Sistema solar termico

http://www.todo-solar.com.mxTutorial de Sistemas Solares Térmicos
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Torreón, Coah., México. Marzo de 2010Imagen de fondo: Central solar Andasol
España
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Índice
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Introducción 3
1. Fundamentos del Sistema Solar Térmico 4
1.1 Aprovechamiento de la energía solar 5
1.2 Elementos principales de una instalación solar 6
2. Tecnologías y Aplicaciones 14
2.1 Energía Solar Termoeléctrica 15
2.2 Energía Solar Térmica 25

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Introducción
Los sistemas solares térmicos nacen de la necesidad del hombre de cubrir dos
aspectos fundamentales de su diario vivir: La generación tanto de electricidad, como
de calor. Este último, siendo utilizado, además, y contra lo que se pudiera pensar, para
la refrigeración de espacios.
Así pues, podemos definir a este tipo de sistemas como aquellos que hacen uso
térmico de la energía solar en general.
De este modo, el presente tutorial busca explicar de manera clara y concisa la
aplicación de cada una de las tecnologías térmicas existentes, así como los alcances de
las mismas.

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1.1 Aprovechamiento de la energía solar
El funcionamiento de un sistema
solar térmico se basa en la idea de
que mediante un receptor, cuya
tecnología varía de un sistema a otro,
se pretende calentar un fluido,
generalmente agua o aire, para
producir vapor o simplemente
realizar un intercambio térmico con
algún fin específico.
Para lograr esto, los captadores solares, generalmente, se valen de superficies
oscuras con la finalidad de absorber la mayor cantidad de radiación solar posible.
En ocasiones, se utilizan sistemas de almacenamiento para abastecer el consumo
cuando sea necesario.
Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)
Madrid, España

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1.2 Elementos principales de una instalación solar
Colectores Solares
Con el objetivo de incrementar la cantidad de energía absorbida por un colector, se
han diseñado distintas versiones de los mismos. Destacan:
Colectores planos. Utilizan como fluido el agua.
Colectores de tubo de vacío. que
alcanzan temperaturas más elevadas de
funcionamiento. Reduciendo sus pérdidas,
gracias al vacío existente en el tubo.
Colectores solares de aire. Un
abanico energizado por una celda
fotovoltáica introduce aire al colector.
El aire se calienta por radiación solar,
para luego enviarse al espacio a
calentar.

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Sistema de Distribución
El sistema de distribución tiene como meta el transportar el fluido caliente hasta su
punto de consumo.
De este modo, dependiendo de las condiciones climáticas del lugar de ubicación
del sistema, así como las necesidades a satisfacer, podemos clasificarlo en cuatro
principales tipos de instalación:
•Instalaciones de Circuito Abierto
•Instalaciones de Circuito Cerrado
•Circulación forzada de agua
•Circulación natural o con termosifón

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•Instalaciones de Circuito Abierto.
Transfieren directamente agua caliente hacia el
depósito de almacenaje.
1. El colector Calienta el agua.
2. Al aumentar la temperatura del agua, esta
tiende a subir, pues es menos densa.
3. Una vez que el agua caliente llega al depósito
acumulador, este deja fluir el equivalente de
agua más fría hacia el colector. Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)
Madrid, España
Ventajas:
•Sencillo de fabricar e instalar
•Económico
Desventajas:
•Riesgo de rotura por congelación en periodos de
heladas. Por lo que es necesario vaciar el circuito en
épocas muy frías .
•Obstrucciones en el colector, por la calidad del agua. Por
lo que se requiere de ciertos aditivos o equipo
electrónico.

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•Instalaciones de Circuito Cerrado.
Se compone de dos circuitos:
1. Circuito primario del sistema captador. Aquí
se introduce un fluido especial que circula
dentro del colector , el cual, mediante un
intercambiador de calor, aumenta la
temperatura del agua del tanque.
2. Circuito secundario. Aquí se encuentra el
tanque de almacenamiento.
Ventajas:
•El agua del depósito NO se mezcla con el fluido
del colector
•Al usar anticongelante en el circuito primario, el
sistema funciona aún en climas donde las
temperaturas bajen los cero grados centígrados
Desventajas:
•Más difícil de fabricar e instalar
•Más costoso que el de circuito abierto
Madrid, España

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•Circulación forzada de agua
Basa su funcionamiento en una bomba de
impulsión, energizada por una fuente de
alimentación externa .
Común en climas fríos, donde se busca
minimizar pérdidas de calor.
Utilizado para instalaciones de cualquier
tamaño.
Ventajas:
•Transfiere el fluido circulante de manera más rápida
•Menos pérdida de calor en la distribución.
•Permite interrumpir el flujo cuando el agua del acumulador
esté más caliente que el fluido del colector.
Desventajas:
•Costo extra por la bomba
Madrid, España

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•Circulación natural o con termosifón
Su funcionamiento es básicamente el mismo que
el de una instalación de circuito abierto,
aprovechando la circulación natural del agua
caliente, la cual tiende a subir al elevar su
temperatura.
Utilizados en zonas de clima cálido.
Únicamente para pequeñas instalaciones
solares.
Madrid, España

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Almacenamiento
Para aprovechar al máximo la energía proveniente del
sol, es necesario almacenarla, para utilizarla cuando se
requiera.
Por norma general, los depósitos cilíndricos son los
que mejores resultados brindan al momento de
almacenar calor. Esto gracias al fenómeno de
estratificación, mediante el cual, el agua caliente
disminuye su densidad y tiende a ascender sobre el agua
fría, más densa.
Entre más alto sea el depósito, mayor será la
diferencia de temperatura entre la parte superior e
inferior del tanque.
Un punto a tomar en cuenta es la calidad del agua a
almacenar, puesto que esta puede producir corrosión,
misma que puede evitarse mediante el uso de sistemas
electrónicos .

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Tanque de gas
Colector Solar
Tanque Acumulador
Unidad de control
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Sistema de apoyo de energía
Cuando la radiación solar no es suficiente para generar la energía
demandada y/o el consumo excede lo previsto, siempre será bienvenido un
sistema de apoyo que ayude a cubrir dichas necesidades energéticas.
Por lo general, estos sistemas de apoyo se basan en fuentes
convencionales de energía. Principalmente:
•Sistemas eléctricos que proporcionan calor mediante resistencias.
•Calderas de gas, como sucede en el caso de los boiler convencionales.
Siendo así, es indispensable contar con un
sistema de control adecuado que permita
alternar entre la fuente solar y la
convencional. Procurando hacer uso mínimo
de esta última.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica
Conceptos clave
•La temperatura a la cual una superficie es calentada gracias a la radiación solar se
determina por:
T=radiación incidente - pérdidas por conducción, convección y reflexión
•La selección de superficies capaces de absorber la luz visible del sol, sin perder
energía a causa de la radiación infra-roja, permite mayores temperaturas.
•La temperatura puede incrementarse notablemente al utilizar sistemas de
concentración solar, mediante superficies altamente reflejantes o lentes de aumento.
•Existen tres tipos básicos de captación solar térmica: No Concentrado, Concentrado a
una línea y Concentrado a un Punto.

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Conceptos clave
•Colectores No Concentrados. Utilizados para generar temperaturas relativamente
bajas, por ejemplo, para uso doméstico.
•Colectores Concentrados en una Línea. Mediante superficies especiales, permiten un
radio de concentración de hasta 20 veces la de un Colector sin concentración, por lo
que pueden ser capaces de alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para
generar electricidad.
•Colectores Concentrados en un Punto. Permiten un radio de concentración de hasta
1000 veces la de un Colector sin concentración, sin necesidad de superficies
especiales. Es posible generar hidrógeno del agua.

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Conceptos clave
Madrid, España

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Principales Tecnologías
Meta: Incrementar la radiación incidente en el receptor

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Colector de Canal Parabólico
(CSP por sus siglas en Inglés)
Los Colectores de Canal Parabólico concentran la radiación
solar en un tubo situado en el eje de la parábola, por el cual
circula un fluido que facilita la transferencia de calor.
La implementación de un sistema de seguimiento
de la trayectoria del Sol permite incrementar la
eficiencia en la conversión de la Radiación solar por
Día a Calor generado por día.

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Colector de Canal Parabólico
(CSP por sus siglas en Inglés)
Fuente: Departamento de Energía de los Estados Unidos de América
El fluido caliente es bombeado a
través de una serie de
intercambiadores de calor para
producir vapor extremadamente
caliente capaz de mover una turbina
para generar electricidad.

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Colector de Plato Parabólico
Concentra la energía solar en un solo punto, en el cual se ubica
un motor Stirling, el cual convierte directamente la radiación en
electricidad.
Su diseño modular lo hace una
buena opción para la generación de
energía en las zonas rurales donde la
red eléctrica no está disponible. Sin
embargo, la inversión inicial es muy
costosa.

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Colector de Torre Central
Consiste de un campo de Heliostatos (Reflectores), que
concentran la radiación del Sol en un receptor central, a lo
alto de una Torre.
En este sistema, un compuesto especial de sal es
bombeado desde un tanque “frío” (288°C), para pasar
a través del receptor central, donde se calienta,
llegando hasta los 565°C para volver a un tanque
“caliente”
Los sistemas actuales permiten almacenar el calor en
un rango de 3 a 13 horas.

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Fuente: Sandia National Laboratories
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Colector de Torre Central

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Tecnología Temperatura (°C) Eficiencia máxima
de conversión
Plato Parabólico 50 – 1000 80%
Torre Central 500 – 800 73%
Canal Parabólico 260 -400 56%
Colector plano 30 -100 21%

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2.2 Energía Solar Térmica
Colectores de baja temperatura
Dentro de esta clasificación entran los Colectores planos.
•Caja normalmente de aluminio.
•Cubierta de vidrio templado que favorece el efecto invernadero.
•Superficie captadora que incluye un absorbedor de cobre
•Aislamiento de fibra de vidrio en el fondo
•Máxima temperatura aprox. 127°C
•Principales aplicaciones: Calentamiento de agua y espacio, aire
acondicionado y procesos industriales.

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Colectores de baja temperatura
Sistema para Calentar Agua

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Aplicaciones
En usos Domésticos:
•Agua caliente sanitaria.
•Climatización de piscinas
•Calefacción de edificios
•Refrigeración (con máquinas de absorción)
En usos Industriales:
•Secaderos Agrícolas
•Calefacción de invernaderos
•Granjas avícolas y porcinas

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gerardo.ortiz@todo-solar.com.mx

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