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ME716-1 Conversión Térmica de la Energía Solar 2008, Semestre Primavera

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Información del Material

Título ManualInstalaciones.pdf (6,1 mb)
Descripción Trabajo de título que establece principales consideraciones en instalaciones solares. Base del manual de la CDT
Autor Felipe Ignacio Cuevas González
Tipo Apoyo Tarea

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ManualInstalaciones.pdf
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UNIVERSIDAD DE CHILE ´ FACULTAD DE CIENCIAS F´ ISICAS Y MATEMATICAS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ MECANICA IA

´ ELEMENTOS PARA LA CREACION DE UN MANUAL DE BUENAS ´ ´ PRACTICAS PARA INSTALACIONES SOLARES TERMICAS DOMICILIARIAS MEMORIA PARA OPTAR AL T´ ITULO DE INGENIERO CIVIL ´ MECANICO

HANS CHRISTIAN PETERSEN OEHNINGER

PROFESOR GU´ IA: ´ ROBERTO ROMAN L. ´ MIEMBROS DE LA COMISION: ´ RAMON FREDERICK G. ´ ALVARO VALENCIA M. Santiago de Chile, 06 de Septiembre del 2007

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE ´ INGENIERO CIVIL MECANICO POR: HANS PETERSEN O. FECHA: 06/09/2007 ´ PROF. GUIA: SR. ROBERTO ROMAN L. RESUMEN
El mercado de la energ´ solar t´rmica en Chile se ha visto perjudicado enormemente por la ia e falta de una normativa b´sica que asegure est´ndares de calidad m´ a a inimos. El resultado de esto, es un mercado no competitivo en el cual se ofrecen productos de calidad cuestionable que afectan la reputaci´n de esta tecnolog´ o ia. Chile tienen un potencial unico en el mundo para el aprovechamiento del recurso solar y el 42 % ´ de la poblaci´n no cuenta con agua caliente sanitaria. Lo anterior permite especular que dada una o normativa adecuada en el sector, la tecnolog´ ser´ insertada en corto tiempo en el mercado. ia a El objetivo de este trabajo es, por lo tanto, avanzar en la creaci´n de una normativa b´sica o a para instalaciones solares t´rmicas de baja temperatura que asegure desempe~os m´ e n inimos. Esto favorecer´ en gran medida la tecnolog´ estudiada ya que el usuario obtendr´ un producto con dise~o a ia a n serio que le dar´ una mayor confianza a la hora de evaluar alternativas. Lo anterior permitir´ una a a mayor penetraci´n en el mercado chileno de la tecnolog´ o ia. Se analiza la normativa internacional existente como referencia para avanzar en la creaci´n de o elementos de utilidad en el dise~o y dimensionamiento de instalaciones solares t´rmicas. n e El procedimiento es estudiar la tecnolog´ de energ´ solar t´rmica con especial ´nfasis en agua ia ia e e caliente sanitaria, luego analizar la normativa internacional, identificar puntos que pueden ser utiles ´ en el territorio chileno, obtenci´n de los datos correspondientes a nuestro territorio y verificaci´n de o o su exactitud para finalmente crear elementos como tablas y gr´ficos que sean aplicables en nuestro a territorio y que sean una herramienta util para instaladores. ´ Luego de confeccionado el documento, se tendr´ en Chile un antecedente de importancia que a permitir´ a los organismos pertinentes, confeccionar una norma para este tipo de instalaciones a en el futuro. Adem´s, previo a la existencia de la norma propiamente tal, este trabajo ser´ una a a herramienta muy util para los dise~adores e instaladores de este tipo de sistemas as´ como tambi´n ´ n i e para los clientes que en caso de dudas, podr´n consultarlo e informarse debidamente antes de tomar a una decisi´n de compra. o

NOMENCLATURA
ALFABETICA
A cp E Et Gb Gd Go Gon Gsc h H Ho ¯ Ho ¯ ¯ H d /H ¯ HT Ib Id I ¯ KT m N ¯ N n ¯ n ¯ n Superficie o ´rea medida en [m2 ]. a Calor espec´ ifico a presi´n constante. Se mide en [J/(kg · C ]. o Poder emisivo. Se mide en [W /m2 ]. Ecuaci´n del tiempo. Se mide en minutos. o Irradiancia solar directa. Se mide en [W /m2 ]. Irradiancia solar difusa. Se mide en [W /m2 ]. Radiaci´n extraterrestre sobre superficie horizontal. Se mide en [W /m2 ]. o Radiaci´n extraterrestre sobre superficie normal a la radiaci´n. Se mide en [W /m2 ]. o o Constante solar. Se mide en [W /m2 ]. Altura angular solar. Se mide en [ ]. Irradiaci´n solar. Se mide en [J/m2 ]. o Radiaci´n extraterrestre sobre superficie horizontal integrada sobre un cierto o per´ iodo, usualmente un d´ Se mide en [J/(m2 · dia)]. ia. Media mensual de radiaci´n extraterrestre diaria. Se mide en [J/(m2 · dia)]. o Proporci´n de radiaci´n difusa mensual sobre radiaci´n total. o o o Radiaci´n media mensual sobre plano inclinado. o Radiaci´n solar directa. Se mide en [W /m2 ]. o Radiaci´n solar difusa. Se mide en [W /m2 ]. o Radiaci´n solar total. Se mide en [W /m2 ]. o ´ Indice adimensional de transparencia atmosf´rica. e Caudal m´sico. Usualmente medido en [kg /s]. a Horas de sol o duraci´n del d´ Medido en horas. o ia. Media mensual de las horas de sol diarias sin nubosidad. Medido en horas. D´ correlativo del a~o. (1 n 365) ia n Media mensual de las horas de sol diarias con cielo despejado. Se mide en horas. ¯ D´ del mes en el cual se produce . (1 ¯ 365) ia n

Qabs Qper Qutil Rb Rd Rr Tcm Te Ts Tr

Calor o energ´ absorbida. Medida en [W ]. ia Calor o energ´ perdida. Medida en [W ]. ia Calor o energ´ util. Medida en [W ]. ia Factor de correcci´n de radiaci´n directa sobre superficie inclinada. o o Factor de correcci´n de radiaci´n difusa sobre superficie inclinada. o o Factor de correcci´n de radiaci´n reflejada sobre superficie inclinada. o o Temperatura de estagnaci´n de un colector solar t´rmico en [ C ]. o e Temperatura de entrada en [ C ]. Temperatura de salida en [ C ]. Temperatura del agua de red en [ C ].

GRIEGA
¯ z zt r s Inclinaci´n de una superficie con respecto a la horizontal en [ ]. (0o 90o ) o ´ Angulo azimutal. Medido en [ ]. Norte=0 , Este negativo, Oeste positivo. (-180o 180o ) Declinaci´n solar medida en [ ]. Norte positivo, Sur negativo. o Declinaci´n promedio de un mes medida en [ ]. Norte positivo, Sur negativo. o Rendimiento. ´ Angulo de incidencia sobre una superficie. Medido en [ ]. (0o z 90o ) ´ Angulo zenital. Medido en [ ]. (0o zt 90o ) Albedo de superficie. Latitud medida en [ ]. Norte positivo, Sur negativo. ´ Angulo horario. Medido en [ ]. Norte=0 , Este negativo, Oeste positivo. (-180o 180o ) ´ Angulo horario de salida del sol. Medido en [ ]. Norte=0 , Este negativo, Oeste positivo. (-180o 180o ) ´ Angulo horario de puesta del sol. Medido en [ ]. Norte=0 , Este negativo, Oeste positivo. (-180o 180o )

´ Indice

´ Indice de cuadros ´ Indice de figuras 1. Introducci´n o 1.1. Antecedentes Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Motivaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Objetivos espec´ ificos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a 2.1. Energ´ Renovables en Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ias

1 3 5 5 5 7 7 7 7 9 9

2.2. Radiaci´n Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 o 2.3. Captaci´n T´rmica de la Energ´ Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 o e ia 2.3.1. Subsistema de Captaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 o 2.3.2. Subsistema de Acumulaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 o 2.3.3. Subsistema de Distribuci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 o 2.3.4. Sistemas Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.5. Clasificaci´n de Sistemas Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 o 2.4. Trabajos existentes y normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5. Estimaci´n de la Radiaci´n Solar Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 o o 2.5.1. Terminolog´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 ia 2.5.2. Direcci´n de la Radiaci´n Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 o o 2.5.3. Radiaci´n Extraterrestre sobre Superficie Horizontal . . . . . . . . . . . . . . 34 o 2.5.4. Estimaci´n de la Media Mensual de la Radiaci´n Solar Diaria . . . . . . . . . 35 o o 2.5.5. Media Mensual de Radiaci´n Directa sobre Superficie Inclinada . . . . . . . . 39 o

2.5.6. Relaci´n entre transparencia y radiaci´n difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 o o 2.5.7. Radiaci´n Total sobre Superficie Inclinada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 o 2.5.8. Modelos de Radiaci´n de D´ Claro o ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6. Dimensionamiento de Instalaciones Solares T´rmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 e 2.6.1. Dimensionamiento por M´todo de Carta-F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 e 3. Metodolog´ Espec´ ia ifica y Resultados 3.2. Temperaturas Ambientales 52

3.1. Informaci´n General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3. Temperaturas del agua de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Demandas de agua caliente por tipo de vivienda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5. Radiaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5.1. Datos recopilados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5.2. Datos estimados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.6. P´rdidas de radiaci´n por orientaci´n e inclinaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 e o o o 3.7. P´rdidas por sombras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 e 3.7.1. P´rdidas por obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 e a 3.7.2. Distancia m´ inima entre filas de captadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4. Resultados y Discusi´n o 73

4.1. Temperaturas ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2. Temperaturas del agua de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.3. Radiaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4. P´rdidas por orientaci´n e inclinaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 e o o 4.5. P´rdidas por sombras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 e 4.5.1. P´rdidas por obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 e a 4.5.2. Distancia m´ inima entre filas de captadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5. Conclusiones Bibliograf´ ia A. Informaci´n de Datos de Radiaci´n o o B. Gr´ficos de Correlaci´n de Angstrom a o C. Diagramas Polares de P´rdidas por Orientaci´n e Inclinaci´n e o o 90 92 95 97 105

D. Diagramas de Trayectorias del Sol E. Tablas de P´rdidas de Radiaci´n por Sombras e o F. Factor k de Distancia M´ inima entre Captadores

112 117 126

´ Indice de cuadros

2.1. Tabla de clasificaci´n de sistemas solares t´rmicos. Fuente:[25]. . . . . . . . . . . . . 28 o e 2.2. D´ promedio recomendados para cada mes del a~o. Fuente:[11] . . . . . . . . . . . 35 ias n 2.3. Constantes Clim´ticas para usar en la Ecuaci´n 2.21. Fuente:[2] . . . . . . . . . . . . 37 a o 2.4. Clasificaci´n Clim´tica de Trewartha. Fuente:[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 o a 2.5. Clasificaci´n de Vegetaci´n de K¨chler. Fuente:[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 o o u 3.1. Lista de Ciudades Chilenas Seleccionadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2. Demandas de Agua Caliente Sanitaria por Tipo de Construcci´n. Fuente:[1] . . . . . 57 o 3.3. Ejemplo de aplicaci´n de metodolog´ para obtener constantes de Angstrom. Caso: o ia Pudahuel, Santiago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1. Temperaturas m´ inimas hist´ricas para ciudades chilenas. Fuente:[14] . . . . . . . . . 74 o 4.2. Temperaturas diarias medias mensuales. Fuente: Propia con datos obtenidos de [14] 4.3. Media mensual de temperaturas ambientales medias diarias durante el d´ para loia calidades principales de Chile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4. Temperatura del Agua de la Red. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.5. Medias mensuales de radiaci´n global diaria extra´ o idas del WRDC ruso (en J/(cm2 · dia)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6. Medias mensuales de horas de sol diarias extra´ idas del WRDC ruso (en (hrs./dia)). . 81 4.7. Constantes de Angstrom para Chile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 75

1

4.8. Constantes de Angstrom para Chile. (* = Constantes estimadas). . . . . . . . . . . . 83 4.9. Medias mensuales de radiaci´n global diaria(en J/(cm2 · dia)). (* = Radiaciones o estimadas con m´todo de Angstrom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 e 4.10. Tabla de p´rdidas de radiaci´n por sombreado para LAT=35 . Aplicable a Santiago. e o 88

´ Indice de figuras

1.1. Emisiones de C O2 en el mundo, principal culpable del efecto invernadero. Fuente:[21]

6

2.1. Consumo bruto de energ´ primaria en Chile (2001). Fuente:[22] . . . . . . . . . . . . 10 ia 2.2. Espectro de radiaci´n solar. Fuente: Wikipedia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 o 2.3. Radiaci´n solar promedio anual en el mundo. Fuente:[24] . . . . . . . . . . . . . . . . 12 o 2.4. Estructura b´sica de un colector solar plano. Fuente:[25] . . . . . . . . . . . . . . . . 14 a 2.5. Conjunto de colectores solares planos en el techo de una vivienda . . . . . . . . . . . 14 2.6. Curva de eficiencia de un colector plano t´ ipico. Fuente:[25] . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.7. Sistemas por termosif´n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 o 2.8. Sistema Termosolar de Circuito Abierto. Fuente:[28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.9. Sistema Termosolar de Circuito Cerrado. Fuente:[28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.10. Fuente auxiliar en paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.11. Fuente auxiliar en serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.12. Fuente auxiliar en el estanque acumulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.13. Dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio. . . . . . . . . . . . . . . 25 2.14. Dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio y bomba de transferencia. 26 2.15. Tres estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio. . . . . . . . . . . . . . 26 2.16. Tres estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio y bomba de transferencia. 27

3

2.17. Coordenadas solares y ´ngulos de importancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 a 3.1. Ejemplo de Curva de Temperatura Horaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2. Despliegue gr´fico de fuente de datos rusa. Fuente:[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 a 3.3. Despliegue gr´fico de fuente de datos rusa. Fuente:[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 a 3.4. Correlaci´n de Angstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 o 3.5. Planilla de obtenci´n de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 o 3.6. Planilla resumen de factores de correci´n R medios anuales. Caso: Arica. . . . . . . . 65 o ¯ 3.7. Tabla de proporci´n de energ´ captada con respecto al m´ximo anual. Caso: Arica. o ia a 66

3.8. Programaci´n de modelo de Perrin de Brichambaut en planilla Excel. . . . . . . . . 69 o 3.9. Diagrama de trayectorias del sol durante el a~o. Caso: Santiago. . . . . . . . . . . . 71 n 3.10. Problema de distancia m´ inima entre captadores. Vista en Perspectiva. . . . . . . . . 71 3.11. Problema de distancia m´ inima entre captadores. Vista en Planta. . . . . . . . . . . . 72 4.1. Tabla de proporci´n de energ´ captada con respecto al m´ximo anual. Caso: Arica. o ia a 86

4.2. Diagrama de trayectorias del sol para LAT=35 con obst´culo. . . . . . . . . . . . . 89 a

4

Cap´ itulo 1

Introducci´n o

1.1.

Antecedentes Generales

Todo sector tecnol´gico requiere, para su correcta consolidaci´n y desarrollo, de un marco de o o procedimientos, normas, est´ndares y buenas pr´cticas. Esto porque, de no existir, se produce una a a situaci´n ca´tica que afecta la reputaci´n y por tanto, dificulta la implementaci´n del sector. o o o o En cuanto a instalaciones solares t´rmicas o de otro tipo, el entorno en Chile es muy precario. e Solo desde el a~o 2004 existe una normativa b´sica en cuanto a ensayos de algunos componentes n a y este a~o se est´ elaborando la normativa inicial en cuanto a instalaciones fotovoltaicas aisladas, n a pero no existe el marco aceptado de procedimientos, est´ndares y buenas pr´cticas aludido. a a El resultado de la situaci´n actual es la existencia de muchas empresas que prestan servicios de o instalaci´n de calidad cuestionable y bajas prestaciones. Al no haber est´ndares aceptados, cada o a empresa ofrece productos distintos con prestaciones variadas y desconocidas para el consumidor, quien no tiene un par´metro claro para discriminar por calidad. Debido a todo lo anterior, el mercaa do solar t´rmico se encuentra estancado pues no se dan las condiciones adecuadas que permitan una e sana competitividad entre los distintos actores que lleve a un mejoramiento gradual de la tecnolog´ ia y del mercado en general.

1.2.

Motivaci´n o

Tanto Chile como el resto del mundo busca la independizaci´n de sus fuentes de energ´ que o ia permita un desarrollo sustentable y constante del pa´ Por todos es conocida la situaci´n actual is. o de escasez energ´tica a nivel mundial. Espec´ e ificamente en Chile se tiene el grave problema de abastecimiento de gas natural con los vecinos argentinos que provoca constantes preocupaciones en

5

Cap´ itulo 1. Introducci´n o

todos los sectores econ´micos. o Por otro lado, la situaci´n ambiental mundial tambi´n preocupa a los pa´ o e ises. En Europa y otras partes del mundo se ha generado un mercado de bonos de carbono que presiona a los pa´ indusises trializados a disminuir sus emisiones contaminantes en el futuro cercano. Todo esto est´ impulsado a por la preocupaci´n global existente en cuanto a los cambios clim´ticos que est´ sufriendo nuestro o a a planeta debidos al efecto invernadero provocado por la gran contaminaci´n de nuestra atm´sfera o o (ver emisiones de C O2 en el mundo1 en la figura 1.1). El resultado de esto es una gran conciencia a nivel global por la contaminaci´n producida por o combustibles f´siles y en general un alza constante del costo de este tipo de fuentes de energ´ o ia debido a los agotamientos graduales de las reservas, inestabilidades pol´ iticas en pa´ productores ises y a las externalidades negativas asociadas.

Figura 1.1: Emisiones de C O2 en el mundo, principal culpable del efecto invernadero. Fuente:[21]

Si se suman los dos efectos anteriores y se aplican a Chile, se tiene un escenario en el cual cada vez ser´n mas rentables e interesantes las tecnolog´ limpias de generaci´n de energ´ como la solar a ias o ia t´rmica. Es por esto que el presente trabajo es de suma importancia para nuestro pa´ e is.
1

Las emisiones fueron calculadas de acuerdo a los datos de energ´ de IEA y los m´todos est´ndar y factores de ia e a

emisi´n obtenidos del "Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories", IPCC/OECD/IEA o Paris, 1997

6

Cap´ itulo 1. Introducci´n o

1.3.
1.3.1.

Objetivos
Objetivo general

Como objetivo general se tiene avanzar en la creaci´n de elementos de dise~o y buenas pr´ctio n a cas para instalaciones solares t´rmicas de baja temperatura en Chile. Se busca recopilar e informaci´n y crear con ella herramientas que permitan mejorar este tipo de tecnolog´ en o ias Chile, proporcionando procedimientos adecuados de c´lculo que maximicen su rendimiento. a

1.3.2.

Objetivos espec´ ificos

Estudio de la tecnolog´ de energ´ solar t´rmica y en especial su aplicaci´n en agua caliente ia ia e o sanitaria residencial. Estudio de la normativa internacional vigente[1] relacionada al tema. Identificaci´n de aspectos comunes en la normativa internacional que permitan su adecuaci´n o o y posterior utilizaci´n en nuestro pa´ Este punto se llevar´ acabo con la ayuda del grupo o is. a t´cnico de energ´ solar de la CDT e ia materia. Recopilaci´n de datos correspondientes al territorio chileno. Esto incluye datos geogr´ficos y o a climatol´gicos, radiaciones solares, temperaturas de la red de agua potable, entre otros. o Validaci´n de los datos adquiridos por medio de comparaciones con modelos universalmente o aceptados. Creaci´n de elementos (ecuaciones, gr´ficos y tablas) de aplicaci´n en el territorio nacional. o a o Creaci´n de herramientas computacionales que faciliten el trabajo de dise~o. o n
2

con el objeto de contar con la opini´n de expertos en la o

1.4.

Alcances

Existen sistemas de captaci´n t´rmica de alta temperatura como por ejemplo, concentradores o e solares que pueden trabajar a temperaturas mas altas que 150o C, pero este trabajo se enfoca exclusivamente a los sistemas que utilizan fluidos a no mas de 80o C y colectores planos. Estos son los llamados sistemas t´rmicos de baja temperatura. e
2

Corporaci´n de Desarrollo Tecnol´gico, perteneciente a la C´mara Chilena de la Construcci´n. o o a o

7

Cap´ itulo 1. Introducci´n o

Por otro lado, si bien se analizar´n algunas caracter´ a isticas de los subsistemas y las configuraciones mas comunes de las instalaciones solares t´rmicas, no se profundizar´ en las caracter´ e a isticas de cada uno de sus componentes y las pruebas que se deben realizar a ´stos. Tampoco se profune dizar´ en los montajes y mantenimientos requeridos en las instalaciones. a Los problemas de acumulaci´n y calidad del agua son de gran relevancia en estas instalaciones, o sin embargo, no ser´n analizados en este trabajo debido a representar un tema muy amplio por a s´ solo. Es importante tener en cuenta que, por ejemplo, en muchos lugares hay problemas con la i calidad de agua en cuanto a acidez y s´lidos solubles lo que conlleva a incrustaciones y corrosi´n o o en las ca~er´ Adem´s, la presi´n m´xima de la red con frecuencia supera los 4 bar y es com´n n ias. a o a u que existan puntas de presi´n de 8 a 10 bar, lo cual exige que los estanques sean adecuados para o trabajar en estas condiciones. Algunos de los temas relacionados con el agua, obligados a analizar en estas instalaciones, y que en este trabajo se excluyen son los siguientes:

Procedimientos, est´ndares, ensayos y materiales para estanques acumuladores solares. Esto a incluye m´todos y espesores m´ e inimos de aislantes, conexiones, acoplamiento a sistemas existentes, componentes auxiliares para asegurar el sistema (a modo de ejemplo, v´lvulas de a purga y de alivio de presi´n o temperatura). o Sistemas para evitar incrustaciones y/o corrosi´n, que aseguren larga vida util. Incluye el o ´ tema de materiales, eventuales elementos de sacrificio, procedimientos de certificaci´n, proo cedimientos de ensayo. Sistemas de control y mantenci´n. o Consideraciones sobre materiales que incluye temas tales como procedimientos aceptados de c´lculo de estanques peque~os, materiales utilizados y recomendaci´n de uso seg´n la a n o u aplicaci´n. o

Por ultimo, se sabe que existen muchas aplicaciones de la energ´ solar t´rmica para agua ´ ia e caliente en la construcci´n, pero en este trabajo el enfoque esta principalmente en las instalaciones o residenciales, dejando fuera las instalaciones industriales debido a que representan un tema adicional que debe ser estudiado en particular.

8

Cap´ itulo 2

Antecedentes Bibliogr´ficos a

2.1.

Energ´ Renovables en Chile ias

Las energ´ renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformaci´n y aprovechamienias o to en energ´ util no se consumen ni se agotan en una escala humana. Entre estas fuentes de energ´ ia ´ ias est´n: la hidr´ulica, la solar, la e´lica y la de los oc´anos. Adem´s, dependiendo de su forma de a a o e a explotaci´n, tambi´n pueden ser catalogadas como renovables la energ´ proveniente de la biomasa o e ia y la energ´ geot´rmica. ia e Las energ´ renovables suelen clasificarse en convencionales y no convencionales, seg´n sea el ias u grado de desarrollo de las tecnolog´ para su aprovechamiento y la penetraci´n en los mercados ias o energ´ticos que presenten. Dentro de las convencionales, la m´s difundida es la hidr´ulica a gran e a a escala. Como energ´ renovables no convencionales (ERNC) se consideran la e´lica, solar, geot´rmica ias o e y la de los oc´anos. Adem´s, existe una amplia gama de procesos de aprovechamiento de la energ´ e a ia de la biomasa que pueden ser catalogados como ERNC al igual que el aprovechamiento de la energ´ ia hidr´ulica en peque~as escalas. a n Al ser aut´ctonas y, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generar impactos ambientales o significativamente inferiores que las fuentes convencionales de energ´ las ERNC pueden contribuir ia, a los objetivos de seguridad de suministro y sustentabilidad ambiental de las pol´ iticas energ´ticas e alrededor del mundo. Sin embargo, la magnitud de dicha contribuci´n y la viabilidad econ´mica de o o su implantaci´n, depende de las particularidades en cada pa´ de elementos tales como el potencial o is explotable de los recursos renovables, su localizaci´n geogr´fica y las caracter´ o a isticas de los mercados energ´ticos en los cuales compiten. Como se ve en el pr´ximo punto, Chile tiene condiciones e o

9

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

particularmente favorables para la explotaci´n de fuentes renovables de energ´ en particular, la o ia, solar. Hist´ricamente la matriz energ´tica de Chile ha contado con una participaci´n importante de o e o energ´ renovables, en particular de la energ´ hidr´ulica de gran escala utilizada para generaci´n ias ia a o el´ctrica. Esta participaci´n ha disminuido en los ultimos a~os producto del crecimiento de sectores e o ´ n que tienen un consumo intensivo de derivados del petr´leo, como el transporte, y del aumento o de la capacidad de generaci´n el´ctrica t´rmica a partir de gas natural (esto ultimo ha cambiado o e e ´ radicalmente en los ultimos meses debido al escenario de insuficiencia de suministro de gas natural ´ en nuestro pa´ Sin perjuicio de ello, la participaci´n de las energ´ renovables sigue siendo is). o ias significativa en el abastecimiento energ´tico nacional, tal como se desprende del balance de consumo e bruto de energ´ primaria del a~o 2001 (Ver figura 2.1). ia n

Figura 2.1: Consumo bruto de energ´ primaria en Chile (2001). Fuente:[22] ia

Por su parte, si bien en la figura anterior se aprecia que las ERNC presentan una participaci´n o marginal en el consumo bruto de energ´ en Chile, han tenido un gran espacio de desarrollo en ia el abastecimiento energ´tico de zonas rurales. La estad´ e istica extra´ del Censo del a~o 2002 es ida n reveladora: m´s del 40 % de la poblaci´n chilena no cuenta con agua caliente sanitaria en su vivienda. a o Aunque el gr´fico 2.1 evidencia una nula participaci´n del sector solar, se cree fielmente que habr´ un a o a crecimiento considerable una vez que el sector vaya siendo normado correctamente por medio de trabajos como el que se expone en este documento.

2.2.

Radiaci´n Solar o

El sol es una esfera de unos 700.000 Km. de radio, que se encuentra a una distancia media de la tierra de 1 UA (Unidad Astron´mica) correspondiente a 1, 495x1011 Kms. Est´ constituido o a por una mezcla de gases compuesta, fundamentalmente, por un 70 % de hidr´geno y un 27 % de o Helio. En el n´cleo se producen continuamente reacciones nucleares de fusi´n que son la fuente u o de su energ´ y que mantienen su n´cleo entre 8x106 y 40x106 K . Esta energ´ fluye hacia capas ia u ia externas y hacia el espacio por mecanismos de convecci´n y radiaci´n. Desde el punto de vista de o o 10

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

su aprovechamiento energ´tico se puede considerar como una esfera que emite una radiaci´n que e o se transmite a trav´s del espacio a la velocidad de la luz y que se distribuye en una banda de e longitudes de onda equivalentes a la de un cuerpo negro a alrededor de 6.000 o K de temperatura. Una cantidad muy utilizada en energ´ solar es la Constante Solar, Gsc , que se define como ia la energ´ instant´nea proveniente del sol, por unidad de tiempo, recibida sobre una superficie ia a perpendicular a la direcci´n de propagaci´n de la radiaci´n, a una distancia de 1 UA del sol y fuera o o o de la atm´sfera terrestre. Esta cantidad es muy utilizada en la energ´ solar. Su valor, actualmente o ia aceptado a nivel internacional[2], y estimado con un error de ±1,5 % es: W KJ = 4,872 m2 h · m2

Gsc = 1,353

(2.1)

Adicionalmente, se puede mencionar que esta energ´ esta distribuida en un espectro como el ia que se muestra en la figura 2.2 en el cual la mayor´ de la energ´ esta en el rango visible, luego ia ia en el infrarrojo(IR) y por ultimo en el ultravioleta(UV). Para alcanzar la superficie terrestre, la ´ radiaci´n solar debe atravesar la atm´sfera donde experimenta diversos fen´menos de reflexi´n, o o o o absorci´n, y difusi´n que disminuyen la intensidad final de radiaci´n que alcanza la superficie. Este o o o inea superior (radiaci´n total en la periferia o ultimo hecho se verifica en la figura 2.2 al comparar la l´ ´ atmosf´rica) con la inferior (radiaci´n total en la superficie terrestre). e o

Figura 2.2: Espectro de radiaci´n solar. Fuente: Wikipedia. o

Evidentemente, la radiaci´n solar que llega a la superficie terrestre tambi´n var´ de acuerdo o e ia al lugar geogr´fico en donde se mida. En Chile, la energ´ solar es utilizada preferentemente en a ia la zona centro-norte del pa´ en donde existe un nivel de radiaci´n promedio anual muy alto. is, o 11

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Espec´ ificamente entre las regiones I y IV, el potencial de energ´ solar puede clasificarse entre los ia m´s elevados del mundo(Ver figura 2.3). a

Figura 2.3: Radiaci´n solar promedio anual en el mundo. Fuente:[24] o

Estas condiciones hacen de Chile un lugar ideal para el aprovechamiento del recurso solar, por lo cual, las instalaciones solares t´rmicas tienen un gran potencial de desarrollo en nuestro pa´ e is.

2.3.

Captaci´n T´rmica de la Energ´ Solar o e ia

A modo de introducir la tecnolog´ de energ´ solar t´rmica, se explica a continuaci´n en qu´ conia ia e o e siste y se describen los sistemas y componentes de algunas instalaciones t´ ipicas. Recibe el nombre de energ´ solar aquella que proviene del aprovechamiento directo de la raia diaci´n del sol y de la cual se obtiene calor y/´ electricidad. El calor se obtiene mediante colectores o o t´rmicos y la electricidad a trav´s de paneles fotovoltaicos. Este trabajo se enfoca en la transfore e maci´n t´rmica. o e Se entiende por captaci´n t´rmica de la energ´ solar al procedimiento de transformaci´n de la o e ia o energ´ radiante del sol en calor o energ´ t´rmica. Se har´ referencia a aplicaciones de la energ´ ia ia e a ia solar a baja temperatura cuando la energ´ t´rmica que se obtiene se utiliza para temperaturas ia e inferiores a 80 o C. Existen tambi´n aplicaciones de mayor temperatura, pero ellas est´n fuera del e a alcance de este trabajo. 12

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

En los sistemas de aprovechamiento t´rmico, el calor recogido en los colectores solares puede e destinarse a satisfacer numerosas necesidades, como por ejemplo, la obtenci´n de agua caliente para o consumo dom´stico, industrial, calefacci´n, aplicaciones agr´ e o icolas, entre otras. En este trabajo el enfoque est´ en instalaciones que satisfacen consumos dom´sticos. a e Para poder estudiar el tema con propiedad, primero es necesario entender el funcionamiento b´sico del sistema, para lo cual es necesario dividirlo en tres subsistemas principales: a Subsistema de Captaci´n o Subsistema de Acumulaci´n o Subsistema de Distribuci´n o 2.3.1. Subsistema de Captaci´n o

Cuando se expone una placa met´lica al sol, se calienta, pero si adem´s esta placa es negra, a a la energ´ radiante del sol es absorbida en mayor medida. Cuando la placa negra, que llamaremos ia absorbedor, se calienta, ´sta aumenta su temperatura con lo cual comienza a perder calor por e distintos mecanismos: por conducci´n a trav´s de los soportes que lo sujetan, por convecci´n a o e o trav´s del aire que le rodea y por radiaci´n. e o Al colocar un vidrio entre la placa absorbedora y el sol, ocurre que como el vidrio es en su mayor´ transparente a la radiaci´n solar(de onda corta) pero es opaco a la radiaci´n infrarroja(de ia o o onda larga), la energ´ solar pasa hacia el interior, pero luego al calentarse el absorbedor en el ia interior, el vidrio no deja pasar la radiaci´n de onda larga emitida hacia afuera. De esta forma o se produce una "trampa energ´tica de radiaciones" que impide que la energ´ radiante que ha e ia atravesado el vidrio vuelva a salir. Adicionalmente, el vidrio tambi´n evita el contacto directo de la e placa con el aire ambiente con lo que, adem´s, evita las p´rdidas por convecci´n. Estos fen´menos a e o o constituyen el denominado efecto invernadero que permite aprovechar de mucho mejor manera la energ´ solar. ia Si se completa el conjunto de la placa absorbedora con el vidrio, aisl´ndolos por la parte posterior a y por los laterales, se consigue minimizar el ultimo factor de p´rdidas energ´ticas antes visto; la ´ e e conducci´n. Por ultimo, si a la placa se le adhiere un serpent´ o un circuito de tubos por la que se o ´ in pueda circular un fluido, se habr´ conseguido que ´ste aumente su temperatura al estar en contacto a e con la placa con lo que se estar´ evacuando la energ´ t´rmica de ´sta. Si todo el conjunto anterior a ia e e se encierra en una caja para sujetar todos los componentes y evitar que se deterioren por los agentes 13

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

exteriores, se habr´ construido el denominado captador solar plano (ver figura 2.4). a Colector Solar Plano

Figura 2.4: Estructura b´sica de un colector solar plano. Fuente:[25] a

El colector(o captador) solar es entonces, el elemento encargado de captar la energ´ contenida ia en la radiaci´n solar y transferirla a un fluido a calentar. El tipo de colectores m´s extendido es o a el denominado colector solar plano(ver figura 2.5) debido a su gran simplicidad y bajo costo de construcci´n. Existen sin embargo, distintos tipos de colectores que, si bien se encuentran en fase o comercial o de experimentaci´n, tienen un grado de implantaci´n menor, como son los colectores o o solares de vac´ (muy empleados en pa´ io ises como Alemania y Suiza) y los colectores cil´ indrico´ parab´licos. Estos ultimos tienen mayores eficiencias de conversi´n pero son mas caros que los o ´ o planos simples y por ser concentradores, trabajan a temperaturas mayores a los 100o C por lo que est´n fuera del alcance de este trabajo. a

Figura 2.5: Conjunto de colectores solares planos en el techo de una vivienda

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Los colectores solares planos destinados al calentamiento de agua pueden estar fabricados en distintos materiales (acero, cobre, aluminio, pl´sticos, etc.) pero est´n basados siempre en el mismo a a principio de efecto invernadero. Es importante notar que son los elementos m´s susceptibles de a mejorar en el sistema ya que su eficiencia en las condiciones de uso habituales es de alrededor de un 50 % actualmente (Ver pr´xima secci´n). o o Rendimiento de Captadores Solares Planos El principio de funcionamiento de los colectores solares planos ha sido ampliamente estudiado en la literatura y consiste de estudios no muy triviales de transferencia de calor, ´ptica y mec´nica o a de fluidos. Dado que el objeto de este trabajo no es el estudio de los colectores en s´ se revisa de i, manera sucinta pero eficaz el funcionamiento de estos aparatos. La energ´ util que se obtiene de un captador Qutil (en W) puede determinarse mediante la ia ´ f´rmula que calcula el calor que extrae el fluido caloportador (de calor espec´ o ifico cp en J/kgo C) en funci´n del caudal m´sico m (en kg/s) y la diferencia de temperaturas entre la entrada Te y la o a salida Ts :

Qutil = m · cp · (T s - Te)

(2.2)

El rendimiento del captador es la relaci´n entre la energ´ util y la radiaci´n solar total que o ia ´ o incide sobre el mismo: Qutil I ·A

=

(2.3)

siendo I la irradiancia incidente sobre el captador (en W/m2 ) y A la superficie util del mismo ´ (en m2 ). Por otro lado, la energ´ util puede calcularse tambi´n como la diferencia entre la energ´ ia ´ e ia que llega a la superficie exterior del vidrio y la energ´ que se pierde debido a la presencia de ia ´ste(transmisi´n por ej.) y a caracter´ e o isticas de la placa absorbedora. Por tanto, la energ´ absorbida ia puede expresarse como:

Qabs = a · I · A

(2.4)

donde a es una constante entre 0 y 1 que representa las p´rdidas tanto por una transmitancia e 15

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

imperfecta en el vidrio(eficiencia ´ptica) como por una absorci´n imperfecta en la placa. o o Las p´rdidas t´rmicas del captador son proporcionales a su superficie y a la diferencia de teme e peratura del absorbedor Te con la temperatura ambiente Ta por la expresi´n: o

Qper = b · (Te - Ta ) · A

(2.5)

donde b es una constante entre 0 y 1 que representa las p´rdidas t´rmicas tanto por radiaci´n e e o infrarroja como por convecci´n y conducci´n al ambiente. o o Por lo tanto, el rendimiento del captador puede expresarse, de una manera muy simplificada, como: Qabs - Qper Te - Ta Qutil = =a-b· (I · A) I ·A I

=

(2.6)

La gracia de este simple m´todo, es que permite identificar las variables relevantes en el e rendimiento del colector. La curva de rendimiento del captador plano puede determinarse experimentalmente realizando medidas de prestaciones reales y ajustando una recta a los valores obtenidos. Este ajuste lineal es posible debido a que las p´rdidas t´rmicas asociadas a fen´menos e e o radiativos, que son fuertemente exponenciales, son poco relevantes en el rango de temperaturas en el que se trabaja usualmente y por lo tanto, las p´rdidas t´rmicas son principalmente conductivas e e o y convectivas, es decir, lineales. En la figura 2.6 se aprecia que el efecto de fen´menos radiativos s´lo son importantes a altas temperaturas y por lo tanto una aproximaci´n lineal es v´lida para o o a temperaturas de operaci´n relativamente bajas. o Con la funci´n de rendimiento se determina la parte de la radiaci´n incidente que el captador o o transforma en energ´ t´rmica en funci´n de la diferencia de temperaturas y de la irradiancia. ia e o La funci´n de rendimiento permite conocer el rendimiento m´ximo del captador que se obtiene o a para Te = Ta y vale max = a. Tambi´n se puede determinar la temperatura m´xima Tcm que puede alcanzar un captador, e a ´ que se obtiene cuando = 0 y vale Tcm = Ta + a·I . Este es el llamado punto de estagnaci´n del o
b

colector, en el cual ya no absorbe mas energ´ ia.

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Figura 2.6: Curva de eficiencia de un colector plano t´ ipico. Fuente:[25]

Lo que se debe recalcar de este gr´fico es que el rendimiento de los colectores mejora cuanto a menor sea la temperatura exigida en el fluido caloportador, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relaci´n con la exterior), mayores ser´n las p´rdidas por transmisi´n en el vidrio y o a e o por conducci´n a trav´s de las paredes de la caja. Adem´s, mientras mas caliente est´ la placa o e a a absorbedora, mayor ser´ la radiaci´n recibida y absorbida por el vidrio en su cara interior (debido a o a la opacidad del vidrio a radiaciones infrarrojas) y mayores ser´n las p´rdidas por convecci´n en a e o la cara exterior de ´ste. e De todo esto, se concluye que el uso m´s adecuado de los colectores solares planos es para la a preparaci´n de agua caliente a baja temperatura. o 2.3.2. Subsistema de Acumulaci´n o

Tanto la energ´ que se recibe del sol como la demanda de agua caliente son magnitudes que ia fluct´an en el tiempo. Es muy usual que los requerimientos de consumo se produzcan cuando no se u dispone de suficiente radiaci´n (ej. muy de madrugada antes de la salida del sol). Por tanto, con el o objeto de aprovechar al m´ximo la energ´ solar, se hace necesario disponer de acumuladores que a ia permitan satisfacer demandas a cualquier hora del d´ ia. El acumulador solar es entonces el dep´sito donde se acumula el agua que posteriormente se o destina al consumo dom´stico, ya sea en grifos y ducha o en el sistema de calefacci´n. El acumulador e o 17

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

suele ser tambi´n calentador en los casos en que se ocupa energ´ auxiliar externa (ej. resistencia e ia el´ctrica al interior del estanque). Por ultimo, tambi´n se usa ubicar el intercambiador de calor al e ´ e interior del estanque en los casos en que se trate de circuitos cerrados (ver m´s adelante la Tabla a 2.1). Es siempre recomendable en instalaciones de 3 ´ mas colectores, utilizar circuitos cerrados o para evitar problemas de calidad de agua, por lo que se hablar´ principalmente de ellos en lo que a sigue. Al ser los acumuladores de agua caliente un elemento clave en la instalaci´n, deben contar con o una muy buena aislaci´n para minimizar las p´rdidas por este concepto. o e Un buen acumulador est´ formado por un dep´sito perfectamente aislado(con espuma dura de a o poliuretano por ej.) y con un serpent´ en el interior(en el caso de circuitos cerrados con intercamin biador de calor), por el que circula el fluido caliente que procede de los captadores solares y que cede el calor al agua que lo rodea. Otra configuraci´n de los intercambiadores de calor en acumuladores es el de doble envolvente, o un dep´sito dentro de otro. En el interior se aloja el agua a calentar y por el exterior circula el o fluido caliente procedente de los captadores solares. De esta forma se obtiene una mayor superficie de contacto y por lo tanto mayor eficacia de intercambio. Los acumuladores permiten integrar perfectamente la energ´ solar t´rmica a un sistema de ia e calefacci´n a gas, siendo ´sta el elemento en el que confluyen los aportes energ´ticos de los captadores o e e y la caldera. Para ello se utilizan acumuladores con doble serpent´ el inferior para el l´ in, iquido procedente de los captadores solares (a menor temperatura) y el superior para agua procedente de la caldera (a mayor temperatura). Otra opci´n para el mismo objetivo son los acumuladores o de doble envolvente estratificados, donde el dep´sito exterior est´ dividido por zonas a distinta o a temperatura, la inferior para solar t´rmica y la superior para la caldera. e En el acumulador, el agua tiende a estratificarse por temperaturas debido a que las densidades son funci´n de la temperatura. De esta manera, la temperatura en la parte superior del dep´sito o o ser´ mayor a la de la parte inferior(esta diferencia es de 10 C y mas). Es importante potenciar a este efecto utilizando dep´sitos verticales con la altura al menos igual al doble del di´metro y con o a difusores en las tuber´ de entrada que minimicen la convecci´n. ias o El agua que pasa por los colectores se toma de la parte inferior del dep´sito (zona fr´ y retorna o ia) a la parte superior(zona caliente) por lo que el rendimiento de la instalaci´n se ver´ favorecido al o a trabajar a temperaturas lo m´s bajas posibles. El agua para consumo se extrae tambi´n de la zona a e superior del dep´sito de manera de extraer el l´ o iquido mas caliente primero. 18

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

La dimensi´n de los tanques de almacenamiento debe ser proporcional al consumo estimado y o debe cubrir la demanda de agua caliente de al menos un d´ como para que sea realmente util. ia ´ Es importante determinar la relaci´n superficie de captaci´n/volumen de acumulaci´n adecuada o o o para la aplicaci´n ya que grandes superficies de captaci´n con vol´menes relativamente peque~os o o u n dan lugar a temperaturas de almacenamiento (y de trabajo) m´s altas, lo que podr´ implicar a ia una reducci´n de la eficiencia de los colectores y eventuales da~os en materiales del sistema. Para o n aplicaciones de agua caliente sanitaria, se suele dimensionar unos 60-100 litros por m2 de superficie de captaci´n. Sin embargo, esto depende mucho de la cantidad de usuarios a abastecer y del tipo o de vivienda de la que se trate. Por esto ultimo es muy importante la recopilaci´n de informaci´n ´ o o de consumos de agua caliente sanitaria a lo largo del pa´ y clasificarla por tipo de viviendas. is 2.3.3. Subsistema de Distribuci´n o

En este subsistema se engloban todos los elementos destinados a la distribuci´n y acondio cionamiento a consumo. En general se pueden identificar varios dispositivos entre los cuales destacan: Sistema Auxiliar de Energ´ el cual es alimentado con energ´ convencional(ya sea el´ctrica, ia, ia e gas, etc.). Previene faltas de abastecimiento en d´ de baja radiaci´n solar (nublados por ej.). ias o Son indispensables en cualquier instalaci´n ya que la falta de abastecimiento es inaceptable o en la mayor´ de las situaciones. Es de vital importancia que sean posicionados justo antes de ia la l´ inea de consumo de manera de suplir instant´neamente a ´ste y evitar calentar el fluido a e t´rmico que va a colectores (disminuyendo el rendimiento). e Bombas. Son las encargadas de mover el fluido a trav´s de las ca~er´ del sistema. Es siempre e n ias recomendable que estas bombas est´n bien ubicadas dentro del circuito de manera de no e producir cavitaci´n, ni ruidos molestos. o Tuber´ y Conducciones, encargadas de guiar el fluido de un componente a otro. Es imporias tante tener cuidado con la mantenci´n de ´stas, especialmente en los lugares donde se tienen o e aguas muy duras. Vasos de Expansi´n que previenen excesos de presi´n en el circuito debido a cambios en o o el volumen del fluido de transferencia t´rmica. Son absolutamente necesarios en cualquier e instalaci´n para evitar roturas de piezas. o Purgadores, que permiten eliminar acumulaciones de aire en el circuito hidr´ulico. Son necea sarios para evitar p´rdidas de presi´n y bombeos irregulares. e o 19

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

V´lvulas que previenen recirculaciones naturales indeseadas. Estas son necesarias en los casos a en que la disposici´n de los elementos favorezca una circulaci´n natural del fluido en la o o direcci´n opuesta a la deseada, es decir, desde el acumulador al colector durante la noche por o ejemplo. V´lvulas de seguridad que previenen da~os en los elementos debido a sobrecalentamientos ina n esperados. Son muy importantes en cualquier instalaci´n y permiten evacuar el fluido t´rmico o e del sistema antes de que este alcance temperaturas demasiado altas como para da~ar los n componentes. Sistema de Control que regula las bombas y eventualmente otros dispositivos autom´ticos. a Este elemento es de suma importancia ya que controla las bombas, y por lo tanto la energ´ extra´ por unidad de volumen de fluido t´rmico. Es un potencial foco de ineficiencia ia ida e energ´tica y adem´s de falla del sistema. e a

2.3.4.

Sistemas Solares

En este apartado se ver´n algunos de los sistemas mas t´ a ipicos de calentamiento de l´ iquidos. Una diferencia fundamental entre dos sistemas solares se refiere al mecanismo mediante el cual se produce el movimiento del fluido que circula en el circuito primario de captadores. Existen dos tipos: la circulaci´n forzada y la circulaci´n natural o m´s com´nmente conocida como termosif´n. o o a u o En las instalaciones por termosif´n, representadas en la figura 2.7, el movimiento del fluido o de trabajo se produce por variaciones de densidad del fluido, como consecuencia de variaciones en la temperatura. El fluido contenido en los captadores, al recibir la radiaci´n solar, se calienta o aumentando su temperatura y disminuyendo, por tanto, su densidad. Al pesar menos, dicho fluido asciende hacia la parte alta del circuito, mientras que el fluido fr´ contenido en el acumulador, io con mayor densidad, se desplaza hacia la parte baja de la instalaci´n por la tuber´ de entrada a o ia colectores. As´ se genera una circulaci´n del fluido que se mantiene siempre que exista un gradiente i o de temperaturas entre el fluido de colectores y el del acumulador, y cesa cuando las temperaturas se igualan.

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Figura 2.7: Sistemas por termosif´n. o

La fuerza impulsora del movimiento en las instalaciones por termosif´n es peque~a y, por lo o n tanto, se debe prestar especial atenci´n al dise~o y montaje de la instalaci´n para favorecer siempre o n o el movimiento del fluido. Es decir, se requiere que los colectores est´n ubicados a una altura inferior e a la de los estanques de acumulaci´n. o Una instalaci´n por termosif´n se autorregula ya que se induce un caudal que es proporcional o o al salto de temperaturas entre captador solar y dep´sito, es decir, se ajusta el caudal a la radiaci´n o o captada. Normalmente, este ajuste se realiza de forma que el salto de temperaturas del fluido a lo largo del colector se mantenga constante y aproximado a los 10 o C. La regulaci´n por termosif´n es, pues, muy simple pero puede tener como contrapartida la o o imposibilidad de limitar la temperatura m´xima del dep´sito que, en verano y ´pocas de escaso a o e consumo, puede llegar a alcanzar valores importantes provocando sobrecalentamientos con riesgos para las personas y la durabilidad de la instalaci´n. o En cambio, los sistemas de circulaci´n forzada requieren de una bomba de impulsi´n que pero o mite cualquier disposici´n de equipos. El movimiento del fluido se realiza a trav´s de la bomba o e circuladora, con un caudal que normalmente est´ en el rango del doble que los de termosif´n y, por a o tanto, los saltos de temperatura en el fluido de los captadores suele ser de unos 5o C. En este caso la regulaci´n del sistema se debe efectuar por medio de un control diferencial de o temperaturas entre la parte inferior del dep´sito y la salida de captadores. o Luego, existen los sistemas de calentamiento directo (o tambi´n llamados de circuito abierto) y e los de calentamiento indirecto (tambi´n llamados de circuito cerrado). e

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Los primeros (ver Figura 2.8) tienen un solo circuito hidr´ulico que viene de la red, pasa por el a colector, luego por el acumulador y por ultimo va a los puntos de consumo. Este sistema tiene la ´ gran desventaja de presentar problemas de incrustaciones, corrosi´n y eventuales congelamientos de o ca~er´ y estanques. Algunos problemas, como las incrustaciones pueden ser evitadas con aditivos n ias que no afectan la salud de las personas, pero algunas otras no pueden evitarse sin contaminar el agua de consumo. Adem´s, existe el problema de que los colectores y ca~er´ en esta configuraci´n a n ias o est´n sometidas a la presi´n de la red, por lo que los elementos deben ser mas robustos y por lo a o tanto, pesados y caros. Por todo lo anterior, los sistemas de circuito abierto deben ser evitados a toda costa.

Figura 2.8: Sistema Termosolar de Circuito Abierto. Fuente:[28]

Por otro lado, los sistemas de circuito cerrado(ver figura 2.9) tienen dos circuitos separados. Uno es cerrado y es el que contiene el fluido t´rmico que fluye a trav´s de los colectores y luego e e va a un intercambiador de calor. En el intercambiador, transfiere el calor al l´ iquido proveniente de la red que luego va al estanque de acumulaci´n y a los puntos de consumo. En muchos casos el o intercambiador se encuentra dentro del acumulador.

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Figura 2.9: Sistema Termosolar de Circuito Cerrado. Fuente:[28]

Se puede ver que la gran ventaja del sistema cerrado esta en que el circuito del colector no se ve afectado por los problemas relativos al agua explicados anteriormente, sin embargo, el estanque de acumulaci´n sufre estos efectos al igual que el circuito abierto. Por otro lado, esta claro que el o sistema de circuito cerrado es mas caro que el abierto, pero en el caso chileno, debido a la mala calidad del agua potable, es obligatorio el uso de sistemas de circuito cerrado a menos que se justifique expresamente la imposibilidad de hacerlo. Luego, se tienen los sistemas de circulaci´n forzada. De f´cil aplicaci´n industrial, es posible o a o distinguirlos por la ubicaci´n de la fuente auxiliar y por la posici´n de los estanques acumuladores. o o Algunas configuraciones t´ ipicas se muestran a continuaci´n. o Planta solar con fuente auxiliar en paralelo ia En este sistema, mostrado en la Figura 2.10, los requerimientos son satisfechos por la energ´ solar si la temperatura en el acumulador es superior a la del consumo. En caso contrario, toda la energ´ es suministrada por la fuente auxiliar. ia

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Figura 2.10: Fuente auxiliar en paralelo.

Planta solar con fuente auxiliar en serie Este sistema, mostrado en la Figura 2.11, es similar al anterior, s´lo se diferencia en la posici´n o o de la fuente auxiliar, que en este caso, opera en forma complementaria.

Figura 2.11: Fuente auxiliar en serie.

Planta solar con fuente auxiliar en el estanque acumulador En este sistema, mostrado en la figura 2.12, la fuente auxiliar es incorporada al estanque acumulador, manteniendo siempre el nivel de temperatura sobre el nivel necesario en el consumo.

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Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Figura 2.12: Fuente auxiliar en el estanque acumulador.

Planta solar de dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio o e En este sistema, mostrado en la figura 2.13, la acumulaci´n energ´tica se produce en dos estanques, uno de acumulaci´n conectado a los colectores solares, y el otro de servicio con la fuente o auxiliar, comunicando el consumo.

Figura 2.13: Dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio.

Planta solar con dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio y con bomba de transferencia Este sistema, mostrado en la figura 2.14, es similar al anterior, s´lo se diferencia por la incorpoo raci´n de un control de transferencia que obliga a mantener el nivel de temperatura en el estanque o 25

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

de servicio sobre el del acumulador.

Figura 2.14: Dos estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio y bomba de transferencia.

Planta solar de tres estanques con estratificaci´n y la fuente auxiliar en el estanque o de servicio o e En este sistema, mostrado en la figura 2.15, la acumulaci´n energ´tica se produce en tres estanques, dos de acumulaci´n conectados a los colectores y el otro de servicio con la fuente auxiliar. o Adem´s, tiene incorporado un control de estratificaci´n que mantiene un gradiente de temperatura a o entre los estanques acumuladores. El traspaso de l´ iquido al estanque de servicio ocurre al producirse el consumo.

Figura 2.15: Tres estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio.

26

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Planta solar de tres estanques con estratificaci´n, fuente auxiliar en el estanque de o servicio y bomba de transferencia Este sistema, mostrado en la figura 2.16, es similar al anterior, s´lo se diferencia por la incoro poraci´n de un control de transferencia que obliga a mantener un gradiente de temperatura entre o todos los estanques.

Figura 2.16: Tres estanques con fuente auxiliar en el estanque de servicio y bomba de transferencia.

2.3.5.

Clasificaci´n de Sistemas Solares o

En general, las instalaciones solares t´rmicas pueden clasificarse atendiendo a los siguientes e criterios: 1. El principio de circulaci´n. o 2. El sistema de intercambio. 3. El sistema de expansi´n. o 4. La forma de acoplamiento de componentes. 5. La disposici´n de componentes. o 6. El sistema de energ´ auxiliar. ia En la tabla 2.1 se resume la clasificaci´n de los sistemas solares t´rmicos, atendiendo a los o e criterios antes establecidos. Las clasificaciones mas importantes son las del tipo de sistema de intercambio t´rmico y la del principio de circulaci´n utilizado. e o 27

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

Tabla 2.1: Tabla de clasificaci´n de sistemas solares t´rmicos. Fuente:[25]. o e

En general, se puede decir que los sistemas con fuente auxiliar en paralelo deben evitarse siempre que sea posible ya que el aporte solar s´lo se hace efectivo cuando la temperatura requerida en el o consumo es inferior a la temperatura en el acumulador solar. Adicionalmente, las fuentes auxiliares en paralelo deben ser de una mucho mayor potencia que en serie debido a que deben suplir el requerimiento energ´tico total. En serie, la energ´ auxiliar solo es requerida para suplir la diferencia e ia de temperatura entre el colector solar y el consumo.

2.4.

Trabajos existentes y normativa

Actualmente existe unos pocos trabajos referentes al estudio de sistemas de energ´ solar t´rmica ia e para el territorio chileno. Son los trabajos de Adolfo Arata[4] y Pedro Sarmiento[5]. Son libros bastante completos sin embargo, tienen el problema de haber sido editados alrededor de 1985. Consecuentemente, los datos de radiaci´n y clima encontrados en ellos son muy antiguos y por o lo tanto no son de mucha utilidad. Actualmente se requiere con urgencia una actualizaci´n de los o datos de radiaci´n solar junto con m´todos actualizados de dise~o. o e n En cuanto a la normativa nacional, se encuentran bastantes normas en consulta p´blica este u a~o, sumado a unas pocas mas preexistentes. Se listan a continuaci´n: n o

NCh3096/1.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Colectores solares. Parte 1:Reqe uisitos generales. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12975-1) 28

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

NCh3096/2.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Colectores solares. Parte 2:M´toe e dos de ensayo. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12975-2) NCh3120/1.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Sistemas solares prefabricados. e Parte 1: Requisitos generales. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12976-1) NCh3120/2.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Sistemas solares prefabricados. e Parte 2: M´todos de ensayo. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12976-2) e NCh3088/1.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Sistemas solares a medida. Parte e 1: Requisitos generales. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12977-1) NCh3088/2.c2007: Sistemas solares t´rmicos y componentes. Sistemas solares a medida. Parte e 2: M´todos de ensayo. (Norma internacional equivalente: UNE-EN 12977-2) e NCh3088/3.c2007: Sistemas solares t´rmicos y sus componentes - Sistemas hechos a medie da - Parte 3: Caracterizaci´n del reconocimiento de acumuladores para sistemas solares de o calefacci´n. o NCh2904/Of.2004: Energ´ Solar T´rmica - Vocabulario. ia e NCh2906/1.Of.2004: Energ´ Solar: Sistemas dom´sticos de calentamiento de agua. Parte 1: ia e Procedimiento de caracterizaci´n del rendimiento mediante m´todos de ensayo en interior. o e NCh2906/2.Of.2004: Energ´ Solar: Sistemas dom´sticos de calentamiento de agua. Parte 2: ia e Caracterizaci´n y pron´stico anual del rendimiento de los sistemas solamente solar mediante o o m´todos de ensayo en interior. e NCh2906/3.Of.2004: Energ´ Solar: Sistemas dom´sticos de calentamiento de agua. Parte 3: ia e Procedimiento de ensayo para caracterizar el rendimiento de los sistemas solar m´s suplemena tario. Claramente los trabajos actuales son precarios y escasos, por lo que este trabajo contribuye de manera significativa a revertir esta situaci´n. o

2.5.
2.5.1.

Estimaci´n de la Radiaci´n Solar Terrestre o o
Terminolog´ ia

Para poder estudiar adecuadamente los fen´menos radiativos, se debe tener al menos una o peque~a comprensi´n de la terminolog´ empleada. En general, los t´rminos mas com´nmente n o ia e u 29

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

utilizados en la literatura son los siguientes: Radiaci´n Directa (Ib ): Radiaci´n solar recibida del sol sin sufrir dispersi´n1 de la atm´sfera. o o o o Tambi´n es llamada Beam Radiation en ingl´s, raz´n del sub´ e e o indice. Se mide en
W . m2

Radiaci´n Difusa (Id ): Radiaci´n solar recibida del sol luego de que su direcci´n ha sido o o o alterada por efecto del scattering atmosf´rico. Tambi´n es llamada Radiaci´n de Cielo. Se e e o mide en
W . m2

Radiaci´n Total (I ): Suma de las radiaciones difusa y directa recibida sobre una cierta supero ficie. (La medici´n de radiaci´n solar mas com´n, es la radiaci´n total sobre una superficie o o u o horizontal, la cual se denomina Radiaci´n Global). Se mide en o
W . m2

Irradiancia (Gb ´ Gd ): La tasa a la cual la energ´ radiante incide sobre una superficie, por o ia unidad de ´rea de ´sta. Se usa el s´ a e imbolo G con el sub´ indice apropiado seg´n corresponda a u difusa o directa. Se mide en
W . m2

Irradiaci´n (I ´ H): La energ´ incidente por unidad de ´rea en una superficie. Se encuentra o o ia a integrando la irradiancia sobre un per´ iodo de tiempo espec´ ifico, usualmente una hora o un d´ (La insolaci´n es un t´rmino que se aplica espec´ ia. o e ificamente a la irradiaci´n solar) El o s´ imbolo H se usa para insolaci´n diaria (u otro per´ o iodo especificado). El s´ imbolo I se usa para la insolaci´n en una hora. H e I pueden ser difusas, directas ´ totales. Se mide en o o
J . m2

Radiosidad: La tasa a la cual la energ´ radiante deja una superficie, por unidad de ´rea, ia a debido tanto a emisi´n como a reflexi´n y transmisi´n. Se mide en o o o
W . m2

Poder Emisivo (E ): La tasa a la cual la energ´ radiante deja una superficie, por unidad de ia a ´rea, exclusivamente debido a emisi´n. Se utiliza el s´ o imbolo E con los sub´ indices apropiados. Se mide en
W . m2

Hora Solar: Tiempo basado en el movimiento angular aparente del sol a trav´s del cielo, con e el mediod´ solar cuando el sol atraviesa el meridiano local. El tiempo solar es el tiempo ia especificado en todas las relaciones de los ´ngulos solares. No coincide con la hora de reloj a local. Es necesario convertir la hora est´ndar a hora solar aplicando dos correcciones. Primero, a existe una constante de correcci´n debido a la diferencia en longitud entre el meridiano local o y el meridiano sobre el que se basa la hora local tomando en cuenta que el sol recorre 15
1

T´rmino que se refiere a la desviaci´n de un haz de luz debido a interacciones con part´ e o iculas en suspensi´n en la o

atm´sfera, incluyendo a los ´tomos constitutivos de ´sta. Tambi´n conocido como scattering o a e e

30

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

de longitud por hora. La segunda correcci´n proviene de la ecuaci´n del tiempo, que toma o o en cuenta la variaci´n de la velocidad de rotaci´n de la tierra durante el a~o y que por lo o o n tanto afecta el momento en que el sol cruza el meridiano del observador2 . El tiempo solar esta relacionado con el tiempo est´ndar de la siguiente forma: a

Hor aSolar = Hor aE standar + 4(Lst - Lloc ) + Et

(2.7)

donde Et es la ecuaci´n del tiempo en minutos, Lst es el meridiano para la zona horaria local o y Lloc es la longitud del lugar en cuesti´n en grados Oeste. o Et = 9,87sin2B - 7,53cosB - 1,5sinB donde B =
360(n-81) , 364

(2.8)

n= D´ del a~o (1 n 365). ia n

: Latitud, posici´n angular al norte o al sur del ecuador, con Norte positivo (-90o 90o ). o : Declinaci´n, posici´n angular del sol al mediod´ solar con respecto al plano ecuatorial, o o ia Norte positivo (-23, 45o +23, 45o ). : Inclinaci´n de la superficie captadora con respecto al plano horizontal (0o 90o ). o ´ zt : Angulo zenital, subtendido por una l´ inea vertical hacia el zenit (el punto justo sobre la cabeza del observador) y la l´ inea de visi´n del sol. o ´ : Angulo azimutal. Desviaci´n de la proyecci´n sobre plano horizontal, de la normal al o o plano de la superficie con respecto al meridiano local (Norte=0o , E negativo, W positivo, -180o 180o ). ´ : Angulo horario. Desplazamiento angular del sol hacia el E u W desde meridiano local debido a la rotaci´n terrestre sobre su eje a 15o por hora (ma~ana negativo y tarde positivo). o n = 15 · HSL - 180[ ] con HSL la hora solar local (en formato decimal). ´ ´ : Angulo de Incidencia. Angulo entre el rayo solar incidiendo sobre una superficie y la normal a ´sta. Cuando se habla del ´ngulo de incidencia sobre superficies horizontales se agrega el e a sub´ indice z (z ).
2

(2.9)

Tambi´n puede haber una correcci´n de 1hr. debido a horarios de verano (DST). e o

31

Cap´ itulo 2. Antecedentes Bibliogr´ficos a

2.5.2.

Direcci´n de la Radiaci´n Directa o o

A continuaci´n se muestra un peque~o esquema para ilustrar algunos de los ´ngulos de imporo n a tancia mostrados en la terminolog´ y que se utilizan frecuentemente. ia

Figura 2.17: Coordenadas solares y ´ngulos de importancia. a

Con esto, se pueden escribir las siguientes ecuaciones que permiten conocer la posici´n del sol o en los distintos d´ del a~o as´ como tambi´n las radiaciones recibidas por superficies en la tierra. ias n i e Declinaci´n o Para la declinaci´n , se tiene la siguiente aproximaci´n de Cooper(1969)[2]: o o 284 + n 365

= 23,45 · sin 360 · donde n= Nro. de d´ del a~o (1 n 365). ia n ´ Angulo de Incidencia de Radiaci´n Directa