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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

bal

en

Alic

ante

Pla

no

a 4

5º

(KW

h/(

m^2

-día

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0715 – INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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