Energía Solar Térmica en general
Energía Solar para ACS y calefacción doméstica
Construcción de GemaSolar (España, Andalucía)
sábado, 30 de julio de 2016
viernes, 29 de julio de 2016
Sistemas Solares Termica con Circulacion Forzada
Instalaciones solares térmicas con
circulación forzada
En numerosas
ocasiones no es viable instalar equipos de energía
solar térmica para la obtención de agua caliente sanitaria por termosifón, dado que a menudo la ubicación de los captadores
solares está por encima del acumulador (por ejemplo, captadores en tejado y acumulador dentro de; vivienda, campos
de captadores, etc.).
En este tipo de
instalación el agua que circula entre los captadores y el acumulador no lo puede hacer por
convección natural dado que el agua más caliente (los captadores) ya se encuentra en su punto más alto y no hay
ninguna fuerza natural que la haga desplazar al agua fría que ya está en el
punto más bajo y es la más pesada.
Entonces habrá que
recurrir a un circulador electromecánico convencional, de los empleados en
circuitos de calefacción, con el fin de asegurar la circulación del fluido.
El circulador
(bomba) impulsa el fluido (generalmente desde la parte inferior del acumulador,
zona fría) en dirección hacia la parte inferior de los captadores solares.
Los sistemas
forzados son siempre indirectos, salvo las utilizaciones de climatización de
piscina donde se puede emplear el propio sistema de impulsión de filtrado del
agua del vaso.
Elementos básicos de un sistema solar con
circulación forzada
Las instalaciones
de energía
solar térmica con circulación forzada, disponen de los
siguientes elementos:
Captadores solares:
como que en estos montajes la circulación del fluido a través del captador es forzada, las pérdidas de carga no son una
limitación importante en cuanto a su valor.
De montaje permite
utilizar fuerza variantes en cuanto al acumulador, dado que el circulador hará
pasar el agua por intercambiador que incorpore o de un intercambiador externo
para las instalaciones con volúmenes de acumulación elevados.
Sistema de control de un sistema con
circulación forzada
En los equipos con
circulación forzada, hay que controlar la bomba de forma que sólo impulse el
agua en los momentos en que puede haber ganancia energética (momentos en que
haga Sol y, por tanto, la
temperatura del fluido de los captadores sea superior a la del acumulador). El aparato
encargado de hacer esto es el termostato diferencial que, continuamente,
compara las temperaturas del captador y del acumulador conectando o desconectando la
bomba en función de qué temperatura es superior.
Elementos de seguridad de un sistema con
circulación forzada
Para proteger
el captador de sobrepresiones es obligatorio instalar una
válvula de seguridad (VS), en cada grupo o hilera de captadores.
Por otra parte, el
circuito primario estará dotado de un grupo de seguridad que constará de, como
mínimo: un vaso de expansión (VE), una válvula de seguridad y un manómetro.
Asimismo, estas
instalaciones incorporarán sistemas de protección activa contra bajas
temperaturas (heladas) o contra altas temperaturas (sobrecalentamientos).
Grupo de circulación
El grupo de
circulación se situará generalmente en la parte inferior del acumulador (zona
fría), en dirección hacia la parte inferior de los captadores.Y dispondrá de los
siguientes elementos:
Circulador
electromecánico para circuitos cerrados, del tipo que se utiliza en circuitos
de calefacción.
Válvula
antirretorno, para evitar circulaciones inversas no controladas.
Regulador de
caudal, que permitirá ajustar el caudal del circuito.
Filtro, que
garantizará la durabilidad de los elementos del circuito.
En el siguiente video se puede visualizar parte de los tipos de energía solar térmica, donde se detalla de manera breve los dispositivos de cada uno de los probables dispositivos a utilizar, ya sean de disco parabólico, cilindro parabólicos y de torre receptora, explicando su principio de funcionamiento básico ejemplificado sencillamente.
A continuación se presenta el video de funcionamiento de una planta termoeléctrica solar Africana Energía es una planta solar termoeléctrica de 50 MW ubicada en el sur de Córdoba y promovida por las empresas Magtel, TSK y Grupo Ortiz.
Africana Energía supuso una inversión de 430 millones de euros
contando con una potencia nominal de 50 MW, que se prevé generará más de
180 millones de kilovatios hora, equivalente al consumo de 100.000
hogares.
Una de las grandes características de este proyecto es el grado de
innovación tecnológica aplicado.
Esta planta cuenta con un extenso campo de colectores que siguen el
movimiento solar, concentrando la radiación solar en un tubo receptor
localizado en el centro de los espejos cilindro-parabólicos. Un fluido
transmisor del calor recorre el receptor donde alcanza la temperatura
requerida para la producción de vapor, utilizado por una turbina
convencional para generar electricidad.
Africana Energía cuenta adicionalmente con un sistema de almacenamiento
térmico que le permite suministrar electricidad a la red incluso de
noche o en días nublados.
Entre las características principales presentes en la planta se encuentran:
- Potencia nominal: 49,9 MW
- Campo de colectores: 510.120 M2 de superficie
- 625 colectores, cada colector con una longitud aproximada de 150 m.
- Sistema de almacenamiento técnico: Sales fundidas
- Potencia aparente del alternador: 54,84 MVA
- Subestación eléctrica transformadora: 15/132 kV
- Centro de control, administración y mantenimiento.
- Terreno total de la planta: 272 Ha.
Sistemas Solares por Termosifon
Sistemas solares por termosifón
Estos equipos
presentan una circulación natural, basada en las corrientes de convección que
se forman en los fluidos a temperaturas diferentes.
Si calentamos un
depósito de agua por la parte inferior, cuando el agua del fondo se calienta,
pierde densidad y sube hacia la superficie donde se enfría. Entonces vuelve
hacia el fondo del recipiente y así se genera una corriente de circulación
natural.
Este es el
principio de funcionamiento de un equipo termosifón, en el que será
imprescindible que:
El captador solar (focos de calor) esté situado siempre a
un nivel inferior al del acumulador.
El circuito
primario sea lo más corto posible y con una pendiente continua que facilita la
circulación natural.
Funcionamiento del sistema de termosifón
Cuando llega
suficiente radiación solar, es decir, con valores superiores a 200 W /
m2, el fluido acumulado en los captadores aumenta de temperatura y circula a través del
circuito primarios hasta el acumulador. Entonces, cede esta calor, sin
mezclarse con el agua de consumo del interior.
El funcionamiento
en el circuito primario es por termosifón. La diferencia de temperatura
habitual a las bocas del captador (T2-T1) suele ser de 5 a 15ºC, en función del
nivel de insolación.
A medida que se
calienta, el agua del acumulador se estratifica por temperatura, es decir, la
parte alta
es ocupada por agua caliente y en la parte baja queda el agua más
fría. En acumuladores verticales, este diferencial de temperaturas puede llegar
a ser de 15ºC. En acumuladores horizontales, este diferencial baja a sólo
4-5ºC.
Elementos básicos
de un sistema de termosifón
Este tipo de
instalaciones presentan una configuración muy simple con pocos elementos.
Captadores solares:
en estos sistemas, la circulación del agua a través del captador no es forzada y, por tanto, conviene que la
pérdida de carga sea mínima, es decir, que los tubos que forman la parrilla del
captador, sean del máximo diámetro posible.
En cuanto al número
de captadores conectar, no se recomienda conectar más de 10
m2 de captadores, porque la pérdida de carga del circuito de
captación será demasiado alta y se reducirá considerablemente el rendimiento de
la instalación.
Acumulador: el
acumulador empleado en los equipos con funcionamiento por termosifón en
circuito indirecto suelen ser de tipo doble envolvente, porque son los que
presentan una superficie de intercambio más grande, con la mínima pérdida de
carga en el circuito.
La disposición del
depósito acumulador facilitará la circulación natural. En este caso, la mejor
configuración sería poder emplear acumuladores verticales para aprovechar la
estratificación de la temperatura, pero los condicionantes de integración
estética hacen que la mayoría de los equipos incorporen acumuladores
horizontales.
Otra cualidad a
considerar es que las tomas de agua, de los componentes del circuito primario,
sean de un diámetro similar al de la tubería de unión con el fin de evitar las
pérdidas de carga que representan las reducciones.
Es importante
también que la entrada de agua fría esté situada en la parte inferior del
tanque con el fin de evitar que esta enfríe la zona de agua caliente cuando se
produce la entrada de agua nueva.
Elementos de seguridad de un sistema solar
por termosifón
Para proteger el
circuito primario de sobrepresiones es obligatorio instalar una válvula de
seguridad (VS) que no tenga ningún elemento de seccionamiento o corte que aísle
hidráulicamente de la instalación.
Este es el único
elemento necesario de seguridad en las instalaciones que trabajen a presión
ambiente. En las instalaciones presurizadas o sobrepressionados es imprescindible
añadir un vaso de expansión (VE) y un manómetro.
Por las
características específicas de estas instalaciones, no resulta viable instalar
elementos activos de protección contra bajas temperaturas (heladas) o contra
altas temperaturas (sobrecalentamientos).
Agua Caliente Sanitaria
Las aplicaciones de la energía solar térmica abarcan desde
el simple calentamiento de agua potable, pasando por los llamados sistemas
combi (combinados) que se utilizan adicionalmente para la calefacción de
edificios, hasta sistemas termosolares de refrigeración y producción de calor
de proceso. Las dos primeras aplicaciones se utilizan principalmente en
viviendas.
Los sectores de las pequeñas y grandes instalaciones siguen
presentando un desarrollo muy desigual en el sector de la energía termosolar.
Mientras que las pequeñas instalaciones ya se producen de forma estandarizada,
las grandes instalaciones todavía muestran un nivel de estandarización muy bajo
y, por lo general, son planificadas y ejecutadas de forma individualizada.
Actualmente se requiere una mayor investigación en el sector de las
instalaciones termosolares de refrigeración y los sistemas de producción de
calor de proceso.
Tipos de sistemas:
Sistemas
para el calentamiento de agua potable
Estos sistemas suelen planificarse de manera que pueden calentar completamente el agua corriente en el período de verano. En el período de invierno, el agua se calienta principalmente gracias a un generador de calor (caldera, que generalmente funciona con gas, petróleo, madera o con una bomba de calor), asistido por la instalación termosolar en los días soleados. De esta manera, la instalación termosolar cubre durante todo el año aprox. 60 por ciento de la energía térmica necesaria para calentar el agua corriente. En este caso, la superficie colectora requerida depende de las condiciones climáticas locales.
Sistemas
combi:
La superficie de los colectores solares de los sistemas combi es mayor. Estas instalaciones suministran adicionalmente la calefacción del edificio en la primavera y en el otoño. Aquí la superficie colectora necesaria también depende de las condiciones climáticas locales y de la demanda del consumidor. Usualmente, el porcentaje de la demanda total de calor del edificio que se cubre mediante energía termosolar es de 20 a 30 por ciento, dependiendo del aislamiento de la casa y de la calefacción necesaria. Sin embargo, existen casas solares especiales que cubren más del 50 por ciento e incluso hasta un 100 por ciento de la demanda total de calor con calor solar.
Sistemas
termosolares de refrigeración
Las centrales termosolares también pueden utilizarse para la refrigeración de edificios (climatización) o en procesos industriales (refrigeración). En este caso, el proceso de enfriamiento es provocado por evaporación y condensación. Se hace una distinción entre sistemas abiertos y cerrados. En los sistemas abiertos se utilizan materiales de sorción sólidos y líquidos; los sistemas cerrados incorporan la máquina de refrigeración por adsorción y la máquina de refrigeración por absorción. Los sistemas más utilizados son los sistemas cerrados, como máquinas de refrigeración por adsorción y absorción, así como procesos de refrigeración y deshumidificación abiertos, como la climatización basada en la sorción.
Sistemas
de producción de calor de proceso:
El rendimiento energético de los sistemas termosolares de producción de calor de proceso puede ser, en parte, considerablemente superior al de los sistemas estándar. El potencial de los sistemas termosolares en el sector de calor de proceso es enorme: Alrededor de 30 por ciento de la demanda de calor industrial está en un rango de temperatura por debajo de 100 °C. En este caso, se puede alimentar calor solar a nivel de suministro (red industrial de agua caliente o de vapor) o a nivel de proceso. Los colectores de calor de proceso se dividen en colectores sin concentración con una pérdida de calor mínima, colectores de ligera concentración sin seguimiento y colectores enfocados con seguimiento. Dependiendo del tipo de colector, la energía solar se puede utilizar para calentar el agua o el aire con la que después se alimentan los procesos.
El agua caliente
sanitaria (ACS) es agua destinada a consumo humano (potable) que ha sido
calentada. Se utiliza para usos sanitarios (baños, duchas, etc.) y para otros
usos de limpieza (fregado de platos, lavadora, lavavajillas, fregado de
suelos).
Uso de la energía solar térmica para
obtener agua caliente sanitaria
Una de las posibles
formar de obtener agua caliente sanitaria es utilizando el Sol mediante
una instalación de energía solar térmica preparada
para tal fin. La obtención de
agua caliente sanitaria es una de las aplicaciones más utilizadas de la energía solar térmica.
También se le llama "agua de manos".
Aspectos de la
energía solar a considerar en una instalación solar de agua caliente sanitaria
La radiación solar recibida
en un lugar viene determinado por el ángulo que forman los rayos solares
respecto al suelo. En verano el Sol se encuentra más perpendicular
respecto al suelo que en invierno, de modo que en verano recibimos más radiación solar.
La energía
necesaria para calentar agua hasta una determinada temperatura viene
determinada, entre otras cosas, por la temperatura del agua antes de
calentarla. Por lo tanto, en invierno que el agua que viene de la red en
general está más fría se necesitará más energía que en verano. Las instalaciones
solares de agua caliente sanitaria requieren un acumulador de agua de modo que
el agua que se va calentando se vaya almacenando en un depósito bien aislado
para cuando se vaya a utilizar.
Esto es debido esencialmente por dos motivos:
por un lado la diferencia de radiación solar recibida
durante las diferentes horas del día, por no hablar de la nula radiación solar que
se recibe durante la noche y, por otro lado, porque no vamos a utilizar el agua
caliente de forma constante, es decir, la mayor parte del día no necesitaremos
agua pero cuando quisiéramos duchamos necesitaríamos calentar mucha agua en muy
poco tiempo.
Económicamente no se puede pretender dimensionar una
instalación para obtener toda el agua caliente sanitaria que necesitamos
durante todo el año puesto que tendríamos que sobredimensionarlo mucho para
poder obtener una gran cantidad de energía calorífica en invierno, esta
energía nos sobraría en verano, lo que provocaría que el agua del depósito
acumulador entrara en ebullición, generara vapor de agua y la presión de este
vapor acabara reventando el depósito.
Una solución sería
tirar agua caliente y añadir agua fría pero no sería razonable ni
económicamente ni medioambientalmente. Existen muchas
normativas en distintos países en que se requiere que las instalaciones de energía solar térmica para
la obtención de agua caliente sanitaria se dimensionen para un consumo
razonable en verano y que tengan un sistema auxiliar de recalentamiento cuando
el sistema no pueda llegar a la temperatura del agua deseada.
Existen hay dos tipos de instalaciones (o
calentadores):
Instalaciones de
circuito abierto. El agua de consumo pasa directamente por los colectores
solares. Este sistema reduce costos y es más eficiente (energéticamente
hablando), pero presenta problemas en zonas con temperaturas por debajo del
punto de congelación del agua, así como en zonas con alta concentración de
sales que acaban obstruyendo los conductos de los paneles.
Instalaciones de
circuito cerrado. Se distinguen dos sistemas: flujo por termosifón y
flujo forzado.
Los paneles solares
térmicos tienen un muy bajo impacto ambiental.
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