horario de salida y puesta del Sol (s), tomamos aquellos puntos donde la altitud del Sol es cero (=0) y tenemos:

, (1.14)

o lo que es lo mismo:

. (1.15)

donde es la latitud del lugar donde se sita el observador

La duracin de un da, Nd, est relacionada con el ngulo de salida como:

. (1.16)

1.2.3. Energa incidente sobre una superficie plana inclinada En el caso de que la superficie est inclinada un cierto ngulo respecto de la horizontal (y orientada al Sur), podemos hacerla equivalente a que la superficie est en una latitud 0 = . Podemos definir un ngulo de salida del Sol para esta superficie (teniendo en cuenta su inclinacin). Hay que tener cuidado con la solucin de las ecuaciones para evitar el caso de que el Sol salga antes en el panel que en la latitud en la que est situado. Las Ecuaciones (1.13) y (1.14) determinan la altura solar, , y el ngulo azimutal, , del Sol respecto de un observador situado en un lugar de la Tierra con latitud . Los ngulos y determinan la posicin del Sol en cada instante respecto al lugar donde se ubique el captador (observador).

)tantan(cos152 1 = dN

)tantan(cos 1 = s

coscos

cossensen

s

=

.

cos

cos

sensen =



Figura 1.17. Or ientacin angular del captador respecto a la di reccin sur del lugar. Posicin angular del Sol , y , vis ta desde e l captador.

Cuanto ms perpendicular se encuentra el Sol respecto de la superficie terrestre, menor es el camino que recorre la radiacin solar hasta llegar a sta. Se define la masa de aire (AM) como el intervalo del cociente entre el recorrido ptico de un rayo solar para una altura solar y el correspondiente a la normal, es decir:

(1.17) Evidentemente, AM es mnimo cuando el Sol se encuentra en el cnit, en este caso AM = 1 (vertical del observador). La radiacin solar antes de llegar a la atmsfera terrestre tiene una masa de aire, AM = 0.

z

o

sensen

senAM cos

1190===



Figura 1.18. Valores de AM para d is t in tas pos iciones del sol

En nuestras latitudes nunca se da el caso de AM = 1. Este valor slo se da en el Ecuador, donde la latitud = 0. Por ejemplo, en Madrid, en el mejor de los casos se obtiene un AM = 1,05 el 21 de Junio.

Figura 1.19. Atenuacin del espectro so lar en funcin de la AM a n ivel del mar.

1.2.4. Clculo de prdidas por orientacin e inclinacin. Existen dos tipos de prdidas:

- Prdidas por orientacin (kWh/m2 MJ/m2): cantidad de irradiacin solar no aprovechada por m2 del sistema captador a consecuencia de no tener la orientacin ptima (Sur).



- Prdidas por inclinacin (kWh/m2 MJ/m2): cantidad de irradiacin solar no aprovechada por m2 del sistema captador a consecuencia de no tener la inclinacin ptima, inclinacin que depende de las estaciones del ao.

La posicin ptima de instalacin de los captadores es la orientacin hacia el Sur geogrfico, y la inclinacin, dependiendo del periodo que queramos que sea su utilizacin, como uno de los valores siguientes: a) demanda constante anual: la latitud geogrfica, . b) demanda preferente en invierno: la latitud geogrfica + 10 . c) demanda preferente en verano: la latitud geogrfica 10 .

En las aplicaciones fotovoltaicas es muy importante que los rayos solares incidan perpendicularmente sobre el mdulo (radiacin directa), ya que el efecto fotovoltaico se ve favorecido por ello. Para aplicaciones trmicas no es necesario seguir al Sol, ya que los captadores tambin trabajan con radiacin difusa.

Las prdidas por estos conceptos se calcularn en funcin de: a) ngulo de inclinacin (): ngulo que forma la superficie de los mdulos con el plano horizontal. Su valor es 0 para mdulos horizontales y 90 para verticales (ver Figura 1.17). b) ngulo de azimut (): ngulo entre la proyeccin sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del mdulo y el meridiano del lugar. Dicho ngulo toma el valor de 0 para paneles orientados al Sur, -90 para paneles orientados al este y +90 para paneles orientados al oeste (ver Figura 1.17).

Figura 1.20. Prdidas de captacin solar de una superf icie en funcin de la incl inacin respecto a la hor izonta l y en funcin de la or ientacin respecto al sur

geogrf ico.



1.2.5. Clculo de sombras y bloqueos La proyeccin de sombras sobre una instalacin fotovoltaica influye ms sobre la produccin solar que en las instalaciones solares trmicas, por lo que ya dijimos del aprovechamiento de los captadores trmicos de la radiacin difusa. A ttulo orientativo, en una instalacin solar trmica con un sombreado del 30% produce una cada de un 30%, mientras que en una fotovoltaica la cada es mucho mayor del 30%, llegando a ser del 80-90% si no se ponen las medidas adecuadas. Podemos clasificar las sombras en dos tipos: a) Sombreados temporales: debidos a la cada de hojas, nieve, suciedad, etc. b) Sombras debidas a la situacin: es decir sombras debidas a los alrededores de la instalacin, como edificios, rboles, etc. c) Sombras debidas a la propia instalacin: por ejemplo captadores que se dan sombra unos a otros por falta de espacio.

CLCULO DE SOMBRAS La sombra se suele determinar en relacin al lugar donde se ubica la instalacin, por lo general en el punto medio del captador trmico y en funcin del contorno de los posibles obstculos entre el Sol y la instalacin. Si la instalacin es grande este clculo debe realizarse para varios puntos de la misma. El procedimiento consiste en analizar el contorno de los posibles obstculos entre el Sol y la instalacin. Esto se puede hacer con:

- Un analizador de sombras (fotogrficamente o a travs de una cmara digital y software). - Un diagrama de las trayectorias solares en una lmina. - Con un plano de la situacin y un diagrama de las trayectorias solares.

Se procede ahora a calcular todas las alturas solares y el azimut de los obstculos midiendo las distancias y alturas respectivas.

Figura 1.21. Clculo de sombras producidas por un objeto (rbol ) sobre una ins talacin so lar .

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Direccin General de Formacin para el Empleo. Junta

Cuando la altura solar sea inferior al nguloobstculo (rbol) producir sombras sobre la instalacin de la FiguraLuego se utiliza un diagrama de trayectconocen matemticamente (Ecuaciones (1.13) y (1.14

Figura 1.22. Diagrama de t rayector ias sola res en un lugar de la T ierra de la t i tud

Como resultado del anlisis de sombras se obtiene el contorno de la sombra de los alrededores sobre el diagrama de las trayectorias solares. Hay programas que calculan la disminucin de la radiacin incidente provocada por las sombras de los alrededores dosolar.

1.2.5.1.Sombras producidas por la propia instalacin. Por la propia disposicin de las filas de los mdulos en una instalacin pueden dar sombras unas a otras. Para una instalacin Figura 1.23. el aprovechamiento de una superficie disponible viene dado por f = a / d. La distancia entre mdulos es:

siendo la altura solar y la inclinacin de los captadores es de 2,5 veces la altura del captador (



la altura solar sea inferior al ngulo calculado por la Ecuacin (1.18obstculo (rbol) producir sombras sobre la instalacin de la Figura (1.21.). Luego se utiliza un diagrama de trayectorias solares para la latitud dada (ver figura 1.22), que se

(Ecuaciones (1.13) y (1.14)) y se proyecta el entorno sobre las mismas.

. D iagrama de t rayector ias sola res en un lugar de la T ierra de la t i tud 39 N.

Como resultado del anlisis de sombras se obtiene el contorno de la sombra de los alrededores trayectorias solares. Hay programas que calculan la disminucin de la

radiacin incidente provocada por las sombras de los alrededores donde se va a situar la instalacin

ombras producidas por la propia instalacin. Por la propia disposicin de las filas de los mdulos en una instalacin solar trmicapueden dar sombras unas a otras. Para una instalacin orientada al Sur tal como se muestra en la

. el aprovechamiento de una superficie disponible viene dado por f = a / d. La distancia

la inclinacin de los captadores. En Espaa, la distancia mnima entre captadores es de 2,5 veces la altura del captador (d1= 2,5 h).

sen

senad )180( =

dh

dhh

=

=112 tan;tan

de Extremadura.

(1.18) calculado por la Ecuacin (1.18) entonces el

(ver figura 1.22), que se )) y se proyecta el entorno sobre las mismas.

. D iagrama de t rayector ias sola res en un lugar de la T ierra de la t i tud =

Como resultado del anlisis de sombras se obtiene el contorno de la sombra de los alrededores trayectorias solares. Hay programas que calculan la disminucin de la

nde se va a situar la instalacin

solar trmica, stas se ur tal como se muestra en la

. el aprovechamiento de una superficie disponible viene dado por f = a / d. La distancia

(1.19) En Espaa, la distancia mnima entre



Figura 1.23. Dis tancia entre f i las para evi tar sombras en una ins talacin f i ja .

1.2.6. Transformacin energtica de la radiacin solar. Casi el 30% de la radiacin que llega a la Tierra se devuelve al espacio por reflexin. Un 47% se convierte en calor, al ser absorbida por la atmsfera, el suelo y los mares. Un 23% se invierte en la evaporacin del agua de los ocanos, lagos y ros, as como en el ciclo hidrolgico completo. El 0,2% es responsable de los movimientos de circulacin atmosfrica y ocenica, y solamente el 0,02% se utiliza en la produccin de la materia viviente (biomasa) al ser capturada por las hojas verdes de las plantas para realizar la fotosntesis.

Fotosntesis.- Globalmente, la reaccin fotoqumica que tiene lugar en las hojas de las plantas (mediando la clorofila) es:

(1.20)

As pues, el CO2 con el agua capturada por las races y la luz solar se recombinan para dar un hidrato de carbono y oxgeno. Este hidrato de carbono puede considerarse como un almacn de energa solar. Los animales, al alimentarse de las plantas, utilizan la energa en ellas acumulada, mediante procesos metablicos.

El Clima.- La energa solar es tambin la responsable de los cambios, algunos de carcter peridico, que condicionan los valores de las variables atmosfricas (presin, temperatura, humedad relativa del aire, etc.). As calienta en mayor medida la Tierra en las zonas ecuatoriales, provocndose diferencias de temperatura del aire en diferentes zonas, por tanto, diferencias de presin. Estas diferencias de presin son las que mueven las masas de aire (vientos). La radiacin solar tambin evapora el agua de los ocanos formando las nubes. Los vientos las trasladan a grandes distancias, hasta que precipitan en forma de lluvia o nieve. Si estas precipitaciones caen en tierra firme, ste agua se puede almacenar en embalses (energa hidrulica). Otros factores influyen en la climatologa de las distintas zonas del globo: zonas con extensa vegetacin, cadenas montaosas y el propio hombre, producindose microclimas.

6 CO2 + 6 H2O+ luz solar C6H12O6 + 6 O2



PROCESOS TECNOLGICOS Los procesos tecnolgicos de transformacin de la energa solar se pueden dividir en:

- Procesos Directos: Cuando la conversin de la energa solar se realiza en una sola etapa, en un nico proceso. Por ejemplo, calentamiento directo de un cuerpo, conversin de la luz solar en electricidad (efecto fotovoltaico), etc.

- Procesos indirectos: Cuando la energa solar puede producir energa til a travs de procesos intermedios. Por ejemplo, el viento, la energa hidrulica, de las olas, la energa termosolar, etc.

- Procesos trmicos directos.- Cuando la radiacin solar incide sobre la superficie de cualquier cuerpo, hace que ste se caliente. La cantidad de energa absorbida por el cuerpo depende de la irradiancia incidente y de la capacidad de absorcin del material, absortancia, .

En general, la interaccin de la radiacin solar con la materia, depende de las siguientes propiedades de los materiales:

a) De la absortancia, , como ya se ha dicho, la absortancia de un material es el tanto por uno de la energa solar que llega a su superficie y que es absorbida por el mismo.

b) De la reflectancia de la superficie, . La reflectancia de una superficie es el tanto por uno de la energa solar que llega a la misma y es reflejada por ella.

c) De la transmitancia del material, . La transmitancia de un material es el tanto por uno de la eerga solar que llega al mismo y es trasmitida por l.

d) De la emisividad del material, , que es el tanto por 1 de la energa emitida por un cuerpo y la correspondiente a un cuerpo negro.

La relacin entre las distintas propiedades es:

(1.21)

Los cuerpos blancos reflejan la mayor parte de la radiacin que llega sobre ellos, mientras que los cuerpos oscuros o negros tienen una reflectancia muy pequea, calentndose apreciablemente. Si adems, esta superficie oscura tiene una absortancia elevada, sta es una excelente candidata para ser utilizada como superficie absorbedora en un captador solar. La eficiencia de un captador solar puede optimizarse mediante diversas tcnicas basadas en efectos fsicos, entre los que destaca el efecto invernadero, que realizan de forma natural los vidrios. Los vidrios son sustancias que son transparentes a la radiacin solar, pero opacos al calor (radiacin infrarroja) que se desprende en la superficie de captacin, impidiendo su fuga al exterior. Otros sistemas utilizan la concentracin de los rayos solares mediante espejos curvos o lentes para elevar considerablemente la intensidad de la radiacin incidente sobre la superficie absorbedora. Destacan los espejos cilindro-parablicos (plantas termosolares), discos parablicos (motor Stirling), heliostatos (espejos que siguen al sol en todo momento y concentran la radiacin en un punto (receptor central) en las llamadas torres de potencia), lentes de Fresnel, etc.

+ + = 1

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Figura 1.24

Figura 1.25. Solar trmica de media y al ta temperatura



Figura 1.24. Torre de potencia.

. Solar trmica de media y al ta temperatura

de Extremadura.

. Solar trmica de media y al ta temperatura



1.2.7. Esquema de aprovechamiento solar

Figura 1.26.Esquema de aprovechamiento de la radiacin so lar

La Figura 1.26 representa un esquema de aprovechamiento de la radiacin solar. En ella se contempla cmo la energa solar puede convertirse directamente en energa elctrica a travs del efecto fotovoltaico. Del mismo modo, cualquier cuerpo expuesto al Sol se calienta al recibir la radiacin procedente del mismo. Las dems transformaciones de la energa procedente del Sol ya no se dan de forma directa.

As, la energa cintica del aire en movimiento viene provocado por las diferencias de presin atmosfrica entre los diferentes lugares de la Tierra. Diferencias de presin producidas, a su vez, por el diferente calentamiento solar de las diversas zonas de la superficie terrestre.

La energa hidrulica se puede considerar como un almacenamiento de energa potencial gravitatoria, una vez se ha represado el agua de lluvia que cae sobre la tierra firme. Como es conocido, el agua de las nubes es evaporada por la accin del Sol. En este caso, adems, esta energa potencial hidrulica hay que convertirla en energa cintica del agua y dirigirla sobre los labes de una turbina (energa mecnica) conectada a un generador, para, finalmente, obtener electricidad (energa til).

La energa solar concentrada mediante instrumentos pticos (termosolar) produce el calentamiento de un aceite orgnico, que, mediante un intercambiador de calor, calienta agua, producindose vapor de agua. Este vapor se inyecta contra los labes de una turbina de vapor, provocando un movimiento de rotacin (energa mecnica). El eje de rotacin est conectado a un generador que produce electricidad como resultado final.

El Sol tambin calienta de forma directa la superficie de los mares y ocanos aumentando su temperatura, mientras, las profundidades marinas permanecen fras. Esta diferencia de temperatura puede aprovecharse para hacer funcionar una mquina cclica trmica y producir trabajo mecnico



que accione un generador y obtener, una vez ms, electricidad. A esta tecnologa e le conoce como energa trmica de los ocanos. Finalmente, a travs de la fotosntesis, la energa del Sol se puede almacenar en las plantas (biomasa). Esta biomasa puede quemarse y producir calor que, a su vez, puede utilizarse como foco trmico para calentar un fluido que realice un ciclo termodinmico, valindose del ambiente como foco fro. La mquina trmica as acoplada realiza trabajo mecnico que puede servir para mover un generador elctrico. Otro tipo de biomasa es la de tipo residual. En este caso, y por accin de bacterias, el proceso de putrefaccin de la materia genera biogs (mezcla de metano y CO2). Este proceso dura aos, pero si se controla adecuadamente puede durar das y as se puede aprovechar eficientemente el biogs producido, utilizndolo, por ejemplo, como combustible con el que opere una mquina trmica cclica que mueva (trabajo mecnico) a un generador elctrico.

La biomasa para usos energticos puede cultivarse, son los denominados cultivos energticos. Aqu puede utilizarse para estos fines desde madera, hasta paja de cereales, aceites vegetales, etc. Una alternativa que recientemente est recibiendo mucha atencin son los cultivos de microalgas, las cuales, adems de captar CO2 atmosfrico y desprender O2, ya que realizan la fotosntesis, puede extraerse de ellas aceite que puede usarse como biodiesel, con la ventaja que no contiene azufre, no es txico y es muy biodegradable.

Otra opcin es el cultivo de microalgas para la produccin de hidrgeno mediante la biofotlisis, que cosiste en la descomposicin biolgica del agua en hidrgeno y oxgeno. El hidrgeno as producido puede utilizarse en una pila de combustible y generar electricidad.

1.2.8. La problemtica del almacenamiento. Como se ha visto, la disponibilidad de la energa procedente del Sol depende del clima local, y, por tanto, es impredecible a tiempos medios. La radiacin solar que incida sobre los mdulos fotovoltaicos o sobre los captadores trmicos en un da futuro no se conoce con precisin. A lo sumo, conocemos los valores medios en base a lo que ha pasado en 5, 10, 25, 50 aos anteriores (clima), pero no los valores precisos de la radiacin solar referidos a un da concreto en un lugar determinado. No es posible disear una instalacin trmica que garantice que en un da determinado vaya a producir una cantidad de calor concreta. Como mucho, se podr disear para que, en valores medios, las instalaciones produzcan una cantidad de energa media en el mismo intervalo de tiempo. En situaciones aisladas, al usuario hay que explicarle que su futura instalacin es flexible; es decir, produce ms energa los das de mayor radiacin (das despejados) y menos energa cuando los das son nublados. Sus posibilidades de consumo van a depender de una materia prima variable. Tambin, el consumo de energa es variable. El usuario, en general, no podr saber con exactitud la energa que va a necesitar un da determinado. Significa eso que no se puede disear una instalacin que garantice el 100% del suministro de energa en un lugar determinado?. No, se puede hacer, pero sobredimensionando dicha instalacin lo que implica que la encarecemos. Para disponer de la energa til (calor y/o electricidad) a partir de la radiacin solar, (y, en general, a partir cualquier energa renovable), donde queramos y cuando queramos, es necesario almacenar dicha energa til obtenida a partir de la radiacin solar.

1.2.8.1. Sistemas de almacenamiento.

Los sistemas de almacenamiento de calor de origen solar se denominan acumuladores. En una instalacin solar el acumulador se encarga de almacenar la energa generada por los captadores solares. Al existir frecuentes desfases temporales entre los periodos de radiacin solar y los



periodos de consumo de energa trmica, la utilizacin de acumuladores resulta imprescindible en las instalaciones solares trmicas. Los requisitos necesarios de un buen acumulador son:

Elevada capacidad trmica del medio de almacenamiento (agua, en general). Adecuada estratificacin de temperaturas. Alta resistencia dentro de los rangos de presin y temperatura de trabajo. Buen aislamiento trmico. Correcto posicionamiento de las tuberas de conexin. Larga durabilidad. Bajo coste. Adecuadas propiedades medioambientales.

Otra forma de almacenar la energa solar trmica es mediante acumuladores de cambio de fase, lo que permite reducir en gran medida los volmenes de acumulacin, mantenimiento o incluso incrementando la capacidad de almacenamiento. Se trata de aprovechar el calor latente que se desprende o absorbe (segn sea el sentido del cambio) cuando una sustancia cambia de fase a una determinada temperatura y presin. Los procesos que se dan en uno o en otro sentido son: fusin solidificacin, vaporizacin licuefaccin (o condensacin), sublimacin slido vapor, sublimacin vapor slido.

Otra tecnologa de acumulacin de energa solar de alta temperatura es la descomposicin trmica del agua en hidrgeno y oxgeno a temperaturas del orden de los miles de grados (2.000 C). El hidrgeno as obtenido puede utilizarse en una pila de combustible y producir electricidad.

1.2.9. Rendimiento de los sistemas solares. Como en todos los procesos de transformacin de Energa Primaria en Energa final, los rendimientos de los mismos no son nunca del 100% (Segundo Principio de la Termodinmica en su versin general).

El rendimiento de un captador solar trmico se define como el cociente entre la energa trmica til o extrada por el fluido de trabajo (en general, agua), Eu, y el producto del rea de apertura del captador, A, por la irradiacin solar que incide sobre el mismo, H, durante un intervalo de tiempo. Su valor depende de las prdidas pticas y trmicas del captador. Por unidad de tiempo (potencia), se tiene:

(1.22) Donde ahora I significa la irradiancia (potencia solar)

= Eu / (I A)

En el caso de la tecnologa termosolar, la acumulacin de calor se hace mediante sales fundidas. El fluido de trabajo suele ser una mezcla de sales. Por ejemplo, la central solar Andasol 1 trabaja con una mezcla del 60% de Nitrato Sdico (NaNO3) y del 40% de Nitrato Potsico (KNO3). 28.500 toneladas de esta mezcla almacenan 1.010 kWh trmicos. .

SABAS QUE



Las prdidas pticas representan la fraccin de la irradiancia solar no absorbida en la placa absorbedora del captador. Dependen de la transmitancia, , de la cubierta (vidrio) del captador y de las propiedades absorbentes (absortancia), , de la superficie absorbedora del captador. El rendimiento ptico o ganancia ptica se define como:

(1.23)

Las prdidas trmicas dependen de la diferencia de temperaturas entre la placa absorbedora (absorbedor) y el ambiente, de la irradiancia incidente y de la conductividad trmica de los materiales que constituyen el captador. Este ltimo factor se encuentra considerado dentro del coeficiente global de prdidas trmicas, k, expresado en W/( m2 K).

(1.24)

Cuando la temperatura de trabajo aumenta, tambin hay que tener en cuenta las prdidas trmicas por radiacin ( R = ( T absorbedor T amb)4), siendo, , la emisividad de la placa absorbedora.

La Figura 1.27. representa la Ecuacin (1.24.) para diferentes valores de la irradiacin solar.

Figura 1.27. Rendimientos de un captador trmico en funcin de la di ferencia de temperatura del absorbedor y el ambiente y para di ferente i r rad iacin solar .

El rendimiento global de la instalacin solar trmica depender adems de las prdidas en el sistema de acumulacin, tuberas, intercambiadores de calor, etc., que tambin habr que contabilizar, siendo el captador el elemento que ms influye en dicho rendimiento global.

=o k(T/I)

o =



Resumen del mdulo I En este mdulo se han presentado los fundamentos fsicos de la radiacin solar y su aprovechamiento trmico. Se comienza haciendo un recordatorio de las magnitudes fsicas ms importantes y que despus se usan en el desarrollo del mdulo. As se definen magnitudes tales como la energa, potencia, trabajo mecnico, energa interna, calor, temperatura, radiacin solar, etc. y sus correspondientes unidades en el Sistema Internacional de Unidades (SIU). Se muestra que todo cuerpo (incluido el Sol) irradia energa electromagntica, siendo esta energa irradiada proporcional a la temperatura absoluta del cuerpo. La radiacin electromagntica proveniente del Sol se reparte segn las diferentes longitudes de onda (espectro). Bsicamente la radiacin solar se descompone en luz y calor (zona del espectro de grandes longitudes de onda). En este mdulo se trata sobre el aprovechamiento de ese calor solar para obtener agua caliente sanitaria (ACS) o simplemente para almacenarlo. El aprovechamiento de la energa solar trmica de manera eficiente (evitar sombras, utilizar, captadores de mximo rendimiento, etc.) constituye el final de este mdulo.



REPLANTEO DE LA INSTALACIN



El objetivo del mdulo est dirigido a la seleccin del emplazamiento de los componentes de la instalacin y organizar el trabajo.

2.REPLANTEO DE LA INSTALACIN

2.1.Interpretacin de planos de instalaciones de edificios La palabra grfico significa referente a la expresin de ideas por medio de lneas o marcas impresas en una superficie. Entonces, un dibujo (plano) es una representacin grfica de algo real. El dibujo, por tanto, es un lenguaje grfico porque usa figuras para comunicar pensamientos e ideas. Como un dibujo es un conjunto de instrucciones que tiene que cumplir el operario, debe ser claro, correcto, exacto y completo. Los campos especializados son tan distintos como las ramas de la industria. Algunas de las reas principales del dibujo son: Mecnico, arquitectnico, estructural y elctrico. El trmino dibujo tcnico se aplica a cualquier dibujo que se utilice para expresar ideas tcnicas. A continuacin veremos los diferentes tipos de planos que podemos encontrar y que nos definirn una instalacin solar trmica: Plano General o de conjunto: presenta una visin general la instalacin a ejecutar, de forma que se puede ver la situacin de las distintas piezas que la componen, con la relacin y las concordancias existentes entre ellas. La funcin principal del plano de conjunto consiste en hacer posible el montaje. Esto implica que debe primar la visin de la situacin de las distintas partes, sobre la representacin del detalle. A la hora de realizar el plano de conjunto, se deben tener en cuenta todas las cuestiones relativas de la normalizacin: formato de dibujo, grosores de lnea, escalas, disposicin de vistas, cortes y secciones, etc. Plano de montaje: explicar la forma en que se deben realizar las conexiones, uniones, etc., entre los diferentes elementos que compongan la instalacin. Plano de perspectiva: detallar las medidas de los diferentes elementos, as como distancias entre las diferentes partes de la instalacin, dimetros de las conducciones, etc. Para tener completamente identificada la instalacin hay que incluir, en el plano de conjunto, una lista con los elementos que lo componen. A continuacin se expone un listado (no exhaustivo) de smbolos correspondientes a diferentes piezas, mquinas, etc. que se pueden encontrar en una instalacin solar trmica.

Tabla 2.1 S imbologa en insta laciones solares trmicas Smbolo Significado

ALJIBE DE RESERVA

BOMBA

CODO CON VUELTA HACIA ARRIBA

CODO CON VUELTA HACIA ABAJO

COLECTOR

Smbolo Significado

COLLARIN DE TOMA

CONTADOR GENERAL

CONTADOR DIVISIONARIO



DEPOSITO ACUMULADOR

DEPOSITO DE PRESION

DISPOSITIVO ANTIARIETE

DILATADOR EN LINEA

DESAGUE EN ARQUETA O ARMARIO

FILTRO

FLUXOR

GRIFO DE AGUA FRIA

GRIFO DE AGUA CALIENTE

PURGADOR

TERMOMETRO

LLAVE DE TOMA EN CARGA

LLAVE DE COMPUERTA

Smbolo Significado

LLAVE DE BOLA O DE ACCIONAMIENTO RAPIDO

LLAVE DE PASO CON DESAGUA O GRIFO DE VACIADO

LLAVE DE AISENTO DE PASO RECTO

LLAVE DE ASIENTO DE PASO INCLINADO

LLAVE DE PASO CON GRIFO DE VACIADO Y DISPOSITIVO ANTIRETORNO

VASO DE EXPANSION

MANOMETRO

MANOMETRO Y PRESOSTATO

PRESOSTATO

VALVULA REGULADORA DE CAUDAL

VALVULA ANTIRETORNO

VALVULA DE 2 VIAS MOTORIZADA



VALVULA DE 3 VIAS MOTORIZADA

Smbolo Significado

VALVULA LIMITADORA DE PRESION

PURGADOR

VALVULA DE VENTOSA

SONDA DIFERENCIAL

TERMICO DIFERENCIAL

INTERCAMBIADOR

Ejemplos de montaje.

Los sistemas de energa solar trmica utilizan los rayos solares para obtener agua caliente. Los captadores concentran y calor del Sol transmitindolo a un fluido que queremos calentar. Este fluido puede ser bien el agua potable de la casa, bien el sistema hidrulico de calefaccin de la vivienda, bien agua de una piscina que queremos climatizar, etc. Una clasificacin de las instalaciones en funcin del camino del agua de consumo es: Instalaciones de circuito abierto, donde el agua de consumo pasa directamente por los

captadores solares. Este sistema reduce costos y es ms eficiente (energticamente hablando), pero presenta problemas en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelacin del agua, as como en zonas con alta concentracin de sales que acaban obstruyendo los paneles. Los inconvenientes son la dificultad para emplear materiales que no contaminen el agua, el riesgo de vaporizacin y congelacin, el funcionamiento a la presin de la red con peligro en los captadores, el no poder emplear anticongelante, el mayor riesgo de corrosin (aire en el agua), las posibles incrustaciones calcreas. Tambin estn sometidos ms restricciones legales.

Instalaciones de circuito cerrado, donde el agua de consumo no pasa directamente por los captadores solares. Este sistema es el ms comn. Se utiliza un lquido anticongelante que atraviesa los tubos dentro de los colectores y se calienta por la accin de la radiacin solar. El lquido caliente atraviesa el circuito hidrulico primario hasta llegar al acumulador, en el interior del cual se produce un intercambio de calor entre el circuito primario y el secundario, es decir, entre el lquido anticongelante calentado en las placas solares y el agua que vamos a usar nosotros. En caso de que el agua contenida en el acumulador no alcance la temperatura de uso deseada, entra en funcionamiento automticamente el sistema auxiliar - caldera o resistencia elctrica - que se encarga de generar el calor complementario. Todo el proceso es automtico y vigilado por el sistema de control.

Los sistemas tambin pueden clasificarse en funcin del tipo de circulacin del fluido. As, la circulacin del fluido se consigue por: Circulacin natural, es el caso de un sistema termosifnico. En este caso el depsito debe

colocarse en un nivel superior a los colectores para permitir la conveccin por diferencia de temperatura. Para facilitar el movimiento del agua tiene que haber una diferencia suficiente de temperatura entre el colector y el acumulador y una altura entre el acumulador y los colectores mayor de 30 centmetros. Para evitar el riesgo de temperaturas elevadas en el depsito este se disea con volmenes mayores de 70 l/m2 de colector. Los factores positivos de este sistema



son de carcter econmico y de simplicidad de instalacin, porque los equipos termosifnicos no consumen energa elctrica, ya que funcionan sin bomba. Esta caracterstica ayuda a disminuir el consumo energtico de la vivienda y convierte a los equipos en autnomos que siguen funcionando aunque el sistema elctrico falle. El hecho de ser autnomo hace muy atractiva su aplicacin en aquellos lugares remotos donde no llega la red elctrica. Los factores negativos son de carcter esttico y de resistencia del tejado, porque el depsito tiene que estar encima de los paneles. La circulacin natural reduce tambin el rendimiento del sistema solar.

Circulacin forzada, es el caso de un sistema con bomba de circulacin. Esta instalacin evita los problemas de los sistemas de circulacin natural. Como inconvenientes se encuentran las necesidades de energa elctrica y de regulacin y control de la circulacin. Cuando el intercambiador est a una altura inferior a los captadores, la bomba es imprescindible. Hay que incluir adems una vlvula antirretorno con el objetivo de evitar prdidas en el acumulador por el efecto termosifnico nocturno. Los factores positivos de este sistema son de carcter esttico y de rendimiento del sistema. Es posible colocar el acumulador en el interior de la vivienda, y entonces el tejado no tiene que soportar el peso del acumulador (que puede ser de hasta 300 - 500 Kg.). La circulacin forzada ofrece un rendimiento superior al de un sistema de circulacin natural, porque el fluido anticongelante circula de manera ms rpida que el agua. Los factores negativos son de carcter econmico y de gestin del sistema: la inversin inicial es ms alta y tambin el sistema utiliza energa para el funcionamiento de la bomba. Sin embargo, este uso de energa va a ser compensado por una mayor produccin de agua caliente en comparacin con el sistema precedente.

Adems, hay que tener en cuenta diferentes configuraciones en edificios, viviendas, teniendo en cuenta las sistemas de apoyo, la existencia de acumulacin o distribucin distribuida o centralizada, etc. A continuacin se muestran algunos esquemas habituales, de instalaciones solares trmicas donde se puede ver la distinta simbologa utilizada.

Figura 2.1 : P roduccin de ACS y calefaccin en Vivienda Uni famil iar .

El esquema correspondiente a la Figura 2.1 muestra una instalacin individual en una vivienda unifamiliar, en la cual se ha instalado un depsito intercambiador con doble serpentn, como apoyo se utiliza la caldera de calefaccin. En la salida de agua caliente a consumo se deber colocar una vlvula termosttica para prevenir posibles accidentes debidos a la posibilidad de que las temperaturas proporcionadas por los paneles sean altas.



Figura 2.2 : Ins ta lacin central izada en edi f ic io de viv iendas con apoyo individual .

En la figura 2.2 se muestra una instalacin individual de produccin de ACS dentro de un edificio de viviendas; suponiendo que los acumuladores de cada usuario, se sitan en la cubierta del edificio; es preciso comunicar cada instalacin interior de agua con el depsito central. Como apoyo se utilizan las calderas individuales, en ese caso debe consultarse, con el fabricante de las mismas, las temperaturas mximas que soportan en la entrada de agua fra, y si la misma es baja, deber realizarse una derivacin con una vlvula de tres vas que enve el agua caliente directamente a consumo cuando la temperatura proveniente del depsito sea alta; esta precaucin deber ser adoptada en cualquier solucin que utilice como apoyo calderas mixtas en serie con los depsitos. Ser necesaria la instalacin de contadores de agua caliente en cada vivienda. Nos podemos encontrar problemas de legionella

Figura 2.3 : Captadores colectivos ACS indiv idual con acumuladores en cada viv ienda.

En la figura 2.3 se muestra una instalacin con todos los captadores colocados de manera colectiva y desde los mismos se atienden a los acumuladores individuales situados en las viviendas ; para su regulacin no se pueden emplear los termostatos diferenciales habituales, siendo preciso programar el funcionamiento de la bomba a partir de una determinada temperatura del agua en los captadores. Cada instalacin individual dispondr de una vlvula de regulacin que permita el paso del agua de los paneles cuando las temperaturas del agua acumulada sean bajas; ello hace aconsejable el uso de bombas de caudal variable que se adapte continuamente a las diferentes condiciones de uso, tambin se deber instalar una vlvula diferencial (VPD) que permita la circulacin del agua aun cuando todos los usuarios tengan sus vlvulas de aporte cerradas.



Esta solucin presenta el inconveniente del reparto de gastos, ya que para controlar la aportacin solar a cada usuario son preciso contadores de caloras, lo que encarece la instalacin. Como ventaja respecto a la individual, puede obtenerse mayor aprovechamiento solar, por darse consumos ms uniformes con usuarios colectivos que con usuarios individuales.

Figura 2.4 : Edi f ic ios de viv iendas con acumulacin central izada

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GuÍa Agenex 2008 Solar Térmica