Diseño y Optimización de Sistemas Termosolares utilizando...

Diseño y Optimización de

Sistemas Termosolares

utilizando TRNSYS

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Energía Renovable y Protección del Medio Ambiente

Dr. Ignacio R. Martín DomínguezM. en C. Jorge A. Escobedo Bretado

Chihuahua, Chih. Octubre 27 de 2010

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Calor Solar para Procesos 2

Introducción

La energía es un insumo básico en toda industria, comercio y edificación

La energía no puede dejarse de utilizar, ello implica dejar de funcionar

La energía tiene costo, y depende de su origen y de los procesos que la transformen para su aplicación en algún producto

Ante la escasez y aumento del costo de la energía, se requiere hacer un uso cada vez más eficiente de ella, y sustituir en lo posible el uso de fuentes fósiles por renovables


Introducción

Al ritmo con el que actualmente se consumen los

combustibles fósiles, las reservas que de ellos existen

en el planeta se agotaran en un futuro ya próximo.

La lógica más elemental nos indica que ya deberíamos

haber empezado a preocuparnos por aprender a utilizar

fuentes alternas de energía.


Introducción

La energía solar se presenta como una alternativa viable para nuestro país, ya que es abundante, está disponible en todo el territorio (aunque sólo de día) y produce un impacto ambiental mínimo.

Debido a que se puede convertir la radiación solar en calor, trabajo mecánico o electricidad, es posible utilizarla como sustituto de combustibles fósiles en casi cualquier aplicación que actualmente esté basada en ellos.

Usos de la Energía Solar

Calentamiento de agua

Calor de proceso

Enfriamiento

Desalinización

Secado

Bombeo de agua

Generación de energía eléctrica

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 5


Sistemas de Captación de Energía Solar

La energía solar tiene dos características

muy importantes que la diferencian de las

fuentes energéticas convencionales

Dispersión

Su densidad de flujo solo alcanza valores de

hasta 1000 W/m2

Intermitencia

Solo está disponible unas cuantas horas al día, a

veces más, a veces menos

Variabilidad del Recurso Solar



SISTEMAS TÉRMICOS EN LA INDUSTRIA

Los Sistemas Térmicos (ST), también

llamados Sistemas de Energía ó Energéticos,

son parte integral de la mayoría de las

industrias

Los ST proveen el calentamiento,

enfriamiento y accionamiento mecánico,

necesarios para el funcionamiento de los

procesos industriales


Campo de Aplicación

Las industria en donde se puede usar energía solar para suministrar calor de proceso son, entre otras:

Alimentos

Agrícola y Forestal (secado)

Minería

Textil

Procesos químicos

Papelera


Ejemplos de Sistemas Energéticos

Industriales

Generación de vapor

Calentadores por combustión

Hornos

Secadores

Calcinación

Enfriamiento y refrigeración

Accionamiento mecánico

Compresores

Bombas

Ventiladores

Molinos

Generación eléctrica

Turbinas de vapor o gas

Cogeneración

Trenes de Intercambiadores de calor

Sistemas de recuperación de calor

Sistemas de conducción de líquidos o gases


Tecnologías de Captación Solar Disponibles

Planos

Parabólicos compuestos CPC

Canales parabólicos


Canal Parabólico


Canal Parabólico y CPC


Eficiencia de un Colector Solar

daSuministraEnergía

ÚtilEnergíaEficiencia


Eficiencia de un Colector Solar


Eficiencia de Colección


Disponibilidad de Energía Solar vs. Demanda del Proceso

Herramientas Computacionales

Se requiere analizar el comportamiento de

múltiples y complejos dispositivos

interconectados entre si, que comparten uno o

varios fluidos de trabajo

La disponibilidad de la fuente de energía es de

naturaleza continuamente variable

Se requiere incluir sistemas de control

Lo anterior requiere el uso forzoso de simulación

computacional en estados transitoriosDr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 21

TRNSYS en el mundo



Simulación en TRNSYS

Que es TRNSYS

Es un ambiente para la simulación de

sistemas ingenieriles en estados transitorios

Es utilizado mundialmente para la validación

de nuevos conceptos energéticos, desde

sistemas simples para el calentamiento de

agua, hasta sistemas completos para el

aprovechamiento de energías alternativas

(eólica, solar, fotovoltáica, etc.)


Que es TRNSYS

Tiene una estructura modular

El código fuente del cuerpo principal, así

como los modelos de sus componentes, es

suministrado con el programa

Cada componente se modela por separado y

se acopla a otros por medio de los valores de

sus variables de entrada y salida

Cada componente incluido en la librería ha

sido usualmente el producto de una tesis de

gradoDr. Ignacio R. Martín Domínguez Termodinámica 26

Que es TRNSYS

Se ha venido desarrollando desde 1975 en la

Universidad de Wisconsin Madison

El paquete se suministra con una librería

dotada de numerosos modelos (Types)

Se comercializan librerías adicionales

Se pueden desarrollar nuevos modelos

utilizando C, C++, Pascal, Fortran o

cualquier paquete que produzca librerías DLL


Que es TRNSYS

Se puede conectar con otros paquetes para

pre- o post-proceso, tales como Excel,

Matlab, EES y otros.

El paquete consta del “motor de cálculo

principal” y de varios programas adicionales

que preparan los datos requeridos por el

motor y presentan los resultados por el

obtenidos


TRNSYS Simulation Studio

Es la interface visual, en la cual se crean los

proyectos en un espacio de trabajo

Los componentes se arrastran desde la

librería y se depositan en el área de trabajo,

en donde se interconectan entre si


Creación de un proyecto


El motor de simulación

Está programado en Fortran y compilado a

una librería DLL

Toma la información del sistema a simular y

realiza su proceso, genera archivos de

resultados

Es básicamente un “resolvedor de sistemas

de ecuaciones”


Resultados

Los resultados obtenidos pueden ser mostrados

en forma gráfica en pantalla, o enviados a archivos

de texto para su posterior análisis


Agua caliente a 45°C

De 7 a.m. a 5 p.m

Durante todo el año

Un comedor industrial que requiere:

Descripción del Problema

TiCol

ToColTiHx

ToHxColectores

Solares

Bomba

de agua

Controlador

de flujo

Tanque de

almacena-

miento

térmico

Calentador

auxiliar

Alimentación

de agua

TiCol

ToColTiHx

ToHxColectores

Solares

Bomba

de agua

Controlador

de flujo

Tanque de

almacena-

miento

térmico

Calentador

auxiliar

Alimentación

de agua

Sistema de calentamiento de agua mediante energía solar

Sistema Propuesto

Implementación en TRNSYS TiCol

ToColTiHx

ToHxColectores

Solares

Bomba

de agua

Controlador

de flujo

Tanque de

almacena-

miento

térmico

Calentador

auxiliar

Alimentación

de agua

TiCol

ToColTiHx

ToHxColectores

Solares

Bomba

de agua

Controlador

de flujo

Tanque de

almacena-

miento

térmico

Calentador

auxiliar

Alimentación

de agua

Análisis del Sistema

Número de

Colectores

FlujoL / min · Colector

Consumo de aguaL/día

4 2 1000

6 4 2000

8 6 3000

Horario de Servicio

0

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Hora del día

En

cen

did

o (

0, 1)

Tiempo de Servicio

Variables

Calentador Auxiliar

Gas L.P.

Eficiencia

( % )Capacidad

Calorífica (MJ / kg)

Costo

($ / kg)

47.07 9.03 80

Análisis del Sistema

Periodo de Servicio Durante el Día

Simulación en TRNSYS

365 días/año

Consumos integrados cada 15 min

Condiciones Climáticas de la

Ciudad de Chihuahua

Comportamiento horario

1 y 2 de Agosto

Flujo por Colectores: 2 L / min por Colector

Número de Colectores: 6

Carga: 1000 L / día

Temperatura de Carga: 45°C

TAmbiente

ToCol TiHxToHx

Te

mpera

tura

(

°C

)

Radia

ció

n S

ola

r (

W /

m2

)

Radiación

SolarTiCol

1 y 2 de Agosto





ToCol TiHxToHx

Te

mpera

tura

(

°C

)

Radia

ció

n S

ola

r (

W /

m2

)

Radiación

SolarTiColTAmbiente

*Carga: 3,000 L / dìa, *4 L / min por colector, *8 Colectores

0

25

50

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100

125

150

175

200

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250

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31

Ja

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0

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20

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lor

de

En

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$ /

día

)

Energía Requerida (Carga) Energía Colectada por Día

Curva Ajustada con un

Polinomio de 4to Grado


*Carga: 3,000 L / dìa, *2 L / min por colector, *8 Colectores

0

25

50

75

100

125

150

175

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225

250

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de

En

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$ )

Energía Requerida (Carga)

Energía Colectada

por los Colectores

Energía Aportada por

el Calentador Auxiliar

*Carga: 2,000 L / día, *2 L / min por colector

0

25

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200

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250

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$ )Energía Requerida (Carga)

Energía Auxiliar

Energía Colectada


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QCol + QHx


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día

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Promedio Diario de

Energía Colectada

Suministro de

Energía Auxiliar


8 Colectores

8 Colectores6 Colectores

4 Colectores

4 Colectores

6 Colectores

1,000 L/día

Comportamiento Anual

Efecto del número de colectores


0

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Energía Colectada

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8 Colectores

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día

)

Promedio Diario de

Energía Colectada

Suministro de

Energía Auxiliar


8 Colectores

8 Colectores


3,000 L / día




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Promedio Diario de

Energía Colectada

Suministro de

Energía Auxiliar


8 Colectores


4 Colectores

4 Colectores

6 Colectores

Aún en el caso de la mínima carga (1,000 L/día) y

mayor número de colectores instalados (8), se requiere

suministrar calor auxiliar en el periodo invernal.


Caso límite

Total

Auxiliar

Total

Colectores

Q

Q

Q

QAhorro 1%100

Análisis Paramétrico

AHORRO (%)

Consumo

Colectores 1000 L/día 2000 L/día 3000 L/día

4 79.6 47.1 32.5

6 92.1 68.3 48.3

8 96.8 80.9 63.1

Total

Auxiliar

Total

Colectores

Q

Q

Q

QAhorro 1%100

Análisis Paramétrico

Resultados anuales

Se mostró, a partir de un caso de ejemplo, la evaluación técnica-

económica de un sistema que suministra CSP. Se muestra además que

es necesario el uso de un paquete de simulación numérica.

Con los resultados obtenidos en este trabajo se muestra que para

diseñar un sistema solar para calentamiento de agua se requiere contar

con información detallada del clima del lugar, las características técnicas

del equipo a utilizar (colectores, tanques), y los requerimientos precisos

del servicio esperado (temperatura del agua, consumo, horarios de uso).

Aun y cuando se tenga un elevado numero de colectores es necesario

contar con un suministro de calor auxiliar.

Con el aumento en el numero de colectores, el ahorro energético se

aproxima asintóticamente al 100%. Sin embargo el costo del sistema

aumenta simultáneamente.

Para optimizar el diseño se requiere simular también los costos, y

conocer la vida útil del sistema.

Conclusiones

El efecto del flujo en los colectores tiene muy poca relevancia

Se recomienda desarrollar corridas con un mayor numero de consumos

de agua, de colectores solares y de dimensiones del tanque de

almacenamiento térmico.

Para hacer un análisis más fino, es recomendable tomar variaciones del

consumo diario.

Dentro del trabajo futuro se incluirá un análisis de costo inicial, costo de

operación y vida útil.

Conclusiones

Diseño y Optimización de Sistemas Termosolares utilizando...

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