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Lección 001. “ENERGÉTICA SOLAR”0715 - INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICAMÁSTER EN INSTALACIONES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS EN EDIFICIOS Curso 2013-14 – Segundo semestreProfesor: Manuel Lucas MirallesDepartamento: Ing. Mecánica y Energía
CONTENIDOS:
1. La energía del sol
1.1 Radiación Solar
1.2 La constante solar
1.3 Efecto de la atmósfera
2. Geometría solar
2.1 Coordenadas solares
2.2 Hora solar – Hora civil
2.3 Irradiación sobre una superficie
3. Criterios de diseño del campo de colectores
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
El estudiante será capaz de entender el concepto de radiación solar
Sabrá definir el concepto de constante solar
Conocer los ángulos que definen la posición del sol
Distinguir entre hora civil y hora solar
Manejar la carta solar
Emplear los distintas opciones para conocer la radiación solar como datode partida para el diseño de instalaciones
Calcular las pérdidas por sombras de un campo de colectores
Calcular las pérdidas por orientación e inclinación
Calcular la distancia entre filas de captadores
1. LA ENERGÍA DEL SOL
RADIO = 700.000 kmMASA = 300.000 x MASA DE LA TIERRAEDAD = 5000 MILLONES DE AÑOS DISTANCIA MEDIA TIERRA-SOL = 150x106 kmPOTENCIA IRRADIADA = 4x1023 kW !!!!!
H + H + H + H --> He + 2 electrons + 2 neutrinos + energía
Nucleo: 15% vol, 40% masa90% En, 107 K, 105 kg/m3
Zona convectiva : 5000-6000 K, 10-5 kg/m3
Zona radiativa : 130000 K, 70 kg/m3
¿CUÁNTO TARDA LA ENERGÍA EN LLEGAR A LA TIERRA?
1.1 RADIACIÓN SOLAR
TEMPERATURA EFECTIVA ??
J.M. Pizazo (U.P.V.)
1.1 RADIACIÓN SOLAR
UV: 6,4% Visible:48% Infrarojo:45,6%
1.2 LA CONSTANTE SOLAR
24 R
W
S
WGSC
DISTANCIA TERRA-SOL = 150x106 km
POTENCIA IRRADIADA = 4x1023 Kw
)973.0cos(033.011367 NGSC N : DÍA JULIANO
1.2 LA CONSTANTE SOLAR
Irradiación diaria extraterrestre para el día medio de cada mes en el hemisferio Norte
1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA
Reflexion
30%
Absorción (Atmosfera, mares, suelo)
47%
Evaporación
23%
producción de materia viviente
0.02%
Cirulación atmosferica y oceanica
0.2%
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
Luz + Clorofila
1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA
ALBEDO:= radiación reflejada por los cuerpos situados alrededor dela superficie sobre la que nos interesa calcular la radiación
Imax ≃ 1100 W
RADIACIÓN TOTAL = RADIACIÓN DIRECTA + RADIACIÓN DIFUSA
1.3 EFECTO DE LA ATMÓSFERA
2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL
ERES TAN VANIDOSO! TE COMPORTAS COMO SI TODO EL MUNDO GIRARA A TU ALREDEDOR
Nutación
Precesión
26000 años
Estrella Polar => Estrella Vega
19 años
23,5º ±9’2”
2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL
2.1 COORDENADAS SOLARES. MOVIMIENTO RELATIVO TIERRA-SOL
MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
= Declinación
A = Azimut
Coord. Horizontales
Coord. Ecuatoriales
h = Altura Solar
= Ang. Horario
= 15 (TSV-12)
TSV= Tiempo solar verdadero
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
Cenit
NS
As = Azimut
hs = Altura Solar
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
POSICIÓN DEL SOL = F(LUGAR, DÍA, HORA)
Duración del día!
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
Determina la altura solar y el acimut del sol el día 6 de junio a las 10 horas
solares en Madrid (40,42º N).
ENERO 0+día JULIO 181+día
FEBRERO 31+día AGOSTO 212+día
MARZO 59+día SEPTIEMBRE 243+día
ABRIL 90+día OCTUBRE 273+día
MAYO 120+día NOVIEMBRE 304+día
JUNIO 150+día DICIEMBRE 334+día
284N
25,365
360senº45,23
coscoscossensenhsen
hcoscos
senhsensenAcos Z
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
PARA VALENCIA 39,48º N
h_max= 90º-lat+dec
2.1 COORDENADAS SOLARES. ÁNGULO DETERMINANTES
CONSTRUCCIÓN DE LA CARTA SOLAR
EMPLEO DE LA CARTA SOLAR
EMPLEO DE LA CARTA SOLAR
EMPLEO DE LA CARTA SOLAR
Ej.3: Calcula la posición del sol el 21 de marzo a las 17 hr.
Ej.4: Calcula la posición del sol el 21 de octubre a las 11 hr.
Ej.5: Si el sol se encuentra en Az=-10º y hs=60º, ¿qué día delaño es?
2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) – HORA CIVIL
HCR: hora civil
LONGREF= -30º VERANO
LONGREF= -15º INV.
Et = Ecuación del tiempo
6060
4 EtLONGLONGHCRTSV
lugarref
)986.0º175(37.7)971.1º198(93.9 NsenNsenEt
2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) – HORA CIVIL
)2(sen04089,0)2cos(014615,0
)(sen032077,0)cos(01868,0000075,0
60
2,229E
DD
DD
t
1N365
360D
2.2 HORA SOLAR (TIEMPO SOLAR VERDADERO) – HORA CIVIL
Ej.2: Considerando un lugar situado en la provincia dePontevedra con una longitud geográfica de 8º 39´ Oeste ¿Quéhora marcará el reloj en el instante de mediodía solar un 19 deNoviembre?
Ej.1: Determinar la hora solar verdadera cuando el reloj marcalas 13 h del 22 de julio para Sevilla ciudad. La ciudad de Sevillaestá a 5º 41´ al oeste del meridiano de Greenwich.
EMPLEO DE LA CARTA SOLAR. SOMBRAS
45º
CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL
VI.1 Introducción
El presente Anexo describe un método de cálculo de las pérdidas de radiación solar queexperimenta una superficie debidas a sombras circundantes. Tales pérdidas se expresancomo porcentaje de la radiación solar global que incidiría sobre la mencionada superficie,de no existir sombra alguna.
VI.2 Procedimiento
El procedimiento consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a lasuperficie de estudio con el diagrama de trayectorias aparentes del Sol. Los pasos a seguirson los siguientes:
VI.2.1 Obtención del perfil de obstáculos
Localización de los principales obstáculos que afectan a la superficie, en términos de suscoordenadas de posición azimut (ángulo de desviación con respecto a la dirección Sur) yelevación (ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal). Para ello puede utilizarseun teodolito.
Representación del perfil de obstáculos
Representación del perfil de obstáculos en el diagrama de la figura 8, en el que se muestra labanda de trayectorias del Sol a lo largo de todo el año, válido para localidades de la PenínsulaIbérica y Baleares (para las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12° en sentido verticalascendente). Dicha banda se encuentra dividida en porciones, delimitadas por las horas solares(negativas antes del mediodía solar y positivas después de éste) e identificadas por una letra yun número (A1, A2,... D14).
CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL
VI.2.3 Selección de la tabla de referencia para los cálculos
Cada una de las porciones de la figura 8 representa el recorrido del Sol en un cierto períodode tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinadacontribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de estudio. Así,el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta pérdida deirradiación, en particular aquélla que resulte interceptada por el obstáculo. Deberáescogerse como referencia para el cálculo la tabla más adecuada de entre las que se incluyenen este Anexo.
VI.2.4 Cálculo final
La comparación del perfil de obstáculos con el diagrama de trayectorias del Sol permitecalcular las pérdidas por sombreado de la irradiación solar global que incide sobre lasuperficie, a lo largo de todo el año. Para ello se han de sumar las contribuciones de aquellasporciones que resulten total o parcialmente ocultas por el perfil de obstáculos representado.En el caso de ocultación parcial se utilizará el factor de llenado (fracción oculta respecto deltotal de la porción) más próximo a los valores: 0,25; 0,50; 0,75 ó 1.
CÁLCULO DE SOMBRAS. DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS DEL SOL
CÁLCULO DE SOMBRAS. EJEMPLO 1
C/ Mayor
C/
La P
az
30º
S
HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA
GENERALIDADES
EXIGENCIAS
CÁLCULO
MANTENIMIENTO
2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA
GENERAL 10% 10% 15%
SUPERPOSICION 20% 15% 30%
INTEGRACION ARQUITECTONICA 40% 20% 50%
PERDIDAS LIMITE ADMISIBLES POR INTEGRACION EN EDIFICIO
CASOORIENTACION e
INCLINACIONSOMBRAS TOTAL
En todos los casos se han de cumplir que las perdidas por orientación, inclinación, sombras y totales sean inferiores a los limites estipulados respecto a los valores óptimos sin sombra.
CTE
HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA
GENERALIDADES
EXIGENCIAS
CÁLCULO
MANTENIMIENTO
CTE2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA
GENERAL
HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA
GENERALIDADES
EXIGENCIAS
CÁLCULO
MANTENIMIENTO
CTE2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA
SUPERPOSICION: cuando los captadores secolocan paralelos a la envolvente del edificio.
No se consideran los módulos horizontales, con el fín de favorecer su autolimpieza
HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA
GENERALIDADES
EXIGENCIAS
CÁLCULO
MANTENIMIENTO
CTE2.1 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA
INTEGRACIÓN ARQUITÉCTONICA: cuando loscaptadores cumplen una doble función, energética yarquitectónica (revestimiento, cerramiento osombreado) y, además, sustituyen a elementosconstructivos convencionales o son elementosconstituyentes de la composición arquitectónica.
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
iII un cos
)cos(__ hDnD II
2/))cos(1(__ hDifnDif II
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
El objeto de este Anexo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los
captadores de acuerdo a las pérdidas máximas permisibles.
Las pérdidas por este concepto se calcularán en función de:
– Ángulo de inclinación, b, definido como el ángulo que forma la superficie de los
captadores con el plano horizontal (figura 4). Su valor es 0° para captadores
horizontales y 90° para verticales.
– Ángulo de azimut, , definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano
horizontal de la normal a la superficie del captador y el meridiano del lugar Valores
típicos son 0° para captadores orientados al Sur, –90° para captadores orientados al
Este y +90° para captadores orientados al Oeste.
Procedimiento
Habiendo determinado el ángulo de azimut del captador, se calcularán los límites de inclinaciónaceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecida. Paraello se utilizará la figura 6, válida para una la latitud ( N) de 41°, de la siguiente forma:
1) Conocido el azimut, determinamos en la figura 6 los límites para la inclinación en el caso F = 41°.Para el caso general, las pérdidas máximas por este concepto son del 10 %, para superposición, del20 % y para integración arquitectónica, del 40 %. Los puntos de intersección del límite de pérdidascon la recta de azimut nos proporcionan los valores de inclinación máxima y mínima.
CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
Si no hay intersección entre ambas, las pérdidas son superiores a las permitidas y la
instalación estará fuera de los límites. Si ambas curvas se intersectan, se obtienen los
valores para latitud F = 41° y se corrigen de acuerdo con lo que se cita a continuación.
Se corregirán los límites de inclinación aceptables en función de la diferencia entre la
latitud
del lugar en cuestión y la de 41 °, de acuerdo a las siguientes fórmulas:
Inclinación máxima = inclinación ( N = 41°) – (41° – latitud);
Inclinación mínima = inclinación ( N = 41°) – (41° – latitud); siendo 5° su valor mínimo.
En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará la siguiente
fórmula:
Pérdidas (%) = 100 × [1,2 × 10–4 ( b – bopt)2 + 3,5 × 10–5 2] para 15° < b < 90°
Pérdidas (%) = 100 × [1,2 × 10–4 (b – bopt)2] para b< 15
CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
HE4 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA
GENERALIDADES
EXIGENCIAS
CÁLCULO
MANTENIMIENTO
CTEPÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN
βóptimo=Latitud (Demanda constante anual)
βóptimo=Latitud + 10º (Demanda preferente en invierno)
βóptimo=Latitud - 10º (Demanda preferente en verano)
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
MODELOS: Iqbal, Difusión Isótropica, Collares-Pereira,…
CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
Ej.: Determinar el ángulo de inclinación máximo y mínimo en elque se puede instalar un captador en Alicante, si su azimut es-30º. Caso 1: General y Caso 2: Superposición arquitectónica.
Ej.: Evaluar si las pérdidas por orientación e inclinación delcaptador están dentro de los límites permitidos para unainclinación de tejado de 15º hacia el oeste y con una inclinaciónde 40º respecto de la horizontal, para una localidad delarchipiélago canario (lat: 29º)
CÁLCULO DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
¿DÓNDE HAGO EL CÁLCULO DE SOMBRAS?
¿CÓMO AFECTAN LAS PÉRDIDAS DE
ORIENTACIÓN Y SOMBRAS AL
CÁLCULO?
INCLINACIÓN : CONSIDERADAS EN E. DISPONIBLE
SOMBRAS : REDUCIR ENERGÍA DISPONIBLE !
ORIENTACIÓN: REDUCIR EN E. DISPONIBLE !
¿HABRÁ CAMBIADO EL Nº DE CAPTADORES
NECESARIO?
MÉTODO ITERATIVO DE CÁLCULO
CÁLCULO DE SUPERFÍCIE
DISPOSICIÓN CAPTADORES
CÁLCULO DE PÉRDIDAS
DISTANCIA MÍNIMA ENTRE FILAS DE CAPTADORES
La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y unobstáculo, de altura h, que pueda producir sombras sobre la instalación deberágarantizar un mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio deinvierno. Esta distancia d será superior al valor obtenido por la expresión:
d = h / tan (61°– latitud)=k x h
Piranómetro EPPLEY 8-48 Pirheliómetro
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
DATOS HISTÓRICOS
MODELOS: Iqbal, Difusión Isótropica, Collares-Pereira,…
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
TABLAS:
TABLAS: Coeficiente Geométrico Rb en función de la inclinación para latitud 38º
TABLAS:
Ang En. Fe. Ma. Ab. Ma. Ju. Ju. Ag. Se. Ob. No. Di. R. Anual Inviern20 13.5 15.9 21.5 22.1 23.4 25.3 25.4 23.4 22.0 18.5 15.8 11.9 7161 2917
25 14.4 16.6 22.0 22.1 23.0 24.7 24.9 23.2 22.3 19.2 16.8 12.7 7260 3055
30 15.2 17.2 22.4 22.0 22.5 24.0 24.2 22.9 22.5 19.8 17.7 13.4 7316 3174
35 15.9 17.7 22.6 21.7 21.9 23.2 23.5 22.5 22.6 20.3 18.5 14.1 7331 3273
40 16.5 18.1 22.7 21.4 21.1 22.2 22.6 21.9 22.5 20.6 19.2 14.7 7302 3350
45 17.0 18.4 22.7 20.9 20.3 21.1 21.6 21.2 22.2 20.9 19.7 15.1 7232 3407
50 17.3 18.5 22.5 20.2 19.4 20.0 20.5 20.5 21.9 20.9 20.1 15.5 7120 3441
55 17.6 18.6 22.2 19.5 18.4 18.8 19.3 19.6 21.4 20.9 20.4 15.8 6967 3454
60 17.7 18.5 21.7 18.7 17.3 17.5 18.0 18.6 20.7 20.7 20.5 16.0 6775 3444
65 17.8 18.3 21.1 17.7 16.1 16.1 16.7 17.5 20.0 20.4 20.5 16.0 6545 3412
70 17.7 18.0 20.4 16.7 14.8 14.7 15.3 16.3 19.1 20.0 20.3 16.0 6279 3358
Alicante:
2.3 IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFÍCIE
TABLAS:
0
1
2
3
4
5
6
7
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Rad
iaci
ón
Glo
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0715 – INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
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