aprovechamiento de la energia solar

APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA SOLAR

Instituto tecnolgico metropolitano ITM

Edwin Marlon Vera Pabn

2012

Medida de la radiacin solar despus de atravesar la atmosfera

La radiacin global o total Ho que llega a la tierra se descompone en:

Radiacin Directa H: es aquella que proviene del disco solar atenuada en parte por a atmosfera.

Radiacin difusa Hd: es la radiacin que llega a la superficie horizontal, en todas las direcciones, esta integrada por la radiacin que es desviada por las molculas y partculas en suspensin y por la reflejada debida a la interaccin entre la radiacin directa y las nubes.

Aprovechamiento de la energa solar -

Energas sostenibles 1-2012

Medida de la radiacin solar

Aprovechamiento de la energa solar - Energas sostenibles 1-2012

Medida de radiacin solar La periodicidad de las medidas pueden ser

diarias, o en el mejo de los casos instantneas. Estas medidas se obtienen de estaciones meteorolgicas que a partir de modelos estadsticos se obtienen valores por unidad de superficie.

Radiacin solar es un trmico genrico

Irradiancia se refiere a la potencia solar por unidad de rea [W/m2]. Puede tomarse en forma diaria u horaria

Tomado de http://www.geofisica.unam.mx/ors/boletin.html


Estimacin de la radiacin horaria

A partir de metodologas estadsticas diarias es posible obtener datos horarios, el procedimiento es siempre aproximado. (debido a la variabilidad de las masas nubosas).

ndice de claridad o nubosidad =

(datos

estadsticos mensuales irradiacin exterior).

Para valores diarios =

y para

Valores horarios =



La estimacin dl cociente entre la irradiacin difusa diaria y la irradiacin total , se obtiene con la correlacin obtenida por Collares Pereira y Rabl (1979):

=

. + . . + .

El ngulo de ocaso corresponde al da medio del mes que se defina.

Debe conocerse los valores de y (irradiacin diaria promedio mes).



Segn la ecuacin de Liu y Jordan para la

obtencin de la irradiancia difusa horaria

=

=

24

cos cos

2.

360


Estimacin de la radiacin horaria Segn la ecuacin de Liu y Jordan para la obtencin de la

irradiancia difusa horaria

=

=

24 +

cos cos

2.

360

= 0.409 + 0.5016( 60)

= 0.6609 0.4767( 60)

En la ecuacin anterior, es el ngulo horario en grados al punto medio del intervalo de tiempo, es decir, el ngulo horario para las 10:30 si , por ejemplo se trata de la hora comprendida entre las 10:00 y las 11:00.

El ngulo horario del ocaso es el del da medio del mes

Radiacin solar en Medelln Otra forma de obtencin de la informacin de la radiacin solar en Colombia es a travs de tablas

estadsticas

Ho : Es la radiacin solar extraterrestre promedio diario.

H : Es la radiacin solar global promedio diario.

H/Ho : Es la transparencia atmosfrica promedio diario.

Hb : Es la radiacin solar directa promedio diario.

Hb/H : Es la fraccin solar directa (Radiacin directa/radiacin global).

Hd : es la radiacin solar difusa promedio diario.

Hd/H : Es la fraccin solar difusa (Radiacin difusa/ radiacin global).

So: Es la duracin astronmica del da.

S : es el brillo solar promedio diario.

S/So : Es la relacin entre el brillo solar promedio diario respecto a la duracin astronmica del da.

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen

Cdigo estacin : 804 Municipio : MEDELLIN

Divisin Poltica : ANTIOQUIA Longitud = -75 -36

Latitud : 6 13

RADIACION GLOBAL Ho, H, Hb, y Hd en kW.h/m2.da

INFORMACION PRIMARIA : BRILLO SOLAR

Coeficientes de ngstrom empleados : a = 0.24 b= 0.55

Estacin : Aeropuerto Olaya Herrera

Altitud = 1490 m

So y S en horas/da

Periodo 1971 - 1980

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiem. Octubre Noviem. Diciem ANUAL

Ho 9.4 9.9 10.4 10.4 10.2 9.9 10.0 10.3 10.3 10.0 9.4 9.1 10.2

H 4.78 4.94 4.76 4.76 4.51 4.96 5.47 5.33 4.98 4.39 4.34 4.37 4.80

H/Ho 0.51 0.50 0.46 0.46 0.44 0.50 0.55 0.52 0.48 0.44 0.46 0.48 0.48

Hb 2.84 2.88 2.62 2.58 2.38 2.83 3.30 3.13 2.82 2.35 2.41 2.50 2.72

Hb/H 0.59 0.58 0.55 0.54 0.53 0.57 0.60 0.59 0.57 0.54 0.56 0.57 0.57

Hd 1.94 2.06 2.15 2.18 2.13 2.14 2.17 2.20 2.17 2.03 1.93 1.87 2.08

Hd/H 0.41 0.42 0.45 0.46 0.47 0.43 0.40 0.41 0.43 0.46 0.44 0.43 0.43

So 11.7 11.8 12.0 12.1 12.3 12.4 12.3 12.2 12.0 11.9 11.7 11.6 12.0

S 5.74 5.54 4.77 4.77 4.55 5.83 6.87 6.19 5.30 4.29 4.67 5.03 5.30

S/So 0.49 0.47 0.40 0.39 0.37 0.47 0.56 0.51 0.44 0.36 0.40 0.43 0.44

Transferencia de Calor por Conduccin en una pared plana

TEMPERATURA (T)

LONGITUD (X)

T1

T2

X1 X2

L

A [w]

[w]

[w]


Transferencia de calor por conveccin

La conveccin es el modo de transferencia de energa entre una superficie slida y el lquido o gas adyacentes que estn en movimiento y comprende los efectos combinados de la conduccin y el movimiento de fluidos.

La conveccin recibe el nombre de conveccin forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, bomba o viento. La conduccin natural es 0casionada por las diferencias de densidad, causadas por la variacin de la temperatura.


Ley de enfriamiento de Newton Corresponde la rapidez de la transferencia de calor por conveccin, dnde h es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin en W/m2.C o BTU/pie2.F; As es el rea superficial a travs tiene lugar la transferencia de calor; Ts es la temperatura de la superficie y T es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esa superficie.

[W]


Transferencia de calor por Radiacin trmica, Ley de Stefan - Boltzmann

La radiacin es la energa emitida por la materia en forma de ondas electromagnticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas. La radiacin no necesita medio para su propagacin a diferencia de la conduccin y la conveccin.

[W]

Donde;

: es la emisividad de la superficie 0 < < 1 : es la constante de Stefan Boltzman y equivale a 5.67 x 10-8 W/m2.K4 0.1714 x 10-8 Btu/pie2.R4

As: es el rea superficial de transferencia en m2

La radiacin comnmente se representa con la letra I


Emisividades de algunos materiales, absortividad

La absortividad corresponde a la fraccin de la energa de radiacin incidente sobre una superficie que es absorbida por esta.

La emisividad es una medida de cuan una superficie est cerca de ser un cuerpo negro.


Espejos, vidrios y cuerpos negros La radiacin ( I ) que recibe un cuerpo puede transferirla, reflejarla o absorberla.

I = Ireflejada + Iabsorbida + Itransferida

I = Ireflejada + 0+ 0 El cuerpo es espejo. I = 0 + 0+ Itransferida El cuerpo es vidrio. I = 0 + Iabsorbida + El cuerpo es negro.


Formas de captacin solar

Diapositiva 18, Tomada de : http://www.slideshare.net/geopaloma/energa-solar-trmica


Colectores solares

Son conocidos como termoconversores solares y son dispositivos que convierten la irradiancia solar en energa trmica, siendo estos los conversores fototrmicos o termoconversores.

Existen diferentes tipos de colectores solares, todo esto depende de la temperatura que se necesite lograr; los colectores se clasifican en:

Planos cuyas temperaturas alcanzadas son hasta de 90 C. Colectores solares planos y encapsulados al vaco,

alcanzando temperaturas entre 100 C y 150 C. Colectores con concentracin ptica que alcanzan

temperaturas que estn entre 200 C y 4000 C.


Captacin de la energa solar

Captacin, acumulacin e incorporacin (CAI). Aprovechamiento de la energa solar -


Principio del termosifn

Sifn hidrulico Aprovechamiento de la energa solar - Energas sostenibles 1-2012

Tipos de sistemas termosifnicos

Existen sistemas termosifnicos llamados compactos en donde el termotanque esta integrado al cuerpo del captador solar, son muy simples, fiables y de un costo menor, son ms utilizados en pequeas instalaciones individuales.

Su mayor inconveniente reside en la escasa esttica del sistema motivada por la necesidad de situar el tanque en posicin superior, lo que dificulta su integracin arquitectnica.


Conexin en serie de un sistema termosifnico con un sistema de calentamiento auxiliar de gas


Sistema termosifnico separado

Tomada de : http://www.esenergiasolar.com/ Aprovechamiento de la energa solar - Energas sostenibles 1-2012

Colector de placa plana


Balance del colector plano

alPUabsorbido QQQQ

QU, es el calor absorbido por el agua o calor til. Qp, es el calor total perdido por medio de los diferentes mecanismos de transferencia de calor (Conduccin, Conveccin y radiacin). Qal, es el calor almacenado por los materiales que constituyen el colector solar. A, es el rea del colector solar. I, es la Irradiancia global promedio.


Eficiencia de un colector solar

Definida como la relacin entre la cantidad de energa que se transfiere a un fluido caloportador y la cantidad de irradiacin por unidad de rea en una superficie captadora


Energa requerida para calentamiento de agua

La energa o calor requerido (QREQUERIDO) es equivalente al valor del calor sensible del agua y se expresa como:

La diferencia de temperaturas (T), es la existente entre la temperatura que requiere el agua para ser calentada como mnimo es 55 C y la temperatura del agua de la red de abasto que llega al colector a 22 C inicialmente y Cp corresponde al calor especfico del agua (4.186

).

TCpmQREQUERIDO

..

)(.

salidaentradaREQUERIDOTTCpmQ


rea del colector solar

Una forma rpida para determinar el rea del colector a utilizar se utiliza la ecuacin:


Eficiencias tpicas de colectores solares

Tipo de

Colector

Eficiencia de

conversin

Factor de prdidas

trmicas

Rango de

temperaturas

alcanzadas

Absorbedor

descubierto

0.82 - 0.97 10 30 40

Colector de placa

plana

0.66 0.83 2.9 - 5.3 20 90

Colector de placa

plana evacuada

0.81 0.83 2.6 - 4.3 20 120

Colector de tubos

evacuados

0.62 0.84 0.7 2.0 50 120 Aprovechamiento de la energa solar -


Volumen de almacenamiento de agua

t

Vm

t

TCp

HAtmV


Captador solar pipa caliente Heat Pipe

Tomado de : ISAZA ROLDN, Csar Alejandro. Memorias de seminario internacional de refrigeracin solar. Medelln, 2007

Una superficie absorbedora que calienta un conjunto de tubos por los que circula un fluido caloportador, la superficie de captacin est formada por un conjunto de tubos por los que circula un lquido; la superficie de captacin est formada por un conjunto de tubos al vaco y totalmente sellados en sus extremos, en cuyo interior est depositado otro tubo de tipo hipotrmico y de alta conductividad trmica (llamado heat pipe),


Calculo de demandas de agua caliente

Tipo de salida Consumo de agua

(litros/minuto)

Presin ( m.c.a) Unidades de

Consumo

Lavaplatos 10 5.8 2

Lavamanos 0.2 5.8 1

Ducha 0.2 5.8 2

Lavadora 0.2 3.6 3

Bidet 0.10 5.8 1

El clculo de los consumos de agua se realiza con base en la

norma de fontanera NTC 1500 los cuales estn basados en

el mtodo de HUNTER. Los consumos tpicos de agua

caliente en la edificacin se muestran en el cuadro

[1] La unidades de consumo equivale a 20 litros por minuto (0.33 l/s) de consumo de agua. [2] Los datos tomados en este cuadro, estn basados e n otros cuadros de la norma tcnica Colombiana de fontanera NTC 1500

Consumos de agua caliente por vivienda

El consumo de una vivienda se calcula con la

expresin

= 0.33 1 + 2+. . . +

dnde Qv es el consumo de agua de una vivienda en unidades de consumo, Un es el nmero de unidades de consumo por aparato y N corresponde al nmero de aparatos de la misma clase.

Aprovechamiento de la energa solar -


Ejercicios

Determinar el tamao de un colector solar de placa plana que se necesita para calentar 10 galones de agua por da en Medelln.

Calcular el rea de colector de placa plana, el volumen del tanque para un edificio de 10 pisos, dos apartamentos por piso. Cada apartamento se tienen dos duchas, dos lavamanos, un lavaplatos y una lavadora en Medelln.


Esquema de perdidas hacia arriba en el colector. Diseo

=

344

+ +

0.31 +1

1

+

+

2 + 2

+ 0.245 1 1

+ (2 + 1)


Esquema de perdidas hacia arriba en el colector. Diseo

=


aprovechamiento de la energia solar

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