TALLER DE ENERGÍA SOLAR INER 2013 - iner.gob.ec · Instalación solar compacta para producción de...
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TALLER DE ENERGÍA SOLAR
INER 2013
ESPE
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA
ENERGÉTICA (GTER-ESPE)
APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
COMO ALTERNATIVA PROMISORIA PARA GALÁPAGOS
AUTOR: JOSÉ GUASUMBA
INVESTIGADOR
ÁREA DE ENERGÍAS RENOVABLES
PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013
1. Consideraciones generales de la energía solar
2. Técnicas de determinación del recurso solar
3. Aplicaciones de baja temperatura
4. Aplicaciones de media y alta temperatura
5. Conclusiones
CONTENIDO
- RENOVABLE (Edad: 5000 Maños, Pérdidas de 4,3 Tn/s, 6000 Maños reducción de un 10% su masa) - SOSTENIBLE - DISPERSA --- SOLIDARIA -ALEATORIA
- DENSIDAD ENERGETICA (15·1017 kWh/año)
Potencia: 0 - 1000 W/m2; - Energía diaria: 4 - 6 kWh/m2·día
- DIURNA
- CONSIDERACION SOCIAL - ESTRUCTURA DE COSTES
- TECNOLOGIAS SOLARES
1. CONSIDERACIONES GENERALES DE LA ENERGÍA SOLAR
ZONAS CLIMATICAS
Zona climática MJ/m2 kWh/m2
I H < 13,7 H < 3,8
II 13,7 < H < 15,1 3,8 < H < 4,2
III 15,1 < H < 16,6 4,2 < H < 4,6
IV 16,6 < H 18,0 4,6 < H < 5,0
V H > 18,0 H > 5
2. TÉCNICAS DE DETERMINACION
DEL RECURSO SOLAR LOCAL
-Instrumentos de medición
-Datos de satélite
-Anuarios meteorológicos
-Software
-Modelos matemáticos
-Mapas
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN:
HELIÓGRAFO ESPE
El HELIÓGRAFO 240-1070-L Campbell-Stokes: Utiliza una esfera de cuarzo que concentra la radiación solar directa en un punto, que se desplaza a lo largo de un cartón, quemando su superficie, este instrumento permite determinar las horas de sol pico (HSP) o la insolación diaria.
PIRANÓMETRO PARA MEDIR
RADIACIÓN DIFUSA ESPE
Exactitud: 2%
Rotación del aro de ajuste
de latitud: 0-60°
Declinación: ±25 °
Ancho de la banda
cobertor: 76mm
Diámetro del aro cobertor:
635 mm
Montaje: sobre plataforma
Niveles de ajuste: 3
Tamaño: 26”x29”x23”
Peso: 86 lbs
COMPONENTES DEL MEDIDOR DE
RADIACIÓN DIFUSA ESPE
Ajuste de latitud
Escala relativa
Mirilla de calibracion
NIVELACIÓN DEL PIRANÓMETRO ESPE
Nivelación de plataforma
Puerto de datos a la PC
Perillas de nivelación
PIRANÓMETRO PARA MEDIR RADIACIÓN
DIRECTA: CARACTERÍSTICAS ESPE
Movimiento de seguimiento solar en un solo eje.
Permite la calibración del ángulo solar (más/menos 25°)
Calibración de Latitud de 0° a 90°
Nivel de burbuja de agua para ubicación horizontal del
equipo.
Motor que gira 15 grados cada hora.
Los datos se descargan directamente en la computadora.
Voltaje 8.13x10-6 V/Wm-2
Voltaje de Operación 120V, 60 Hz
PIRANÓMETRO PARA MEDIR
RADIACIÓN GLOBAL ESPE
• Rango espectral: (50% puntos) 310 a 2800 nm
• Sensibilidad (micro V/W/m2): 5 – 15
• Tiempo de respuesta (95%) < 18 s
• No linealidad (0 – 100 W/m2): 2.5%
• Máxima irradiancia: 2000 W/m2
• Rango: 180 grados
TÉCNICAS ALTERNATIVAS DE DETERMINACIÓN DE
LA RADIACIÓN SOLAR LOCAL
ESPE
Datos de satélite: NASA, 3TIER
Software: Isocad, (Marina Rosales-Isofotón)
Anuarios meteorológicos
Mapas del INAMHI
Interpretación del entorno, micro climas
Método de Page
Transformación de datos de radiación solar sobre
superficie horizontal para superficie inclinada: ISF,
JUTGLAR, DUFFIE - BECKMAN
3. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR
TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA
-Agua caliente sanitaria ACS para viviendas
- Climatización de piscinas
- Calefacción
- Secado de frutas y granos
- Desalinizadores de agua de mar
- Climatización de biorreactores
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE
LOS COLECTORES PLANOS
Una instalación solar térmica esta constituida por un
conjunto de componentes encargados de realizar las
funciones de captar la radiación solar, transformarla
directamente en energía térmica cediéndola a un
fluido de trabajo(agua, aceite térmico)
Por último hay que almacenar dicha energía térmica
de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo
de los captadores, o bien transferirla a otro, para
poder utilizarla después en los puntos de consumo.
Dicho sistema se complementa con una producción
de energía térmica por sistema convencional auxiliar
que puede o no estar integrada dentro de la misma
instalación. Este sistema convencional de producción
de energía puede ser un termo eléctrico, un
generador alimentado por fuel oil.
SISTEMA AUXILIAR
INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA VIVIENDA
Los colectores
transforman la energía
solar en calor que se
puede utilizar para
disponer de agua
caliente sanitaria en una
vivienda
Instalación solar compacta para producción de agua caliente sanitaria.
Por cortesía de Wagner- Solar.
INSTALACIÓN SOLAR COMPACTA
COMPONENTES DEL COLECTOR PLANO
-Acumulador
-Colector
-Tubería de agua fría
-Tubería de agua
caliente
Aplicación: ACS para 3
personas
Paneles solares térmicos
Se suelen emplear estos paneles planos en la aplicaciones
normales en edificios y viviendas (calefacción, duchas,
lavabos, cocinas, agua caliente para piscinas), donde la
temperatura no es necesario que sea superior a 70-100 °C .
Pueden utilizarse también en aplicaciones con
concentración solar donde se alcanzan temperaturas mucho
mas altas. Pero lo normal es lo que indicamos en el primer
párrafo.
La industria fabricante de este tipo de paneles esta muy
desarrollada, por lo que los paneles ofrecen una larga
duración (mas de 25 años) y un alto rendimiento térmico (70
al 90 %).
Principio de funcionamiento de un colector térmico de
tubos.
Fuente: Energy Group.
COLECTOR DE TUBOS AL VACÍO
(JOSE GUASUMBA,2012)
Criterio de la demanda Litros de ACS/ día a 60 °C
Viviendas unifamiliares 30 por persona
Viviendas multifamiliares 22 por persona
Hospitales y clínicas 55 por cama
Hoteles de 4 estrellas 70 por cama
Hoteles de 3 estrellas 55 por cama
Hotel/Hostal (2 estrellas) 40 por cama
Camping 40 por emplazamiento
Hostal/Pensión (1 estrellas) 35 por cama
Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 55 por cama
Vestuario/Duchas colectivas 15 por servicio
Escuelas 3 por alumno
Cuarteles 20 por persona
Fabricas y talleres 15 persona
Administrativos 3 por persona
Gimnasios 20 a 25 por usuario
Lavanderías 3 a 5 por kilo de ropa
Restaurantes 5 a 10 por comida
Cafeterías 1 por almuerzo.
CRITERIOS DEL CONSUMO DE ACS
Instalación con paneles
solares termodinámicos
para la producción de
agua caliente sanitaria y
calefacción.
Fuente: Solar PST.
APLICACIONES MÚLTIPLES DE LA ENERGÍA SOLAR
SISTEMA DE ACS DE PRODUCCION NACIONAL
Volumen de acumulación: 240 litros
Potencia: 2000 Wt
Inclinación de la instalación: 25 °
ACS para 6 personas
Rendimiento: 50-60%
Temperatura agua: 55-65 °C
Fuente: ESPE, (Guasumba, 2011)
SISTEMA DE ACS PARA PRODUCCIÓN
EFICIENTE DE BIOGÁS
Volumen de sustrato: 700 litros
Volumen de ACS: 300 litros
Inclinación de la instalación: 20 °
Numero de colectores: 6
Presión biogás:80PSI
Temperatura sustrato: 26 °C
Rango mesofílico
Temperatura del agua: 32-40°C
Año de fabricación: 2003
Fuente: CICTE, (Guasumba,2003)
BOTELLA PLÁSTICA COMO
CAPTADOR DE RADIACIÓN SOLAR
-Potencia útil: 12 Wt
-Área: 0.02 m² la de 1.35 litros
- Vida útil: 25 años sometidas a
tensiones térmicas que le
producen fragilidad
-Período de descomposición del
PET: 100-1000 años en
condiciones ambientales
moderadas
CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO
Calentador solar ecológico
Volumen: 135 litros
Temperatura: 55 °C
Suministro de ACS: 3 personas
Aislamiento: Pasto seco CHF 12%
Bombeo de agua: ESFV
Amperaje: 2.5 A
Voltaje: 12 V
Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)
CALENTADOR SOLAR DE ACS ECOLÓGICO
EN ESPIRAL SOBRE PARABOLOIDE
Calentador solar ecológico
Volumen: 500 litros
Temperatura: 55 °C
Suministro de ACS: 30-50 Personas
Aislante: Pasto seco
Bombeo: ESFV
Amperaje: 2.5 A
Voltaje: 12 V
Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)
DESALINIZADOR DE AGUA DE MAR
Datos técnicos:
Producción: 4 Litros por día
Área: 1 m2
Temperatura: 45 °C
Cubierta: Vidrio templado 4 mm
Recipiente: Acero AISI 304
Fuente: ESPE, (Guasumba,2007)
5. APICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR TERMICA
DE MEDIA Y ALTA TEMPERATURA
1. Espejos parabólicos
2. Lentes de Fresnel
3. Helióstatos
4. Lentes compuestas
ESTADO DEL ARTE: CONCENTRADORES CP
Tecnología de máximo rendimiento
Próxima comercialización Aumento de fiabilidad
Reducción de costes
3 fabricantes / sistemas Tessera Suncatcher (SES) 25 kW
Cleanergy / SBP Eurodish 10 kW
Infinia Corp 3 kW
SISTEMA SOLAR DE
ALTA TEMPERATURA
0.50 – 0,60
Factor Coseno ( 20%)
Sombras ( 1%) Reflectividad Heliostatos ( 10%)
Bloqueos ( 1%) Transmisividad Atmosférica ( 5%)
Desbordamiento de Flujo ( 3%) Pérdidas en el Receptor ( 10%)
PERDIDAS
POTENCIA TERMICA NETA ( 50% – 60%)
POTENCIA QUE ENTRA AL SISTEMA
IRRADIANCIA x SUPERFICIE CAPTADORA
POTENCIA ELÉCTRICA NETA
( 15 – 20 % POTENCIA QUE ENTRA
AL SISTEMA )
SISTEMA DE CONVERSIÓN DE
POTENCIA
0.35
Autoconsumos ( 10% )
BALANCE DE RENDIMIENTOS TIPICOS
EN UNA PLANTA DE RECEPTOR CENTRAL
TECNOLOGIA NACIONAL:
COCINA SOLAR PORTATIL
-Potencia: 200 Wt
-Temperatura de cocción: 100 °C
-Temperatura sin carga: 250 °C
-Tiempo de cocción: 10 - 45 minutos
-Peso : 12 Kg
-Volumen de cocción: 2.5 Litros
-Vida útil: 20 años
-Tiempo de fabricación: 20 minutos
- Año producción: 2002
-Giro manual, 15° por hora
-Región de pruebas: Ecuador
-Emisiones: 0 gases contaminantes
CONCENTRADOR DE RADIACION SOLAR CON LENTE DE
AGUA-ECUADOR
APLICACIONES:
-Eliminación de residuos, con baja
emisión de contaminantes
-Esterilizar implementos quirúrgicos
-Tratamiento térmico de elementos
metálicos para reducir corrosión
-Vaporización del agua
-Desinfección de agua
-Cocción de alimentos
-Generación de electricidad por
accionamiento de motor STIRLING
MODELO MATEMATICO DE LA LENTE DE AGUA
2
2
OH
ac
n
nn
4
a
tsaLabcf
fFkHRT
Índice de Refracción:
Temperatura focal:
FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACION SOLAR
Datos técnicos:
Lente de agua y acrílico
Diámetro: 1m
Temperatura máxima: 650 °C
Irradiancia directa:1250 W/m²
Distancia focal: 2.5 m
Fuente: ESPE, (Guasumba,2010)
FOTOHIDROCONVERSION DE LA RADIACIÓN SOLAR
Datos técnicos:
Lente de agua y acrílico
Diámetro: 0.7 m
Fuente: ESPE, (Guasumba,2012)
5. CONCLUSIONES
1. Los combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural,
son deficitarios y contaminantes
2. Impacto ambiental, lluvia ácida, exterminio de especies
sensibles por aumento de temperatura media global
3. La única energía que tenemos disponible es la
energía solar( Asiain J., Sevilla-2003)
4. En Galápagos se deben aplicar las siguientes
tecnologías alternativas: ESFV para electrificación, CSP
para calentamiento de agua, desalinización del agua de
mar, calefacción de biorreactores para procesamiento
de desechos orgánicos y aguas servidas, eólica offshore
5. En el mediano y largo plazo: uso de energías renovables
del mar: Corrientes, olas, energía potencial oceánica.
TALLER DE ENERGÍA SOLAR
INER 2013
ESPE
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
José Guasumba
Investigador-Ecuador
(593) 999 832 736
PUERTO AYORA, 4 Y 5 de Julio de 2013