PresentaciónPautas para el desarrollo de la energía solar en

Córdoba

Grupo de Energía Solar - Facultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Río CuartoRuta Nac. 36 Km. 601 - 5800 Río Cuarto – Argentinahttp://www.ing.unrc.edu.ar/grupos/ges/

Calentamiento de agua y generación de electricidad con energía solar

Ing. Jorge R. Barral

Sobre un cambio de paradigmas• Lo que ha sido una bendición para Argentina se fue convirtiendo en una

malísima costumbre.

Bendición: buena disponibilidad de energía convencional barata.Mala costumbre: derroche de energía.

• Dos paradigmas clásicos:- Producir más energía eléctrica- Utilizar gas natural indiscriminadamente

• ¿Por qué no pensamos en …..- Consumir menos (básicamente, no derrochar)- Utilizar otras fuentes de energía.

• Está demostrado que el usuario «piensa con el bolsillo» y es difícil inculcarle algo así como «solidaridad energética».

• Quienes tienen que promover los cambios son los gobiernos (nacional, provinciales, municipales).

Sobre un cambio de paradigmas• El gobierno nacional ha financiado la mayoría de las grandes obras de

producción energética (hidroeléctricas, térmicas, atómicas).

• ¿Por qué no favorece la implantación de energías renovables en forma distribuida a nivel domiciliario? (generadores eólicos, agua caliente solar, electricidad fotovoltaica, biogás, etc.)

• Se daría allí una combinación extraña: el gobierno apoya el emprendimiento, pero el usuario se convierte en el dueño de la planta, y luego no se le puede cobrar por esa energía que produce.

• Muchos países lo han hecho. El beneficio es macroeconómico. Se ahorra energía convencional. Se elimina la dependencia de los países productores de combustibles fósiles.

Por qué se justifica el uso de la energía solar• La Energía Solar es una energía limpia y renovable.

• En general, una vez realizada la instalación los costos demantenimiento y uso son sumamente bajos (gratis enmuchos casos).

• Existen en la actualidad desarrollos tecnológicos con-fiables disponibles comercialmente.

• Es una energía distribuida, se usa localmente y no esnecesario transportarla.

• Es un recurso abundante en la mayor parte del territorioArgentino.

• En muchos casos se utilizan tecnologías sencillas, conmateriales convencionales y sin peligrosidad de fabri-cación y uso.

Particularidades a tener en cuenta

• No siempre está disponible en el preciso momento quese la requiere, por lo cual se debe contar con mediosadecuados para su almacenamiento (tanques de agua,paredes, baterías, etc.)

• La cantidad de energía disponible por metro cuadradono es muy alta. Una superficie perpendicular al sol en laestratósfera recibe aproximadamente 1365 W/m2,atenuándose cuando ingresa a la atmósfera.

• Los dos puntos anteriores conducen en ciertos casos ala necesidad de equipos voluminosos, lo cual implicacostos de instalación relativamente altos y tiemposlargos de amortización de la inversión.

Aplicaciones de la Energía Solar

• Calentamiento de Agua.

• Producción de Energía Eléctrica.

• Climatización – Arquitectura Bioclimática.

• Centrales Térmicas.

• Secado solar.

• Destilación de Agua.

• Cocción Solar.

• Calefacción de piscinas.

Trayectoria de la Tierra alrededor del Sol

1,017 UA 0,983 UA

1 UA

1 UA3 de Enero(Perihelio)

4 de Abril

4 de Julio(Afelio)

5 de Octubre

21/22 de Diciembre:solsticio de verano en elhemisferio Sur e invier-no en el Norte

= -23,5 º

21/22 de Junio: solsti-cio de invierno en elhemisferio Sur y vera-no en el Norte

= 23,5 º

21/22 de Marzo equi-noccio de otoño en elhemisferio Sur y prima-vera en el Norte

= 0º

21/22 de Septiembre equi-noccio de primavera en elhemisferio Sur y otoño enel Norte

= 0º 1 UA= 149,6 millones de kilómetros

= declinación: posición angular del sol al mediodía respecto al plano del ecuador.

Duración del día en distintas latitudes de la tierra para el solsticio de invierno

Figura extraída de: http://es.wikipedia.org/wiki/D%C3%ADa

Con el valor de la constante solar, y conociendo el día del año y la horasolar, es posible determinar con precisión el valor de la radiación solar quellega a la parte exterior de la atmósfera de la tierra en cualquier latitud ylongitud.

z= ángulo cenital

Go= radiación solar horizontal extraterrestre

Gs= constante solar: radiación extraterrestre mirando perpendicular al sol

Gs= 1365 W/m2

Distribución mundial de la radiación solarsegún posibilidad de sus aplicaciones *

Más favorable Moderadamente favorable

Poco favorable Desfavorable

* Sin considerar la influencia atmosférica ni efectos climatológicos regionales

¿Y si comparamos nuestro potencial con el de Europa?Una región con un uso muy intensivo de la energía solar.

Conceptos Básicos de Energía Solar¿Cómo se mide la radiación solar?

Radiación Directa

Radiación Global

Radiación Difusa

Pirheliómetro Piranómetro Piranómetrosombreado

Distribución del promedio de la

Radiación Global Diaria [kWh/m2] en la República Argentina

Gráfico extraído del "Atlas de Energía Solar de la República

Argentina", elaborado por Hugo Grossi Gallegos y Raúl Righini, Universidad Nacional de Luján

Energía Solar Disponible: Enero7 kWh/m2-día, 9 horas de sol en enero

Potencia promedio 780 vatios durante 9 horas

Enero

Radiación media diaria Heliofanía (horas de sol)

Gráficos del "Atlas de Energía Solar de la República Argentina", elaborado por Hugo Grossi Gallegos y Raúl Righini, Universidad Nacional de Luján

Energía Solar Disponible: Julio2 kWh/m2-día, 5 horas de sol en enero

Potencia promedio 400 vatios durante 5 horas

Radiación media diaria Heliofanía (horas de sol)

Gráficos del "Atlas de Energía Solar de la República Argentina", elaborado por Hugo Grossi Gallegos y Raúl Righini, Universidad Nacional de Luján

julio

Radiación Directa, Difusa y Reflejada sobre una superficieLa interacción de los rayos so-lares con las moléculas y partí-culas de la atmósfera ocasionaabsorción, emisión y reflexionesmúltiples que dan lugar a laradiación difusa.

Por eso los días«nublados» tam-bién se puedeusar la energíasolar.

El suelo reflejaradiación que enforma difusa llegaa la superficie.

El ángulo de incidencia y la energía captada• Ángulo de incidencia es el que forman los rayos de sol

con la normal a la superficie.• A menor ángulo de incidencia, una misma superficie

intercepta mayor cantidad de energía.

0º 45º

75º

SN

E

O

Invierno

Obs.

VeranoPrimavera-Otoño

Por ejemplo, en colectores planos se usa la regla de inclinarlos el valor de la la-titud más 10 grados, para compensar el bajo recorri-do invernal del sol.

2

cos12

cos1 gdbbT IIRII

Factor de forma A: indica que por-centaje del cielo

«ve» la superficie inclinada.

Factor de forma B: indica que por-centaje del piso

«ve» la superficie inclinada.

Irradiación total sobre la superficie inclinada.

Irradiación directa.

Irradiación difusa del

cielo.

Irradiación reflejada

por el piso.

= 0 (sup. Horizontal) cos = 1 A= 1 la superficie ve todo el cieloB= 0 la superficie no ve piso

= 90 (sup. vertical) cos = 0 A= ½ la superficie ve medio cieloB= ½ la superficie ve medio piso

Irradiación horaria sobre una superficie inclinada

(1)

Así, ejemplificando con algunos órdenes de magnitud se podrían darcasos como los siguientes:

Situación un día 3 de mar-zo, lat. = -32º, g= 0,4

Directa(kJ/m2)

Difusa(kJ/m2)

Reflejada(kJ/m2)

Total(kJ/m2)

Día soleado, =45º entre las 10 y 11 a.m. 2197 251 104 2552

Día algo nublado, =45º entre las 10 y 11 a.m. 242 748 61 1051

Día nublado, =45º entre las 10 y 11 a.m. 8 337 23 368

Día soleado, =0º entre las 10 y 11 a.m. 1486 294 0 1780

Tgdbb IIIRI

2

cos12

cos1

Nota: La ecuación (1) es para un modelo de «cielo isotrópico». Pueden utilizarse otros modelos más complejos

¿Por qué funcionan los equipos solares aunque haga frío?

El efecto invernadero: Se produce por el comportamientoespectral de la transmitancia del vidrio. El vidrio deja pasar mucharadiación en la zona del visible e IR cercano y bloquea mucho laradiación térmica en la zona del IR lejano.

Colector de placa plana con dos cubiertas

figura extraída de:http://www.marioloureiro.net/ciencia/EnerSolarTermica/SolarPROCESOSTERMO/Solar3%20.pdf

De no poder contar conuna superficie se-lectiva, una superficiepintada de negro matetambién sería conve-niente. Aunque éstaabsorbe y emite, en laparte de emisión del IRmedio y lejano, el vidriono deja pasar la ra-diación produciendo el«efecto invernadero».

Sistema clásico de calentamiento de aguabasado en colector solar de placa plana

ConcentraciónConsiste en dirigir la radiación solar directa a puntos focales, con lo cualse logra una elevación superior de la temperatura del elemento captadorde energía. Hay distintas configuraciones geométricas.

d) Concentrador cilíndrico

Colector Parabólico Compuesto

Almacenamiento de Energía

Comparación de capacidades caloríficas de distintos materiales

La ecuación anterior reescrita de otra manera de idea del calor a agregar aun cuerpo para que eleve su temperatura una cierta cantidad:

Sustancia Calor

Específico c [J/kg.K]

Densidad [kg/m3]

Capacidad Calorífica por metro cúbico

C [J/K.m3] Acero sólido 447 7810 3491070

Hormigón 1050 2400 2520000 Aluminio 875 2770 2423750 Madera 2810 600 1686000 Agua 4186 1000 4186000

¡El agua es un buen material para almacenar energía térmica!

Sistemas de calentamiento de agua mediante energía solarDe que consta un sistema :

a) Colector (recolecta radiación y convierte en energía térmica)b) Tanque (almacena la energía hasta el momento de su uso)c) Cañerías distribución (llevan la energía al lugar de uso)

De qué consta un colector:a) Superficie absorbedora (con o sin concentración)b) Elemento aislante (material o vacío)c) Superficie transparente (produce efecto invernadero y disminuye la

convección del calor)d) Soporte exterior que contiene y fija los elementos anteriores.

El tanque es normalmente de metal con un aislante y el sistema de distribución se monta con elementos convencionales.

Ventaja: Tecnologías relativamente accesibles

Problema: Muchos fabricantes sin experiencia.

Situación en general en el país.

• El calentamiento de agua no está lo suficientementedifundido y hay un desconocimiento del común de la gentede cómo funcionan y los beneficios que pueden brindar.

• Los sistemas deben ser calculados. No se puede ponercualquier combinación de colector y tanque y esperar queresuelva los problemas. (Algo similar pasa con lasinstalaciones fotovoltaicas)

• No hay acceso a ciertas tecnologías como las superficiesselectivas y los tubos de vacío.

• Hay producción nacional y se importan equipos de preciosy calidades variables.

• Hay varios fabricantes confiables, pero también muchosimprovisados.

• INTI ha hecho reuniones con bastante éxito para tratarcon fabricantes .

• En la región central del país se pueden cubrir confacilidad hasta un 80 % de la demanda de agua caliente.

• Una vivienda unifamiliar (2 m2 de captadores) puedeevitar 1,5 t de CO2 al año

El colector solar es el elemento característico de los aprovechamientos solares térmicos. Se les utiliza para aplicaciones de calentamiento de agua sanitaria, climatización, aprovechamientos industriales, etc.

Clasificación de los colectores

La clasificación de los colectores depende del enfoque que se le quieredar a la misma y no vamos a tomar ninguna postura central al respecto,sino que mencionaremos algunos tipos de clasificaciones y veremos ladificultad para encuadrarlos dentro de una u otra clasificación.

• Clasificación por el tipo de fluido que utilizan:a) que utilizan aguab) que utilizan airec) que utilizan aceite o algún otro fluido caloportador.

• Clasificación por el nivel de temperatura de trabajoa) de baja temperaturab) de temperatura mediac) colectores de alta temperatura

• Clasificación por la concentración de rayos solaresa) colectores no concentradoresb) colectores concentradores.

• Clasificación por la existencia de superficie transparentea) colectores protegidosb) colectores no protegidos

• Por su principio de funcionamientoa) colectores de placa planab) colectores de tubos evacuadosc) colectores con acumulación integrada

Un colector puede tomar distintas cualidades de estas clasificaciones,puede ser por ejemplo: a) concentrador, no protegido, de alta tempera-tura, que usa aceite o b) de tubos evacuados, con concentración, queutiliza agua, o c) de placa plana, protegido, de baja temperatura, y quetrabaja con aire.

En general trabajan asociados a un elemento de almacenamiento, ensistemas activos (con bomba impulsora) o mediante termosifón(movimiento del fluido por convección natural).

• Es uno de los elementos clásicos, a partir del cual se desarrollan elementos aplicables luego a otro tipo de colectores

• Este colector es un tipo especial de intercambiador de calor (convierte energía radiante en energía interna de un fluido)

• A medida que el fluido va circulando por los tubos, se calienta por la energía solar que absorbe la chapa que está fuertemente fijada a dichos tubos.

Colectores de placa plana

Sistemas de Calentamiento de AguaSistemas más difundidos en Argentina:

– Basados en colectores de placa plana (bastante de fabricación nacional)

– Colectores de tubos de vacío (todo importado).

En ambas versiones se ofrecen sistemas pasivos, en los cuales el fluidose mueve por sí mismo (convección natural) y activos, en los cuales elfluido es impulsado por una bomba.

Colectores de placa plana pasivos. FuncionamientoFuncionan por convección natural (líquido más denso baja, líquido menos denso sube), por lo tanto, el tanque siempre se ubica arriba del colector

Circuito termosifónico y circuito de demanda

El circuito termosifónico se dapor convección natural mien-tras la radiación incide sobre elcolector. Es muy flujo es bajo.

El circuito de la demandaes activado cuando elusuario abre la canilla deagua caliente. Es un flujorelativamente elevado (12a 18 litros por minuto)

demanda

Conexión directa

Tubos en U conectados a cabezal

Colectores y sistemas con tubos evacuados

Colectores con tubos de calor

Funcionan por gravedad, el líquido eva-porado sube por el tubo, se condensaentregando calor, y en estado líquido ba-ja para repetir el ciclo.

Sistemas activos - funcionamiento

La impulsión la realiza unabomba, por lo cual no es ne-cesario que el tanque se ubi-que por encima del colector.

En el caso de los colectores deaire, el elemento impulsor es unventilador.

Se utilizan cuando se demanda una mayor efectividad energéticao la disposición geométrica y física de la edificación lo obliga.

Colectores con acumulación integrada

Absorción y el almacenamiento sedan en un único componente. Nosahorramos el tanque aislado, peroaumentan las pérdidas nocturnas.

Casi no hay en ArgentinaFabricación casera

Colectores de polipropileno sin cubierta, para piscinas

Precauciones

• No es cuestión de poner un colector y un tanque; hay que calcular.Hay dependencia con el clima, la demanda.

• No confiarse con la climatización mediante agua caliente energíasolar. Hoy no compite con el gas natural. Se necesitan muchos me-tros cuadrados de colector. Sí funciona la arquitectura bioclimática.

• Depende del poder adquisitivo. En el campo, para una familia deingresos medio bajos, una estufa rusa anda muy bien paracalefaccionar (biomasa).

• Cuidado con los solaristas nóveles. El efecto invernadero funciona ymuchos metalúrgicos hacen su propio diseño, muchas veces no delo mejor. Hay problemas con materiales, puentes térmicos, etc.

• Hay que comprar equipos certificados, o al menos probados oensayados térmicamente. La durabilidad es importante.

• Hay que contratar instaladores capacitados.

• Para la seguridad de los usuarios y empresas, es necesario asegurar la calidad y confiabilidad de los equipos que se compran.

• La peor propaganda que podemos tener es que se comercialicen equipos que den las prestaciones prometidas y que al poco tiempo se deterioren.

• Como los sistemas activos funcionan a caudal constante, se puede ensayar el colector solo en estado estacionario.

• En el caso de los sistemas termosifónicos o colectores con acumulación integrada, al no poder separarse el colector del resto de los componentes, se debe ensayar todo el equipo en su conjunto colector + tanque.

Ensayos normalizados de colectores y sistemas completos

Esquema de ensayo para colector solo

NORMASASHRAE 93-2003ISO 9806IRAM 210002

Esquema de ensayo para Sistena Completo

Calentamiento solar de agua en la UNRC

En el Laboratorio de EnergíaSolar de la UNRC se realizainvestigación y servicios ensistemas termosifónicos ycolectores con acumulaciónintegrada.

En tres plataformas de en-sayo se miden variables cli-máticas, caudales, tempera-turas y otras variables paraestudiar el comportamientode los equipos.

200

Colector solar diseñado - Dimensiones en cm

41,4

1

Calentamiento solar de agua en la UNRCLa mayoría de los prototipos se diseñan y fabrican en el Laboratorio de Energía Solar

Colector con acumulaciónintegrada bitanque consuperficies reflectantes in-ternas.

Calentamiento solar de agua en la UNRCEnsayos normalizados de colec-tores y sistemas completos. Seutilizan Normas IRAM, ISO,ASHRAE, EURONRONS, etc.

Se cuenta con dos máquinas de ensayo móviles, diseñadas y construidas en el propio Laboratorio de Energía Solar.

Calentamiento solar de agua en la UNRC

Ensayos normalizadosde colectores y sistemascompletos

Máquina de ensayo móvilcon bombas, calentado-res controlados electróni-camente, caudalímetro ysensores de temperatura.

Sistemas de ACSTermosifónicos

Colector solar solo, en ensayobajo norma ASHRAE 93-2003para obtener curva de rendi-miento térmico

Calentamiento solar de agua en la UNRC

De los resultados de los ensayos, tanto de colectores solos como desistemas completos, se pueden extraer datos que permiten luego realizarcálculos para prever el comportamiento a largo plazo de un sistema decalentamiento de agua.

Para ello deberá saberse además:

a) Condiciones climáticas a que estará sometido el equipos.

b) Demanda de agua caliente de los usuarios (caudal y temperatura)

Métodos de cálculo:

Para los sistemas activos se ha popularizado un método basado en valores medios mensuales de energía, denominado f-chart-

Para los sistemas termosifónicos se deben realizar simulaciones.

Los fabricantes y distribuidores usan algunas reglas prácticas, en función a su experiencia.

Calentamiento de Agua - Agua Caliente Sanitaria (ACS)

acOHOHp TTGNcCLOH

2223Demanda de agua caliente mensual

Mes días por HT Ta L X Y f % Solar

mes [MJ/m2] [ºC] [MJ] Adimens. Adimens. Adimens. [MJ] Enero 31 17,05 23,23 609 3,91 2,29 1,104 672,26 Febrero 28 17,49 22,40 735 2,96 1,76 0,993 729,87 Marzo 31 16,98 19,80 922 2,70 1,51 0,906 835,29 Abril 30 16,73 16,40 1029 2,44 1,29 0,818 841,08 Mayo 31 15,60 12,80 1213 2,23 1,05 0,702 850,62 Junio 30 15,31 9,50 1306 2,08 0,93 0,634 828,68 Julio 31 14,62 8,95 1372 2,06 0,87 0,599 822,53 Agosto 31 16,37 11,18 1280 2,15 1,05 0,702 898,53 Septiembre 30 16,50 13,30 1153 2,26 1,13 0,746 859,84 Octubre 31 16,48 17,49 1018 2,51 1,33 0,832 846,67 Noviembre 30 16,39 20,14 878 2,73 1,48 0,892 783,23 Diciembre 31 15,90 22,35 816 2,95 1,60 0,929 758,27

energía total anual--> 12331 total solar anual---> 9726,87

Cálculo de sistema de ACS solar mediante f-chart

LAtTT

FFUFX c

arefR

RLR

´ L

ANHFFFY c

TnR

RnR

´

322 0215.00018.0245.0065.0029.1 YXYXYf Fracción solar

ENSAYOS DE SISTEMAS DE CALENTAMIENTO COMPLETOS(colector más tanque – caso termosifónico y de acumulación integrada)

321 attaHaQ maindaya

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

(Ti-Ta)/Gt

Tem

pera

tura

, td

[ºC]

Volumen

Curvas de medición de descarga para el calentamiento según ISO 9459-2

Los coeficientes a1, a2 y a3 sedeterminan estadísticamenteluego de varios ensayosQ= energía colectada en un día

mes H ta(day) tmain Q (MJ)

por díaQ (MJ) por

mes

ahorro mensual $ GND

ahorro mensual

$ GL

ahorro mensual $ GLSub

ahorro mensual

$ Electric.

Eficienc. Media

Enero 20,26 24,03 18,03 12,06 373,71 3,64 39,89 19,05 72,67 0,30Febrero 19,99 22,39 16,39 11,94 334,21 3,26 35,67 17,03 64,99 0,30Marzo 18,46 21,32 15,32 11,27 349,52 3,41 37,31 17,81 67,96 0,31Abril 17,15 17,33 11,33 10,71 321,31 3,13 34,30 16,38 62,48 0,31Mayo 15,07 12,43 6,43 9,81 304,12 2,97 32,46 15,50 59,13 0,33Junio 14,32 12,02 6,02 9,49 284,66 2,78 30,39 14,51 55,35 0,33Julio 13,91 10,41 4,41 9,31 288,58 2,81 30,80 14,71 56,11 0,33Agosto 16,38 11,51 5,51 10,38 321,77 3,14 34,35 16,40 62,57 0,32Septiembre 17,56 15,86 9,86 10,89 326,58 3,18 34,86 16,64 63,50 0,31Octubre 18,51 19,86 13,86 11,30 350,24 3,42 37,39 17,85 68,10 0,31Noviembre 19,22 22,01 16,01 11,60 348,11 3,39 37,16 17,74 67,69 0,30Diciembre 18,97 23,21 17,21 11,50 356,35 3,47 38,04 18,16 69,29 0,30

38,60 422,61 201,78 769,84Totales anuales

Estimación de la energía anual que puede proporcionar el sistema completo ensayado bajo Norma ISO 9459-2

Dimensionamiento del sistema

• Tipo de prestación Sistema Pasivo acum. IntegradaSistema Pasivo TermosifónicoSistema activo

• Conocimiento de la demanda – perfil de consumo.

• Conocimiento del clima de la región de instalación.

• Elección de equipos CostoGarantía del fabricanteDatos de ensayos realizados

• Cálculo de amortización del equipamiento.

¿Por qué no se desarrollan las energías renovables en argentina?

Argentina ha sido un país con buenos recursos energéticos convencionales

No existen problemas serios de polución ambiental.

No hay conciencia conservacionista y ecológica en la población (resultado de los puntos anteriores).

La inestabilidad económica del país no favorece el pensamiento a largo plazo.

No hay suficiente apoyo gubernamental para el desarrollo de este tipo de energías.

¿Qué papel cabe a distintos actores en esta problemática?

Investigadoresy tecnólogos

Educar e informar

Realizar desarrollos transferibles a la industria

Favorecer la instalación de sistemas alternativosEstablecer legislaciones que favorezcan a los usuarios y a las empresasRealizar una planificación a largo plazo.

Tener productos confiables para generar confianza en los usuarios

Informarse y comprometerse ecológicamente Comunidad en general

Empresas

Gobiernos municipales, provinciales y nacional

Algunas empresas nacionales fabricantes y distribuidoras de ACS solar

Innovar SRL – San Luishttp://www.innovarsrl.com.ar/

http://www.vademarco.com.ar/espanol.html

www.hitecpoliuretano.com.arHitec Poliuretano – Córdoba

Vademarco SA – Buenos Aires

http://www.energe.com.ar/index.phpEnerge energía renovable - Mendoza

¡Muchas gracias por su atención!

¿Preguntas?

Pueden contactarse conmigo a través de

jbarral@ing.unrc.edu.ar

Grupo de Energía SolarFacultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Río CuartoRuta Nac. 36 Km 601X5804BYA Río Cuarto – ArgentinaTel. +54 358 467 6588/488 ; FAX +54 358 467 6246