SISTEMAS SOLARES TERMICOS 05

TERMODINAMICA, FLUIDO DINAMICA Y OPTICA 

TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCION CONVECCION RADIACION

Supongamos que en una ronda de amigos con una fogata de por medio algunos se encuentran alrededor otros sentados otros avivando el fuego con un varilla de metal, la primer persona que se encuentra avivando el fuego con la varilla de metal sentirá la trasferencia de calor por conducción de la varilla , otra persona se encuentra cerca de la fogata con las manos encima de las llamas recibiendo el calor directo, este calor estas llamas que envuelven el aire lo calientan y el aire sube y caliente las manos de esta persona siendo una transferencia de calor por convección , ya que calentamos el fluido que es aire, alrededor de la fogata el resto de las personas recibe transferencia de calor por radiación, si bien a todas las personas les llega las tres formas de calor , siempre hay una que predomina sobre las otras.

CIRCULACION NATURAL TERMOSIFONICA: si tenemos un fluido en un tanque y lo calentamos al sol, vamos a ver que la masa del fluido que se calienta es menos densa y tiende a subir  sobre la porción de liquido mas fría, este efecto es el de convección en fluido, y es aprovechado por los termo tanque solares en su diseño o se pueden diseñar tuberías capilares para llevar el agua caliente de un punto a otro naturalmente.

CIRCULACION FORZADA: tomando la definición anterior, si tenemos un sistema un deposito de acumulación  un circuito y necesitamos ganarle a la gravedad podemos colocar una bomba recirculadora para hacer circular el fluido caloportador, Sistema utilizado en climatización de piscinas

CONCEPTO DE PERDIDA DE PRESION O LONGITUD EQUIVALENTE 

Es un método valido para estimar las perdida de carga localizada es expresarla en longitud equivalente. Básicamente se puede estimar la cañería recta que perdida de carga produce de la misma sección en algún punto singular Por ejemplo un codo puede equivaler a un metro de longitud equivalente.

EFECTO INVERNADERO: Los rayos recibidos de la atmosfera rebotaran en la superficie terrestre y estos vuelven a rebotar en los gases de efecto invernadero en todas direcciones aumentado la temperatura terrestre (gases de efecto invernadero metano dióxido de carbono oxido nitroso)

TRANSMITANCIA Y REFLECTANCIA

Transmitancia es la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo por unidad de tiempo

Reflectancia :  capacidad de un cuerpo de reflejar la luz, básicamente una característica del material

ABSORTANCIA SUPERFICIES SELECTIVAS

Básicamente se trata de obtener que superficie es mejor absorbedora de calor o emisora de calor (superficie selectiva) de esta forma se estudian los materiales para los captadores

SISTEMAS SOLARES TERMICOS 04

DEFINICIONES PARA LA EVALUACION  DE RECURSOS SOLARES

POTENCIA (IRRADIANCIA): La irradiancia es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética

Irradiancia = Potencia incidente /Área sección donde incide la onda

Sistema internacional (W /m2) se usa mas Kw/m2

La constante solar (atmosfera según la NASA)= 1353 W/m2

La constante solar (atmosfera según la WRCC)= 1367 W/m2

La constante solar (atmosfera según la WMO)= 1373 W/m2

ENERGIA (IRRADIACION): es la potencia por unidad de tiempo (Watt hora/metro cuadrado)

CONCLUSION IRRADIANCIA ES POTENCIA E IRRADIACION ES ENERGIA

TRAYECTORIA SOLAR: trayectoria aparente que realiza el sol en la esfera celeste

ANGULOS SOLARES EN LA INSTALACION: Tomando en cuenta que la mejor inclinación es cuando los rayos inciden perpendicularmente en el captador, existen algunas reglas básicas , en nuestro país podemos utilizar LATITUD + 15ª también tenemos una tabla en función de la latitud en diferentes bibliografías o podemos utilizar la tabla de la NASA colocando las coordenadas y de esta forma obtenemos el Angulo optimo WEB DE LA NASA

PROYECCION DE SOMBRAS EN EL CAPTADOR: En primer lugar tenemos la separación de las filas de captadores, en segundo lugar los objetos cercanos y por último las sombras proyectadas, de acuerdo a la trayectoria solar existen programas software donde podemos estimar la proyección según la latitud, también podemos estar físicamente en el lugar del captador y estimar la sombra proyectada con la trayectoria solar (también existen software para facilitar esta tarea), 

RADIACION DIRECTA DIFUSA ALBEDO Y GLOBAL

Radiación directa es la que procede directamente del sol.

Radiación difusa es cuando una nube se interpone en la trayectoria de los rayos solares

Albedo es la efectividad de la superficie terrestre siendo siempre menor o igual a uno. Es el reflejado.

INTERPRETACION DE MAPAS DE RADIACION

Es la mejor manera de decidir sobre qué sistema de energía solar va ser más eficiente, de esta manera se evalúan costos y posibilidades. Por lo general analizando un mapa de radiación de Argentina vemos eficiente sistema solares térmicos en toda la región andina y suban dina, en el sur por los fuertes vientos puede ser más eficiente aprovechar a gran escala la eólica para transformar en electricidad, aunque es relativo de acuerdo al incentivo económico que reciba la zona.

RADIACION SOBRE UNA SUPERFICE  NORMAL E INCLINADA:

Tomando en cuenta las reglas del punto ANGULOS SOLARES EN LA INSTALACION si tomamos las medidas de temperatura final e inicial de un deposito con un circuito con  panel captador que no recibe en forma perpendicular los rayos contra otro colocado en forma inclinada, vamos a comprobar que el panel que recibe los rayos en forma perpendicular llega en forma mas rápida a una determinada temperatura, siendo más eficiente que el panel que se encuentra horizontal

SISTEMAS SOLARES TERMICOS 03

Después del cierre de una venta, después de que el cliente obtiene el producto y contesto todas estas preguntas respecto a la....

ELECCION DEL SISTEMA

Quiere ahorra energía?

-No llega red eléctrica?

-No llega red de gas?

-La piscina está muy fría?

-Necesita un equipo auxiliar?

y elige un sistema

1-ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

2-AGUA CALIENTE SANITARIA

3-CLIMATIZACION DE PISCINA

4-CALEFACCION

Vamos a concentrarnos en el ítem 2 o 3 , con un relevamiento previamente realizado, decidiendo si la instalación es en techo inclinado , techo plano ,orientación mas inconvenientes, cuestiones estéticas consorcios , cuestión de proyecto , alturas, sombras proyectadas, carga de vientos, demanda de uso, dimensionamiento, ya con esto decidido

Tomando como ejemplo un simple termo tanque solar, con el manual en mano y las instrucciones del fabricante podemos proceder al armado, montaje y puesta en marcha del equipo.

TIPS para recordar:

Elegir la orientación y inclinación correcta para un óptimo funcionamiento.

No provocar choque térmico al cargar el tt solar.

Venteo, llegar hasta el nivel de agua.

La válvula termostática ayuda a no producir accidente a 49ªc mas de 5 minutos produce quemadura en la piel y a 70ªc en un segundo. 

SIMBOLOGIA VALVULA ANTIRETORNO, VALVULA MEZCLADORA O TERMOSTATICA

SISTEMAS SOLARES TERMICOS 02

Para conocer un poco sobre el tema necesitamos recordar algunas variables y sus unidades  o familiarizarnos con ellas:

PRESION: fuerza que ejerce un gas liquido solido sobre superficie

"p=  Fuerza / Superficie "  pa (N/m2), bar (10N/cm2), 1 atm (760 Torr), 1 PSI (libra /pulgada 2)

CAUDAL: cantidad de fluido que circula por una sección por unidad de tiempo

"Q= litros o volumen /unidad de tiempo"  (m3/s), (l/s)

DENSIDAD: relación entre la masa y el volumen de una sustancia

"d=masa / volumen " (KG/ m3)

CALOR: energía puesta en evidencia por una diferencia de temperatura en aumento

"1 caloría = 4,18 joule"

TEMPERATURA es una magnitud referida a medición del calor  con termómetros

C= centígrados F= Fahrenheit

POTENCIA cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo

P=W (TRABAJO) / T (tiempo)

Vatio, hp horse power, cv caballo vapor, kilográmetro por segundo

ENERGIA Capacidad para realizar un trabajo

BTU, KILOCALORIA HORA

RENDIMIENTO medios empleado para obtener algo sobre lo que se obtiene

N= obtenida / suministrada.

Energía solar fotovoltaica: transforma de manera directa la luz solar  (radiación solar) en energía eléctrica mediante la célula fotovoltaica.

Energía solar mediante colectores de aire: acá el fluido que transporta el calor es el aire, se necesita un gran volumen (respecto al agua se necesita mayor volumen, pero tiene la ventaja que no se congela) además de necesitar conductos y un aerocirculador,

Energía solar térmica de baja temperatura: Consiste en calentar agua a menos de 100 ª c y en general utilizarla para ACS, agua caliente sanitaria, consiste en un captador solar, un sistema de acumulación y un circuito hidráulico, también los hay con sistemas de intercambio, algún sistema de regulación y algún que otro sistema adicional de energía auxiliar. También es utilizada para calefacción bajo ciertos sistemas.

Energía solar térmica de media temperatura: En este caso el agua a calentar ronda los 100 a 250 ªc, Los captadores convencionales no alcanza esta temperatura, Es utilizado en la industria química , papelera, textil, alimentos, en procesos de secado ,esterilizado, limpieza, evaporación, climatización en calefacción, podemos encontrar sistema de colectores planos o sistema con concentración 

Energía solar térmica de alta temperatura: sistema utilizado con grandes espejos que concentran los rayos del sol en un colector con un fluido calo portador q a cierta temperatura entre en ebullición produciendo presiones elevadas que mueven turbinas y producen electricidad. También existen hornos solares, secado solar.

Concepto de coordenadas, longitud, latitud.

Latitud: es la distancia angular respecto el ecuador, debe ubicarse el hemisferio para interpretar el valor real.

Longitud: es la medida de respecto el meridiano de Greenwich oscila de 0 a 180ª y puede ser Este o Oeste.

Concepto de trigonometría 

Recordar SOH-CAH-TOA

SOH Seno = opuesto sobre hipotenusa

CAH Coseno = adyacente sobre hipotenusa

TOA Tangente = opuesto sobre adyacente

CALEFACTOR SOLAR PISCINA FRENTE AL CALEFACTOR A GAS

Supongamos, un rendimiento del 70%(del panel según el fabricante) o sea R=0,7 en Buenos Aires con los paneles solares , la pileta posee una superficie de 30 metros cuadrados algo asi como
 10mx3 x2m (profundidad) algo asi como 60 metros cúbicos de agua, un metro cubico son 1000 litros o sea andamos en 60000 litros de aguita.

La temperatura del agua esta en 13ªc.

Y para meternos a la pileta y no congelarse necesitamos unos 25 ªc

área pileta= 30 metros cuadrados 

o sea un SALTO TÉRMICO DE 12ªC --> DELTA T= 12ªc

Veamos la calefacción a gas:

Una caldera de mercado por ejemplo TX40   nos cubre un espejo de agua de 40 metros cuadrados , nos sobra para nuestra pileta de 30 metros cuadrados, y ademas la ficha técnica del equipo  dice cubrir 60000 litros que es la cantidad de agua que tenemos en nuestra pileta por volumen.

La potencia consumida es de 36000 kcal/hora y la que nos entrega la maquina es de 32400 kcal/hora (dato del fabricante)

Entonces, el saltito térmico que quiero es de 12ªc entonces

Ce= calor especifico , m =masa DELTA T= salto termico

Q= Ce . m . DELTA T= 1 (Kcal/litros.ªc) .60000 litros, 12ªc=720000 Kcal

o sea para calentar agua de 13ªc a 25ªc necesito 720000Kcal

como 860Kcal----->1 Kw/h

860Kcal----->1 Kw/h

720000Kcal-----x= (720000 kcal. 1Kw/h )/(860 Kcal)=837,2 Kw/h

y aca veo y comparo con la radicion del sol mis 837,2 Kw/h

Ahora vemos los paneles solares

Si tengo 30 metros cuadrados el rendimiento es del 70%

I= Irradiación (nos fijamos en la zona Buenos Aires, mapa solar ATLAS SOLAR o de donde lo obtengan)

Ac= Area  a cubrir (área de colectores)

R=rendimiento 

Irradiancia Atlas solar para BSAS : 4,19 HSP o kw/dia metros cuadrado
o vamos a WIKIPEDIA colocamos BSAS CABA y obtenemos las coordenadas

Coordenadas	34° 35′ 59″ S, 58° 22′ 55″ W	En decimal	-34.599722°, -58.381944°

Luego usamos -34,9 Y -58,4 en la web de la nasa clic aqui para web de nasa

Obtenemos valores promedios anuales de irradiancia, eligiendo parámetros de paneles solares térmicos ,el anual aqui nos dá 4,65 kWh/m²/d

o sino vamos aca por locación un poco mas especifico clic en la web de nasa y colocando los parámetros de latitud y longitud obtenemos valores similares de irradiancia para 22 años de promedio.
Obviamente si vemos los valores obtenidos en ENERO FEBRERO ...NOVIEMBRE DICIEMBRE esta cerca de 7 llegando a JUNIO JULIO a 2,2

Lat -34.9 Lon -58.9	Jan	Feb	Mar	Apr	May	Jun	Jul	Aug	Sep	Oct	Nov	Dec	Annual Average
22-year Average	7.0	6.0	4.9	3.6	2.7	2.3	2.4	3.3	4.5	5.3	6.4	6.9	4.65

Conclusión optamos por 4,65 HSP o kw/dia metros cuadrado es un promedio anual

Q= I. Ac.R = 4,65(kw/dia metros cuadrado).30 metros cuadrados. 0,7 = 97,65 kw/dia lo que obtengo de mis paneles

Qcaldera =837,2 Kw/h 

Qpiscina  =97,65 kw/dia

Este ultimo de pisicna lo paso a Kcal

1Kw-----------------860 Kcal

97,65Kw/dia-------x=97,65 Kw/dia . 860 Kcal /(1 Kw)= 83979Kcal/ dia  es lo que puedo obtener por mis paneles

y con el calefactor a gas necesito 720000 Kcal / dia.

Y si quiero saber cuanto genero por dia, son  83979Kcal/ dia o los 97,65 kw/dia

es lo que puedo ver con 4,65 HSP (HORA SOLAR PICO PROMEDIO ANUAL) un dia de sol en el año hay veces que esta 6 hs

NOTA: El cálculo es muy relativo ya que estamos tomando el promedio anual de 4,65 , claramente, en junio y julio es inviable, pero en enero febrero los valores llegan técnicamente a 7, por eso decimos que solo alargamos la etapa estival (temperatura suben y el clima es mas calido).