08 noviembre 2012

Guía de diseño de aplicaciones con energía térmica solar para aplicaciones no residenciales (1ª PARTE)

Si bien muchos programas están disponibles para diseñar aplicaciones de energía térmica solar, la inmensa mayoría de las herramientas disponibles se han desarrollado para el uso de esta energía en edificios,  y específicamente para aplicaciones residenciales y comerciales. Pero son muchos los usos de la energía térmica solar que son hoy competitivos como la integración de energía en procesos industriales o la obtención de energía para usos diversos en ubicaciones remotas. Para estas interesantes aplicaciones no dispondremos de herramientas sencillas y tendremos que recurrir a las ecuaciones termodinámicas y a realizar pruebas empíricas para validar los desarrollos que deseamos explorar. En esta nueva guía de diseño nos centramos en la descripción de los métodos que podemos utilizar para desarrollar este tipo de aplicaciones.


Tipos de aplicaciones

Las aplicaciones más extendidas de la energía térmica solar son el calentamiento de agua y de espacios, y su desarrollo va implantándose progresivamente conforme aumenta su competitividad con los sistemas convencionales a base de combustibles fósiles.

El rango de aplicaciones térmicas de la energía térmica solar va desde las bajas temperaturas que se requieren en el agua doméstica y el calentamiento de piscinas, a las medias- altas- temperaturas que se requieren en la refrigeración por absorción o la producción de vapor para generación eléctrica.

En esta exposición nos centramos en los sistemas de baja temperatura cuya principal ventaja es que requieren inversiones de capital bastante reducidas.

Colectores

Los colectores solares planos son los más convenientes para procesos que requieren fluidos trabajando a baja temperatura (25 º C) y pueden transmitir temperaturas de fluido de 25 ºC incluso en días nublados. El término colector de placa plana generalmente se refiere a un serpentín hidrónico alojado en una caja aislada con cobertura de vidrio simple o doble que permite a la energía solar calentar el absorbedor. El calor se extrae del fluido a través de los serpentines hidrónicos. Su diseño lo hace más susceptible a las pérdidas parásitas que un colector de tubo evacuado pero más eficiente en la captura de energía solar debido a que los colectores de placa plana convierten tanto la radiación solar directa como la indirecta en la energía térmica. Esto hace que los colectores de placa plana sean la elección preferida para aplicaciones de calentamiento a baja temperatura. Acoplando una bomba de calor de fuente agua (temperaturas de fluido bajas) con colectores solares se obtiene una eficiencia de calentamiento más alta que las aplicaciones GSHP y las calderas de gas.

Las curvas de rendimiento de un colector solar de placa plana típica son como las de la figura con las que abrimos este texto. La eficiencia del colector (ŋ) se expresa como una función de la temperatura de entrada del fluido de trabajo del colector (Tin), la temperatura ambiente (To) y la radiación solar total incidente en la superficie del colector (GT).

El porcentaje de energía que un sistema solar puede proporcionar es conocido como fracción solar. El método f-chart desarrollado por Sandford Klein proporciona una valoración exacta de la cantidad de energía que un sistema térmico solar proporcionará. Esta modelización proporciona al diseñador la capacidad de variar los parámetros del sistema, tales como áreas de colectores, volumen de almacenamiento, temperatura de operación, y carga, para optimizar el diseño del sistema.

La efectividad en costes de los sistemas solares térmicos son también dependientes de tener una carga constante para la energía que el sistema solar proporciona.

El agua caliente del sistema solar puede utilizarse para aplicaciones diversas tales como calentar o precalentar agua, o para calentar aire mediante un intercambiador de calor.

También son interesantes las aplicaciones de frío solar, especialmente porque la demanda de frío en latitudes templadas suele coincidir con los periodos de mayor demanda.

Métodos de diseño de sistemas solares

Los métodos de diseño pueden separarse en tres clases genéricas. La categoría simple, usualmente asociada con la pre factibilidad implica cálculos manuales rápidos del rendimiento del sistema/colector solar. El método de las correlaciones anuales generalizadas puede ser usado para estudios a lo largo del año con cargas más o menos constantes. La aproximación es directamente válida para sistemas solares en bucle abierto, mientras que puede también ser usado para sistemas en bucle cerrado si puede determinarse la temperatura de entrada del colector promedio. Una forma simple de seleccionar esta temperatura Tm para sistemas multipaso en bucle cerrado es asumir la siguiente relación empírica:



Donde Tmains es la temperatura de alimentación anual promedio y Tset es la temperatura del agua caliente requerida (en la mayoría de los casos 60 – 80 ºC).

Los métodos de diseño de nivel medio se realizan durante el estudio de factibilidad del proyecto. Nos centramos principalmente en el estudio de los métodos en este nivel.

Los métodos de diseño detallados implican realizar simulaciones hora a hora del sistema solar a lo largo de todo el año.

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