ENERGIA SOLAR TÉRMICA
IPN ESIME CULHUACAN KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. 10/18/2008
INDICE ABSTRACT
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1.‐ ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 3 2.‐ CUANTIFICACION DE LA ENERGIA SOLAR INCIDENTE 5 2.1.‐Software de cálculo PROSOLMEX‐1 6 2.2.‐Interpretación de los resultados 9 2.3.‐Efectos atmosféricos sobre la radiación 11 2.4.‐Ajustándose a las condiciones reales 12 2.5.‐Influencia de las condiciones climáticas en la captación de energía solar 14 2.6.‐Calculando con PROSOLMEX‐1 el recurso solar de la CD. de México 15 2.7.‐Efectos del clima y la contaminación 17 2.8.‐ Validando los resultados de PROSOLMEX‐1 18 2.9.‐ RETScreen International 19 2.10.‐ Utilizando RETSreen international 19 2.11.‐ Generalidades de RETScreen International 23 2.12.‐ Ventajas de PROSOLMEX‐1 sobre RETScreen International 24 3.‐ CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR 27 3.1.‐Colectores solares planos 27 3.2.‐ Colector solar no vidriado 28 3.3.‐ Colector solar vidriado 28 3.4.‐ Colector solar de tubos al vacio 28 4.‐DISEÑANDO UN COLECTOR SOLAR PLANO VIDRIADO PARA LA CIUDAD DE MÉXICO CON PROSOLMEX‐1 30 4.1.‐ Observaciones 30 4.2.‐ Parámetros de eficiencia de un colector solar 30 4.3.‐ PROSOLMEX‐1 en el diseño de un colector solar plano vidriado 32 CONCLUSIONES: 33 Apéndice 34 KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 1
ABSTRACT: ACCORDING WITH THE TWO BESIC QUESTIONS THAT IGSA POWER IS LOOKING FOR US TO RESOLVE AND EXPLAIN, I CAN SAY YES I DO, I HAVE AN IDEA TO GET REVERSE GLOBAL WARMING. THUS THE PRESENT WORK ESTABLISHES THE USE AND EXPLOITATION OF THE ENERGY THAT MOVES AND KEEPS ALIVE THE ENTIRE PLANET, THE SOLAR ENERGY. IN A SUMMARIZED WAY THIS PAPERS CONTAIN THE BESICS OF NATURE, QUANTIFICATION, AND COLLECTING OF THAT ENERGY, AND FINALLY THE APPLICATION OF THIS KNOWLEDGE IN THE DESIGN OF ONE OF THE TREE TYPES OF SOLAR THERMICAL COLLECTORS, THE FLAT SOLAR COLLECTOR. WHICH IS ACTUALLY NOW ON CONSTRUCTION AND AFTER THE PERFOMANCE TESTS WILL BE USE IT TO WARM THE WATER OF I.P.N. ‐ E.S.I.M.E. CULHUCAN GYM’S SHOWERS. RESUMEN: ALUDIENDO A LAS DOS PREGUNTAS GENERALES QUE IGSA POWER NOS PLANTEA RESOLVER Y EXPLICAR, PUEDO RESPONDER QUE SI, QUE SI TENGO UNA IDEA PARA REVERTIR EL CALENTAMIENTO GLOBAL. POR LO QUE EL PRESENTE TRABAJO ESTABLECE EL USO Y EXPLOTACION DE LA ENERGÍA QUE MUEVE Y MANTIENE CON VIDA AL PLANETA ENTERO, LA ENERGÍA SOLAR. EN FORMA CONCISA DURANTE ESTAS HOJAS SE DISCUTE SOBRE LA NATURALEZA, CUANTIFICACIÓN Y RECOLECCION DE DICHA ENERGÍA, Y FINALMENTE LA APLICACIÓN DE ESTE CONOCIMIENTO EN EL DISEÑO DE UNO DE LOS TRES TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS, EL COLECTOR SOLAR PLANO. EL CUAL DE HECHO ESTA EN FASE CONSTRUCCTIVA Y UNA VEZ HABIENDOLE HECHO PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO SERA INSTALADO EN LAS INMEDIACIONES DEL GIMNASIO DE LA ESIME CULHUACAN DEL I.P.N., CON EL FIN DE CALENTAR EL AGUA DE LAS DUCHAS.
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1.‐ ENERGIA SOLAR TÉRMICA En si la fuente de dicha energía, en este caso el sol, es la misma; pero la diferencia radica en el proceso que se habrá de llevar a cabo para aprovecharla. Básicamente existen dos categorías, la primera y más comúnmente conocida es aquella denominada energía solar fotovoltaica, cuyo objetivo es la obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos o celdas solares. (Figura 1.1).
Figura 1.1 Panel solar fotovoltaico.
Ahora bien la naturaleza de funcionamiento de los paneles fotovoltaicos no aprovecha necesariamente el efecto térmico de rayos solares (aumento de la temperatura) sino la energía que lleva consigo la radiación electromagnética (los fotones) que a decir del espectro solar electromagnético, únicamente aquellos fotones con vibrando a longitudes de onda corta (más energéticos) son capaces de provocar un desprendimiento y flujo de electrones en las terminales de las placas de silicio, material del cual normalmente se construyen los paneles. Lo anterior quiere decir que utilizando silicio no podemos aprovechar toda la energía del espectro solar, sino solo aquella cuya longitud de onda sea menor 1.1μm, o sea aprovechamos parte de la luz ultravioleta, todo el espectro visible y una pequeña parte de la infrarroja.
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Lo anterior explica que del total de energía solar incidente sobre un panel solar (aunado a otros factores), únicamente hasta el momento se ha logrado aprovechar y convertir en energía útil sólo de un 15 a 25% (figura 1.2).
Figura 1.2 Balance de pérdidas en una celda fotovoltaica.
En la segunda categoría esta la energía solar térmica que como su nombre lo indica aprovecha aquellas longitudes de onda del espectro solar capaces de generar un aumento de temperatura sobre una superficie. Dichas longitudes de onda corresponden a una parte del rango de luz ultravioleta, toda la luz visible y toda la luz infrarroja (figura 1.3).
Figura 1.3 Espectro electromagnético.
Traduciendo lo anterior tenemos que del total de energía solar incidente, es posible aprovechar de un 40 a 70%. Esto con la finalidad de, ya no generar un flujo de electrones, sino calentando un fluido de trabajo, como lo son en la práctica el agua, aire, glicol, etc. KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 4
2.‐ CUANTIFICACION DE LA ENERGIA SOLAR INCIDENTE Este capítulo constituyo durante mi trabajo de tesis, uno de los temas más complicados, no ya por su complicidad, sino por la escases de material bibliográfico en las bibliotecas y datos sobre irradiación solar sobre suelo mexicano que en un principio batalle por conseguir. Sin embargo una vez hecha la búsqueda fue en suma satisfactorio encontrar fórmulas y ecuaciones para calcular desde la hora del amanecer y anochecer para cualquier día del año, hasta la inclinación del eje terrestre de rotación con relación al plano de su órbita elíptica para cualquier época del año. Averiguar cuantas horas dura un día de invierno en Canadá, siendo para Vancouver de unas 6 horas mientras que al mismo tiempo para Brasil resultaría más del doble, dado que cuando en el hemisferio norte es invierno, en el sur es primavera y viceversa (figura 2.1)
Figura 2.1 Estaciones del año para el hemisferio norte en función de la cantidad de radiación incidente.
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Una vez entendido lo anterior y con las ecuaciones ya disponibles me di cuenta que lo consecuente era realizar un programa o mejor dicho un software que calculase todo lo que hasta el momento llevaba, fue entonces cuando empecé a realizar en hoja calculo de Excel el programa al que nombré PROSOLMEX‐1. 2.1.‐Software de cálculo: La descripción más adecuada para dicho software y que mejor menciona sus funciones, es el de programa de cálculo del recurso solar nacional e internacional sobre superficies planas ya sean estas horizontales o inclinadas, proporcionando valores de irradiación en promedios mensuales y por intervalos horarios para cualquier día del año. Hasta este punto resultaría indistinto la forma en que se quiera aprovechar el recurso solar calculado por PROSOLMEX‐1, pues en esta parte del programa, los datos proporcionados son útiles tanto a personas interesadas en el desarrollo de paneles solares fotovoltaicos o colectores solares térmicos, dado que expone únicamente la fracción de energía solar aprovechable sobre la región de interés del proyecto solar a realizar. Además PROSOLMEX‐1 nos da la posibilidad de, una vez conocidos los recursos solares de cierta región, diseñar un colector solar térmico del tipo plano, proporcionándonos la eficiencia de dicho colector en función de los materiales que hayamos elegido para construirlo, como lo son el tipo de cristal; especiales de alta transmitancia o estándar, el tipo de aislamiento, el tipo de material para construir la placa colectora, distancia de la separación entre tubo y tubo de dicha placa, diámetro de los tubos, espesor de la lámina para construir la placa colectora, caudal circulante del fluido de trabajo dentro del colector, etc. (figura 2.2). 1.‐ Cubierta de vidrio. 2.‐ Placa absorbedora. 3.‐ Tubería de circulación del fluido de trabajo. 4.‐Cabezales de alimentación y descarga del fluido de trabajo. 5.‐ Aislante térmico. 6.‐ Caja del colector. 7.‐ Marco del colector. Figura 2.2 Partes del colector solar térmico del tipo plano.
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A continuación muestro uno de los extractos de mi trabajo de titulación para demostrar el funcionamiento y utilidad de PROSOLMEX‐1 en base a uno de los ejercicios y/o problemas resueltos a lo largo de la tesis: Ejercicio 1‐3.‐ Para una latitud de 40°N durante el mes de noviembre encontrar el promedio diario mensual de irradiación extraterrestre en una superficie horizontal.
Inclinación a 0° por ser una superficie horizontal la del ejemplo
Angulo de declinació
Irradiación extraterrestre aparente
Resultado para una superficie horizontal, caso del ejemplo
Tabulación mensual Resultado para el mes de noviembre
Figura 2.3 Resultado de la radiación incidente sobre una superficie horizontal ‐ Software PROSOLMEX‐1
En lo referente a la naturaleza extraterrestre de la radiación calculada, significa que para dichos resultados no se toman en cuenta los efectos de la atmosfera terrestre, pues es bien sabido que ésta afecta de forma apreciable a la radiación incidente, tal como lo indica la figura 2.4. En donde vemos que la línea punteada representa la porción de radiación (ultravioleta, luz visible e infrarroja) que logro penetrar la atmosfera sin ser absorbida por esta última.
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Vale la pena mencionar que gracias a este efecto, radiaciones nocivas para la vida en el planeta, como lo es la radiación ultravioleta de menor longitud de onda y por lo tanto más energética (UV‐B y UV‐C), es también absorbida en este caso por un componente de la atmosfera mejor conocido como la capa de ozono.
Figura 2.4 Fracción del espectro solar que es absorbido por la atmosfera
Ejercicio 1‐4.‐ Para el ejercicio 1‐3 supóngase ahora una inclinación de la superficie de 60° por arriba de la horizontal. Calcule el promedio diario durante el mismo mes de irradiación extraterrestre sobre dicha superficie.
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Inclinación a 60° por ser una superficie inclinada la del ejemplo 1‐4
Resultado de inclinar la superficie para el ejemplo 1‐4
Figura 2.5 Resultado de la radiación incidente sobre una superficie Inclinada ‐ Software PROSOLMEX‐1
2.2.‐Interpretación de los resultados: Es notorio el efecto que se tuvo, al inclinar la superficie 60° en relación con la cantidad de radiación incidente, obteniendo casi el doble comparándola con una horizontal. Es entonces, que aunque el programa nos arroje valores para regiones idealizadas en cuanto a la ausencia de atmosfera o en otras palabras, extraterrestres, nosotros podemos deducir que para optimizar la incidencia de energía solar sobre una superficie, es necesario inclinarla ciertos grados según la época del año. Si nuevamente miramos la tabulación por meses de la figura 2.5, para las dos últimas columnas observaremos la diferencia de energía incidente para una superficie horizontal (R.Hz) y una superficie inclinada (R. Inc). Los colores cálidos en alguna de las dos columnas (rojizos) simbolizan un aumento de la incidencia de radiación solar, en relación con los colores fríos (azulados) de la otra columna. En donde se demuestra que no necesariamente la inclinación que mantiene la superficie del ejemplo anterior durante Noviembre (60°) será la idónea durante los meses de primavera y verano (de Mayo a Agosto) si lo que se busca es una mayor
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incidencia radiación solar. En donde incluso conviene mantener la superficie lo mas horizontal posible. Manejando estos valores, y aprovechando la elocuencia con la que las gráficas hacen comprensibles la interpretación de los resultados, es posible elaborar una en la que se muestren los datos de incidencia de la radiación en función de varias inclinaciones posibles de la superficie o colector, así coma también su comportamiento a lo largo del año, tal como lo vemos en la figura 2.6, la cual ya nos muestra valores de radiación incidente para una latitud de 19.32°, siendo esta la latitud de la ciudad de México.
Figura 2.6 Incidencia de la radiación incidente sobre una superficie en la CD de México ‐ Software PROSOLMEX‐1
Las curvas de la gráfica se pueden ahora interpretar con facilidad, por ejemplo la correspondiente a una inclinación de 0° (curva verde), es decir horizontal. Se aprecia que durante los meses más fríos del año, de septiembre a marzo (correspondientes a las estaciones de otoño e invierno) los niveles de incidencia son mucho muy bajos, esto es porque el sol, además de durar menos tiempo en su recorrido sobre el firmamento, sale mucho más bajo en el horizonte en comparación con la altitud que alcanza en verano (figura 2.6). Si lo que buscamos es hacer incidir la mayor cantidad de energía radiante del sol sobre una superficie, lo que debemos hacer es mantener a dicha superficie y a los rayos solares en ángulo de 90° entre sí, o lo más cercano posible. Con esto la energía del sol incide plenamente sobre la superficie y esta última podrá, según sus cualidades de absorción, tener disponible sobre si la máxima cantidad posible. KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 10
Figura 2.7 Diferentes alturas del sol alcanzadas durante los meses del año
Entonces observando nuevamente la gráfica de la figura 2.6, al ir aumentando la inclinación (hacer más perpendicular el plano de la superficie con relación a los rayos del sol), se va mejorando la incidencia de radiación sobre la superficie hasta el punto de poder afirmar que con una inclinación de, por ejemplo, 30° durante el invierno para la ciudad de México, puede igualarse con las condiciones de incidencia en otra superficie, ahora horizontal, durante los meses más cálidos del año (mayo a agosto). 2.3.‐Efectos atmosféricos sobre la radiación: Si bien es cierto que hasta el momento el programa PROSOLMEX‐1 ha manejado resultados idealizados en cuanto a la carencia de atmosfera, es decir la ausencia de la capa de ozono, gases como el oxigeno, nitrógeno, hidrogeno y otros; que como se indicó, estos no sólo absorben parte de la energía radiante proveniente del sol, sino que también la dispersan, cambiando la dirección de los rayos solares que originalmente viajaban paralelamente entre sí, dando lugar a la llamada radiación difusa (figura 2.8).
Figura 2.8 Radiación Directa y Difusa
La figura 2.8 muestra las dos componentes, directa y difusa, en las que queda divida la radiación solar extraterrestre una vez atravesada la atmosfera, observamos que las nubes (hielo KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 11
y gotas de agua en suspensión) absorben y dispersan los rayos solares en todas direcciones, es por ello que durante una tarde nublada los objetos sobre la superficie no crean sombras, porque la luz proviene de todas direcciones (radiación difusa), en contraste con un día despejado, en donde los rayos solares no dispersos y paralelos entre sí (radiación directa) provocan sombras en todos los objetos. 2.4.‐Ajustándose a las condiciones reales: Numerosos investigadores, así como grupos e instituciones tanto nacionales como internacionales, han realizado mediciones de irradiación solar en distintas localidades de interés nacional, y gracias a estos valores es posible estimar con mucha más exactitud el potencial del recurso solar sobre, por ejemplo, la ciudad de México. Una de las primeras fuentes de información a las que tuve acceso, fueron los mapas de irradiación solar global (la directa mas la difusa) en la república mexicana (figura 2.9), publicación del “Instituto de Ingeniería de la UNAM” titulada “Ingeniería de la Energía Solar II1” escrito por el Dr. Rafael Almanza Salgado en Octubre del 2003.
Figura 2.9 Mapa de irradiación solar global para la república mexicana
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Los mapas de irradiación para la república mexicana del todo el año se anexan en el apéndice
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El mapa de la figura 2.8 muestra, a partir de mediciones locales, el promedio de la suma de las componentes directa y difusa, es decir la irradiación solar global para las principales ciudades de la república mexicana. Otra de mis fuentes de información y puntos de comparación con aquellos publicados por los investigadores de la UNAM, son los datos meteorológicos de satélite y estaciones en tierra disponibles por internet en la página de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y el Ministerio de Recursos Naturales del gobierno de Canadá (figura2.10).
Figura 2.10 Regiones en el mundo cuyos valores meteorológicos se encuentran disponibles y constante monitoreo
La información meteorológica de cada ciudad se despliega tabulada en valores representativos promediados mensualmente (figura 2.11) como lo son la temperatura del aire, la humedad relativa, la radiación solar diaria (global), la presión atmosférica, la velocidad del viento, entre otros.
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Figura 2.11 Datos meteorológicos para la ciudad de México, fuente: NASA
2.5.‐Influencia de las condiciones climáticas en la captación de energía solar: Igual que la distancia en grados de determinada ciudad al ecuador terrestre (latitud), influyen también las condiciones meteorológicas de la región así como los niveles locales de contaminación, para determinar cual ciudad tendría mejor recurso solar que otra. Lo anterior se puede entender mejor con el siguiente ejemplo: Para un sistema domestico de calentamiento de agua con una superficie efectiva de 6m2 de colectores solares planos, la demanda diaria es de 300 Litros de agua a 60°C, la aportación solar de la energía total requerida es: KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 14
Fuente: Ministerio de Recursos naturales de Canadá (www.retscreen.net)
La tendencia lógica es hallar mayor potencial solar en regiones más cercanas al ecuador, puesto que se acercan más a los trópicos, los días duran más y el sol alcanza mayores altitudes (en el ecuador todos los días y noches del año son de 12 horas). Sin embargo aquí entra también en juego el clima de la región, o lo que en otras palabras representa la nubosidad de la ciudad, por ejemplo en Be’er‐Sheva, Israel ubicada a 31° latitud norte aprovecha del sol el 75% de la energía requerida a pesar de estar más apartada del ecuador, de lo que lo están ciudades como Puerto Limón, Costa rica (10°N) o Jakarta, Indonesia (6°S) o Harare, Zimbabwe (18°S); cuya aportación solar en las dos primeras es de tan solo 59% y de 69% la tercera. Como referencia la ciudad de México se encuentra a 19.4° latitud norte. 2.6.‐Calculando con PROSOLMEX‐1 el recurso solar de la CD. de México: A continuación se presentaran una estimación tabulada mensualmente del recurso solar aprovechable en la ciudad de México, en donde se introducen los datos de radiación solar diaria local de la figura 2.10 provenientes de las estaciones satélites y en tierra de la NASA.
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Figura 2.12 Calculo de la radiación global incidente sobre el suelo de la ciudad de México, Fuente: PROSOLMEX‐1
Datos irradiación solar de satélite de la NASA
Resultados en J/m2 y en
KWh/m2
Graficando los valores de PROSOLMEX‐1 y comparando la ganancia de la energía solar incidente con una superficie horizontal:
Figura 2.13 Radiación incidente en superficies de 0 y 30° de inclinación respectivamente en la CD. de México.
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2.7.‐Efectos del clima y la contaminación: PROSOLMEX‐1 da la posibilidad de analizar el recurso solar de casi cualquier región del mundo, por lo tanto resultaría interesante conocer ahora el recurso solar de la ciudad de Puebla dada la cercanía de ésta con la ciudad de México (casi la misma latitud) y comparar cuales serían las diferencias en los niveles de incidencia de dos superficies idénticas instaladas una en cada ciudad a una inclinación de 30° sobre la horizontal.
Figura 2.14 Datos meteorológicos para la ciudad de Puebla, fuente: NASA
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Figura 2.15 Radiación incidente en una misma superficies a 30° en el D.F. y Puebla. Fuente: PROSOLMEX‐1
Las ciudades de México y Puebla tienen climas muy parecidos, temperaturas anuales de 16.9 y 16.5°C respectivamente. Están casi a la misma latitud, 19.4 y 19.1°N para el D.F. y puebla respectivamente; sólo hace falta echar un vistazo a las figuras 2.11 y 2.14 para ver sus similitudes. Por lo tanto puedo deducir que la explicación para el hecho de que incida más energía solar sobre una superficie en Puebla, se debe al menor nivel de contaminación de dicha entidad, que absorbe en menor cantidad la radiación solar. Por lo tanto habría que admitir que en Puebla de Zaragoza pega más el sol. 2.8.‐ Validando los resultados de PROSOLMEX‐1: Es de suponer que hasta el momento se tengan ciertas dudas en relación a la cercanía de los resultados y valores obtenidos con PROSOLMEX‐1, a los correspondientes con la realidad. Para poder determinar los valores reales a aquellos provenientes de condiciones analíticas se requiere poseer de aparatos de medición especiales, entre estos están los heliógrafos (miden la duración en horas de un día), pirheliómetros (mide la radiación directa), piranómetros (radiación directa, difusa y global), entre otros. Los cuales por su grado de especialización y costo son de difícil acceso. Por lo tanto para comparar de manera práctica y segura los valores que propone mi programa lo que hice fue buscar algún otro ya existente que contara con el aval de institutos de investigación nacionales e internacionales lideres en el tema. Y finalmente encontré el solfware RETScreen International.
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2.9.‐ RETScreen International: Creado por el Ministerio de Recursos Naturales del gobierno de Canadá en colaboración con la “Administración Nacional de aeronáutica y del Espacio” (N.A.S.A.), entre otras organizaciones internacionales especialistas en lo que a recursos renovables respecta (figura 2‐16). RETScreen International es un programa encaminado al desarrollo de proyectos en energías renovables, por lo que se abarca una amplia gama de aplicaciones, en tecnologías tales como la energía eólica, mini hidráulica, energía solar térmica y fotovoltaica, energía mareomotriz y de las olas, sistemas de biomasa, geotérmica, etc.
Figura 2.16 Socios y colaboradores de RETScreen International
El software RETScreen International es de distribución libre, tanto este como información de proyectos en energías alternativas en desarrollo o ya en funcionamiento, se encuentran disponibles en la página de internet www.retscreen.net . 2.10.‐ Utilizando RETSreen international: RETScreen es capaz de calcular la cantidad de radiación solar diaria total incidente IT sobre una superficie inclinada en la ciudad de México.
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Figura 2.17 Visualización inicial del retscreen international
El programa inicialmente pide, entre otras cosas, la descripción del proyecto y la selección de la ubicación donde habrá de llevarse acabo, una vez seleccionado lo último, aparecen datos como los mostrados en la figura 2.17. KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 20
RETScreen cuenta con una amplia base de datos, con los valores locales de irradiación total diaria‐mensual horizontal de una gran cantidad de ciudades alrededor del globo terráqueo (figura 2.10). En la segunda parte del programa se difinen las cararteristicas principales de la instalacion, como de tratarse de una alberca, los metros cuadrados de superficie de la misma, la temperatura deseada, alberca techada o al aire libre, uso de cubierta térmica, porcentaje del uso de la alberca por mes, entre otras cosas (figura 2.18).
Figura 2.18 Proyecto para climatizar el agua de una alberca semiolimpica con energía solar ‐ RETScreen international.
Finalmente RETScreen proporciona un dato muy valioso para el dimensionamiento de una instalación solar térmica, este es finalmente la cantidad de irradiación solar diaria total incidente IT sobre una superficie inclinada por metro cuadrado y en función del mes del año. Tal como se muestra a continuación.
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Inclinación en grados del colector Orientación en grados del colector (desviación con respecto al sur geográfico)
Figura 2.19 Energía solar incidente en sendas superficies horizontal e inclinada, retscreen international.
Comparando los resultados anteriores con los que PROSOLMEX‐1 maneja,
Figura 2.20 Energía solar incidente en una superficies inclinada 30°, PROSOLMEX‐1.
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en ambos resultados vemos que el porcentaje de variación no supera el 3.5% en el peor de los casos, tal como lo muestra la siguiente tabla. TABLA 1 Resultados para la IT de RETScreen International y PROSOLMEX-1
2.11.‐ Generalidades de RETScreen International: Es innegable el gran valor y potencial del software RETScreen International, primero porque no sólo abarca proyectos en energía solar térmica, sino una amplia gama de posibilidades energéticas en cuanto al uso de energías renovables respecta. Sin embargo el alcance de este programa abarca, a mi parecer, únicamente tres aéreas: 1. En base a las necesidades de consumo (residencial, comercial o industrial) ayuda a cuantificar la energía necesaria para satisfacer la demanda. 2. Una vez conocida la demanda, y también ya definida la alternativa energética (en nuestro caso la solar), te ayuda a seleccionar el equipo (proveedores comerciales) que mejor se ajuste a tus necesidades, con mejores prestaciones y menor costo (también realiza análisis financiero, de amortización, etc). 3. Contabiliza el monto de emisiones de gases efecto invernadero que se estarían evitando con el uso de energías renovables. Esto último, creo yo, es de gran valor pues es en esencia la misión de los institutos creadores de este software, es precisamente revertir los efectos del calentamiento global, sin frenar las actividades económicas a las que el ser humano del siglo XXI está comprometido.
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Continuando con el ejemplo de la alberca de la ESIME CULHUACAN, una vez conocida radiación solar sobre la superficie inclinada (potencial solar), se escoge de una variada lista de fabricantes de colectores solares el deseado.
Figura 2.21 Energía solar incidente en una superficies inclinada 30°, PROSOLMEX‐1.
Al tomar, en el ejemplo, un colector vidriado de la marca HELIOCOL modelo CR‐1202, automáticamente se cargan los valores característicos de dicho colector, como lo son las dimensiones y los parámetros térmicos de funcionamiento. El programa, a través de la figura propone la cantidad de colectores (HELIOCOL CR‐120) óptima para la aplicación (78 colectores), sin embargo el usuario puede elegir menos o más en función de su bolsillo (o del porcentaje obligatorio de energía aportada por fuentes no contaminantes regulado por las legislaciones locales), finalmente se muestra la fracción de energía que se obtendría del Sol (fracción solar 75% para el ejemplo), el 25% restante podrá ser suministrado por fuentes energéticas convencionales (figura 2.21). 2.12.‐ Ventajas de PROSOLMEX‐1 sobre RETScreen International: Seria natural afirmar que no tiene mucho sentido crear o trabajar en un programa, que hace lo mismo que los gratuitamente disponibles a todo público (por internet). La diferencia es que PROSOLMEX‐1 es un programa, que además de calcular lo que hasta el momento se ha visto, está también enfocado al diseño 2
Marca y modelo de colector comercialmente disponible en México.
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de colectores solares de tipo sin y con cristal; encontrándome actualmente desarrollando la parte para colectores de tubos al vacio (siendo estos últimos presentaciones constructivas de los colectores solares planos, ver capitulo 3, página 26). A continuación se muestran algunos datos de interés calculados por PROSOLMEX‐1:
Radiación incidente para de las 12 a 13hrs durante un día de octubre
Radiación absorbida por un colector con las características de una cubierta arriba descritas
Total de radiación incidente durante un día típico en octubre
Figura 2.22 PROSOLMEX‐1. Calculo de radiación horaria disponible y absorbida por un colector solar
En la figura 2.22 PROSOLMEX‐1 muestra la distribución horaria del total de la energía solar disponible y absorbida por un colector solar durante un día promedio de todos los del mes de octubre. Conociendo la distribución horaria podemos, por ejemplo, estimar durante que rango de horas convendrá tener operando los colectores, pues si la energía disponible no es la suficiente, podríamos estar operando, los colectores, como radiadores de calor3. En la siguiente figura se muestra los datos de la cantidad mensual de energía absorbida por el colector, donde cabe señalar que no es necesariamente energía útil, pues aunque se hable de 3
Siempre y cuando se tenga la instalación solar operando por circulación forzada.
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energía absorbida, aun falta conocer qué fracción de ésta podrá removerse del colector (por cualquier medio, agua, aire, refrigerante, etc.) y efectivamente convertirse así en energía útil.
Figura 2.23 PROSOLMEX‐1. Cálculo de radiación promedio mensual disponible y absorbida por un colector solar
La sección del PROSOLMEX‐1 dedicada al diseño de un colector solar plano vidriado se desarrolla durante el capítulo cuarto del presente trabajo.
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3.‐ CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR Hasta el capitulo anterior tratamos únicamente de la cantidad de energía solar incidente sobre una superficie, ahora dando un segundo paso, es necesario estimar qué fracción de total de energía incidente, es realmente captada y convertida en energía útil. 3.1.‐Colectores solares planos: Existen tres presentaciones constructivas para dichos colectores, las cuales se presentan en la siguiente figura: a)
b)
c)
Figura 3.1 Tipos de colectores solares planos a) no vidriado b) con vidrio c) de tubos al vacio
La diferencia entre los tres tipos constructivos radica, en la efectividad de la conversión de la energía captada en energía útil. Hablando precisamente de dicha efectividad se toman en cuenta tres factores, y estos son: 1. Qué cantidad de energía solar se tiene disponible por metro cuadrado en la zona donde se piensa instalar los colectores (potencial o recurso solar) KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 27
2. Del potencial solar de la región, cuanta energía solar es capaz de absorber el colector 3. De la cantidad de energía solar absorbida por el colector, qué fracción se convirtió en energía útil. 3.2.‐ Colector solar no vidriado: Este tipo de colector es el más económico de los tres existentes, su funcionamiento es simple, dado que únicamente se hace circular el fluido de trabajo por el interior de unos conductos de polímero negro flexible, el cual se calienta con los rayos solares. Este colector tiene buena absorción de la energía solar incidente, sin embargo debido a que no se encuentra aislado, presenta un alto porcentaje de pérdidas de calor a los alrededores particularmente en climas ventosos. Debido al material con el que están construidos (plástico) no son capaces de soportar altas presiones, las cuales ocurren cuando se manejan mayores caudales (a mayor caudal mejor eficiencia del colector), sin embargo debido a su reducido costo, son efectivos en aplicaciones donde la temperatura deseada sea baja (30 a 40°C), regiones cálidas con bajas velocidades del viento y para su uso por temporadas (primavera y verano). 3.3.‐ Colector solar vidriado: De costo un poco mayor en comparación al no vidriado, este colector tiene también buena absorción de la energía solar incidente, aunque un poco menor que el no vidriado, debido precisamente a las fracciones de radiación solar que el cristal pudiera reflejar y absorber. No obstante las pérdidas por convección a los alrededores son mucho más bajas que el colector anterior, gracias a que la caja y el cristal lo protegen en contra de los efectos convectivos del viento. Esta clase de colector plano es ideal para aplicaciones en donde se requiera agua a temperaturas moderadas (hasta 50°) en climas de templados a fríos (en este último con un sistema anticongelamiento), pudiendo operar durante todo el año; sin importar las velocidades del viento de la región. 3.4.‐ Colector solar de tubos al vacio: Es el más costoso de las tres clases de colector, sin embargo sus pérdidas al ambiente son extremadamente bajas pues al estar los tubos al vacio se elimina la posibilidad de pérdidas por convección del interior de la placa absorbedora hacia el cristal. La absorción de la energía solar buena debido a que el tubo de cristal crea una especie de efecto concentrador (parecido al de una lupa) de los rayos solares, sobre la placa de absorción y el tubo de cobre internos (figura 3.2).
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Figura 3.2 Colectores solar de tubos de calor al vacio
Los colectores solares de tubos al vacio disponibles en México funcionan haciendo circular agua o algún fluido similar por su interior, con la intención de remover el calor absorbido por los tubos, sin embargo ya también existen en otras partes del mundo aquellos que manejan un líquido refrigerante, conocidos como tubos de calor (heat‐pipe). La diferencia estriba en que el refrigerante al tener un punto de ebullición mucho más bajo que el agua, evapora fácilmente absorbiendo la energía térmica de la placa, dicho vapor asciende hasta el tanque de almacenamiento del agua o fluido a calentar, intercambiando el calor con dicho fluido, se condensa y cae por gravedad hasta los tubos al vacio del colector, donde comienza nuevamente el ciclo. El colector de tubos al vacio es bueno para aplicaciones de agua a temperatura de moderada a alta, típicamente de 60 a 80° (dependiendo la temperatura de los alrededores) para operar durante el año completo y especialmente en climas fríos, ventosos y con nieve.
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4.‐DISEÑANDO UN COLECTOR SOLAR PLANO VIDRIADO PARA LA CIUDAD DE MÉXICO CON PROSOLMEX‐1 4.1.‐ Observaciones: En este cuarto y último capítulo resumo la utilidad de los conocimientos teóricos y técnicos expuestos a lo largo del presente trabajo, condensando todo en el diseño de un colector solar a fin a las condiciones meteorológicas y de radiación de la ciudad de México, en donde únicamente por razones de derechos de autor me reservaré aquellos valores que considere dignos de ello. Sin embargo no por esto dejare vaga la utilidad y conveniencia de poseer y seguir desarrollando un programa de diseño, que aun en fase de gestación puede proveer valores explícitos y de mucha utilidad. 4.2.‐ Parámetros de eficiencia de un colector solar: La energía útil obtenida por un colector solar se describe analíticamente como:
Donde FR es el factor de remoción de calor, valor adimensional que va desde 0 hasta 1, y representa la eficacia con la que se remueve el calor absorbido por la placa. Cabe destacar que un factor de remoción de calor igual o muy cercano a 1 se daría en aquel colector en el que la temperatura del fluido de entrada seria la misma que la de placa absorbedora, pues al removerse eficientemente el calor de ésta, no se permite que su temperatura aumenté. El producto τα (transmitancia‐absorbancia) está en función de las cualidades de los materiales del colector, específicamente del cristal (en caso de ser vidriado o tubo al vacío) y refiere en este la propiedad para transmitir la mayor cantidad de los rayos solares hacia interior del colector, los cristales con alto grado de transmitancia son conocidos comercialmente como “White glass” o cristal claro. Ahora bien tratándose de la placa de absorción, ésta se describe en base a su capacidad para absorber la mayor cantidad de energía solar, condición que cumplen con eficacia las superficies negras mate, cuyo valor de absorbancia α es cercano a los 0.9. UL es el coeficiente total de pérdidas de calor, las cuales dependen del número de cubiertas que tenga el colector, el aislamiento del fondo del colector, la emitancia de la placa absorbedora y del cristal, principalmente. Se debe tomar en cuenta que la única salida para la energía que no logra ser removida por el fluido de trabajo, es a través del incremento de la temperatura de la placa de absorción aumentando con ello las de pérdidas de calor al exterior. Finalmente G y ΔT son la energía solar incidente y el gradiente de temperaturas entre el fluido de trabajo a la entrada del colector y la de los alrededores. Por lo tanto los parámetros básicos para definir la eficiencia de un colector son:
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Fr(τα) – Como representa la efectividad de la remoción de calor y las cualidades ópticas del cristal y placa, entre mayor sea este valor, mejor será el colector en lo que se refiere a la captación de energía solar. Los valores típicos de Fr(τα) para colectores comerciales van de los 0.50 a 0.90. Donde el valor más alto corresponde a los colectores no vidriados, los intermedios a colectores vidriados y los menores a los tubos en vacío. FrUL – Este término indica la capacidad de remoción de calor por medio de las pérdidas al exterior, por lo tanto, mientras menor sea este valor, mejor será el colector para retener la energía capturada. Los valores comunes van de los 10 a 15 (W/m2 C°), para colectores sin cristal, de 3.50 a 6 para colectores con cristal y de 0.70 a 3 para colectores evacuados.
Figura 4.1 Valores típicos de Fr(τα) y FrUL para colectores sin cristal, con cristal y evacuado, de marcas comercialmente disponibles en México.
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4.3.‐ PROSOLMEX‐1 en el diseño de un colector solar plano vidriado: En base a todos los factores de los que depende un mayor aprovechamiento de la energía solar, PROSOLMEX‐1 nos proporciona valores para FR, UL, G, (ατ) y ΔT. Donde estos dependen a su vez de el material de la placa colectora y tubos (cobre, aluminio, acero), diámetro de la tubería, espesor de la placa colectora, separación entre tubo y tubo, tipo de cristal, espesor del cristal, espesor del aislamiento del fondo y caras laterales del colector, fluido de trabajo (agua, glicol, etc.), caudal y presiones que se manejen dentro de la tubería de la placa absorbedora.
Figura 4.2 Diseñando un colector solar plano vidriado con PROSOLMEX‐1
De la figura 4.2 los Valores de Fr(τα) y FrUL para un colector diseñado por PROSOLMEX‐1 son: Fr(τα) = 0.723 x 0.952 = 0.68 FrUL = 0.952 x 6.398 = 6.09 KISIEV SALGADO CASTRO ‐ I.P.N. | ENERGIA SOLAR TÉRMICA 32
CONCLUSIONES: Lo innovador y sobresaliente no es propiamente hablar del diseño de un colector solar en particular, sino conocer qué propiedades de los materiales que lo componen, influyen en mayor o menor proporción, pues como es el caso del cobre, hay materiales cuyo costo es elevado, y valdría la pena seleccionar solo aquellos diámetros de tubería y/o espesores óptimos, sin sobredimensionar o realizar gastos innecesarios, y mejor invertir ese capital en partes del colector donde se obtengan mejores resultados, como es el caso de un cristal de alta transmitancia. A lo largo de este trabajo hice hincapié en sustentar teóricamente todas mis afirmaciones, pues poco o nula hubiese sido la utilidad de los análisis y resultados sin dejar claras sus bases. Por lo que espero haber contestado todas las preguntas y cuestiones que naturalmente en cuanto al tema habrían de surgir, dado el carácter relativamente nuevo de investigaciones en energía solar. De antemano agradezco la oportunidad que me brindan para dar conocer mi trabajo e investigaciones, las cuales corresponden a un proyecto de tesis mucho más robusto y extenso, pero cuya finalidad desde su inicio fue no dejarlo simplemente en papel y buenas intenciones, sino darle una utilidad y continuidad, labor a la que me he dedicado desde hace ya dos años de haber terminado mis estudios, con la finalidad de desarrollar tecnologías orgullosamente nacionales y sobre todo sustentadas teóricamente al 100%. Atentamente: Kisiev Salgado Castro.
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