CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 2011

1. CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA CURSO CAPEV 2011 CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL: PERSPECTIVA DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México ojs@cie.unam.mx6 de abril 2011

2. Colectores Solares Calentamiento de Agua

3. Calentamiento solar de agua • Uso sanitario • Lavado de utensilios y ropa • Uso recreativo y terapeuta (piscinas e hidroterapia). • Calentamiento de espacios • Procesos industriales

4. Calentamiento de agua para piscinas 25- 30 °C Calentamiento de agua doméstico 20 °C 40 °C 60 °C Calentamiento doméstico y de apoyo 80 °C 100 °C Absorbedor de plástico Absorbedor metálico Captador plano Con cubierta Captador al vacío Captador solar plano al vacío Captador con tubo evacuado Canal directo caloriducto Captador ICS con reflector Conexión seca Conexión húmeda Sin reflector

5. Sistema de Calentamiento Solar de Agua, SCSA • Sistema de captación • Sistema de almacenamiento • Sistema de intercambio térmico • Sistema hidráulico • Sistema de calentamiento auxiliar • Sistema de regulación y control

6. Metodología de diseño de instalaciones solares para el calentamiento de agua • Datos de inicio • Cálculo de la demanda • Cálculo de la energía solar disponible • Evaluación de la superficie de captadores y disponible y del volumen de almacenamiento • Diagrama del principio de la instalación • Selección de la configuración básica • Selección del fluido de trabajo • Diseño del sistema de captación • Diseño del sistema de almacenamiento térmico • Diseño del sistema de intercambio térmico • Diseño del circuito hidráulico • Diseño del sistema auxiliar de calentamiento • Diseño del sistema eléctrico y de control • Características técnicas de los componentes • Materiales y protecciones • Diseño de la estructura de soporte • Recepción y pruebas de funcionamiento

7. Consumos unitarios

8. Temperatura de uso

9. Cálculo de la demanda térmica DET = QACS(TU ) · CP · (TU –TAF ) • DET es la demanda media diaria de energía térmica (kWh/día ó MJ/día), Qacs(TU ) es el consumo medio diario de agua caliente a la temperatura TU ,  es la densidad del agua, CP es el calor específico del agua a presión constante, TU es la temperatura de uso del agua caliente y TAF es la temperatura del agua fría. Condiciones de funcionamiento • Captador solar 1.25 ≤ 100 A/g ≤ 2 Siendo A el área de captadores en m2 y g el consumo de agua caliente en litros/día • Almacenamiento térmico. Los modos de funcionamiento son estratificado y (10%) mezclado. V/A ≈ 50 y 100 litros/ m2 valor recomendado 80 litros/m2 0.8 G ≤V≤ g

10. La fracción solar La fracción solar se describe como la relación del calor solar producido entre los requerimientos totales de energía para el calentamiento de agua, de acuerdo a la ecuación siguiente: Donde FS es la fracción solar, %, QS es el calor solar producido (kWh), y QAUX es el calor auxiliar requerido (kWh). Un valor alto en la fracción solar implica un mínimo valor en la cantidad de energía convencional requerida para el calentamiento auxiliar, en el caso extremo la FS es 100%, no en todos ellos. La figura representa la evolución de la FS en función de la superficie de colección, en donde se puede apreciar, que la FS aumenta rápidamente al aumentar la superficie, sin embargo, a medida que esta aumenta, la evolución de FS es cada vez menor, por lo que es conveniente establecer en cada uno de los casos, la FS óptima, ya que a partir de un cierto valor, la recuperación de una mayor cantidad de energía solar, requerirá cada vez una mayor superficie, resultando en una alta inversión, haciendo poco rentable el proyecto de calentamiento solar.

11. demanda de energía = energía solar + energía auxiliar

12. Configuración de la instalación • Sistemas con circulación natural Los sistemas en donde la convección natural provocada por la diferencia en densidades, origina el movimiento del agua desde el colector al termotanque. A estos sistemas se les conoce con el nombre de “ termosifónicos”. • Sistemas con circulación forzada Los sistemas con circulación forzada cuando la transferencia de calor se realiza por el movimiento del fluido producido por una bomba.

13. Sistemas termosifónicos • Principio de funcionamiento En las instalaciones con circulación natural o termosifón,la circulación del fluido inicia cuando existe una diferencia de densidad entre los distintos puntos del fluido, como consecuencia de la diferencia de temperaturas, que genera una fuerza impulsora superior a la pérdida de carga de la instalación. Esta fuerza impulsora es a partir de la diferencia en densidades, por lo que su valor depende, entre otros parámetros, de la irradiancia solar incidente sobre el captador, la cual al aumentar, aumenta tanto el caudal de circulación a través de los captadores como el incremento de temperatura entre la salida y la entrada del captador solar. Para realizar un análisis sobre el funcionamiento de estas instalaciones, es necesario analizar diferentes parámetros que intervienen en su funcionamiento como son: • Dimensiones de la instalación • Distribución de las temperaturas • Dependencia de la densidad en función de la temperatura • Diferencia de presiones provocadas por las diferencias en densidades • Caudales de circulación resultantes

14. Determinación del caudal Con base a estos resultados y considerando irradiancias solares máximas, el aumento máximo obtenible es de 10 °C. y a partir de esta información, es posible obtener el valor del caudal de circulación de una manera aproximada, por medio de la siguiente relación: en donde FR es el factor de eficiencia, A la superficie de colección, ατ, la absortancia del absorbedor y la transmitancia de la cubierta, UL el coeficiente global de pérdidas térmicas, CP , el calor específico y TS , TE y TAMB , las temperaturas de entrada, y salida del captador y del ambiente.

15. Instalaciones con circulación natural • Los sistemas solares termosifónicos, pueden tener configuraciones sin intercambiador entre el captador (directo) y el termotanque o configuraciones indirectas, con intercambiador en el depósito, tipo intercambiador interno o termotanque con intercambiador tipo envolvente o encamisado. Sistema termosifónico directo

16. Sistema termosifónico directo. Las instalaciones directas son más económicas y tienen un rendimiento energético superior que las instalaciones indirectas. Se aconseja su empleo en pequeñas instalaciones individuales. Por lo general no se recomienda su empleo, principalmente en regiones en donde se registran bajas temperaturas ambiente, ya que la circulación directa del agua de red por el circuito de colectores plantea los siguientes problemas: • a) La congelación del agua en el colector en los lugares donde la temperatura exterior puede bajar de 0 °C. • b) Algunos captadores no soportan la presión de la red hidráulica. • c) Las aguas duras (alto contenido en sales) al calentarse por encima de 60 °C desprenden sales calcáreas que generan incrustaciones en los captadores y en el circuito. Con respecto a la calidad del agua, es posible integrar un tratamiento del agua, para disminuir la dureza.

17. Instalaciones con circulación natural • Sistemas termosifónicos indirectos Estos sistemas disponen normalmente de intercambiadores de doble envolvente, debido a su pequeña pérdida de carga, además que tienen un mayor costo, el inconveniente principal, es la mayor pérdida de carga, por la integración del intercambiador. En localidades con frecuencia de heladas se emplean mezclas acuosas de aditivos anticongelantes como fluido en el circuito primario, para evitar su congelación. Considerando las razones anteriores, es mejor la utilización de un circuito primario en donde circula un fluido o una mezcla que por sus propiedades térmicas no se congele y este circuito trasmita el calor a un circuito secundario. Para esta operación se requiere un intercambiador de calor entre ambos circuitos. Los intercambiadores más usados son del tipo serpentín y de doble envolvente. • Sistemas termosifónicos indirectos Estos sistemas disponen normalmente de intercambiadores de doble envolvente, debido a su pequeña pérdida de carga, además que tienen un mayor costo, el inconveniente principal, es la mayor pérdida de carga, por la integración del intercambiador. En localidades con frecuencia de heladas se emplean mezclas acuosas de aditivos anticongelantes como fluido en el circuito primario, para evitar su congelación. Considerando las razones anteriores, es mejor la utilización de un circuito primario en donde circula un fluido o una mezcla que por sus propiedades térmicas no se congele y este circuito trasmita el calor a un circuito secundario. Para esta operación se requiere un intercambiador de calor entre ambos circuitos. Los intercambiadores más usados son del tipo serpentín y de doble envolvente.

18. Sistema termosifónico con intercambiador integrado al termotanque, tipo serpentín Sistema termosifónico con intercambiador integrado al termotanque, tipo envolvente

19. Consideraciones: • Los captadores solares deben colocarse siempre por debajo del termotanque. • Con el objeto de evitar que se produzca durante la noche la inversión del flujo, la tubería de salida del colector debe situarse al menos 30 centímetros por debajo de la tubería de salida del depósito. En las instalaciones en donde esto no fuera posible, se permite el uso de una válvula antiretorno en el circuito primario de tipo vertical. • Debido al movimiento del fluido que se genera a causa de las pequeñas diferencias de densidad, provocadas a su vez por las diferencias de temperaturas en el sistema, la potencia disponible de bombeo natural es muy reducida y por tanto las fuerzas debidas a la fricción del fluido en las tuberías deberán de reducirse al máximo. Con base a lo anterior no se instalarán filtros, válvulas u otro tipo de estrangulamientos al flujo, con excepción de la válvula antiretorno y del purgador de aire, el cual se deberá colocar siempre en la parte más alta del circuito. No se instalarán codos a 90°. • Deben evitarse las tuberías horizontales y en ningún caso el diámetro de la tubería será inferior a ½ pulgada, para fines de diseño, el diámetro se considera el normalizado inmediatamente superior al necesario en una instalación con circulación forzada. • En el diseño del intercambiador se debe evitar que las circulaciones del fluido provoque cambios de dirección que bloquen el efecto termosifónico. Los cambios de dirección se realizarán con curvas de un radio mínimo de tres veces el diámetro del tubo. • Se puede reducir el aislamiento de la tubería de retorno para facilitar el efecto termosifónico. • Se debe mantener una diferencia de temperaturas de almenos 10°C para su correcta operación.

20. Tipos de sistemas termosifónicos • Sistema termosifónico compacto. Existen sistemas termosifónicos llamados compactos en donde el termotanque esta integrado al cuerpo del captador solar, son muy simples, fiables y de un costo menor, son más utilizados en pequeñas instalaciones individuales. Su mayor inconveniente reside en la escasa estética del sistema motivada por la necesidad de situar el tanque en posición superior, lo que dificulta su integración arquitectónica.

21. Captador solar autocontenido o unidad integral de captador y termotanque. En el captador autocontenido el fluido permanece estacionario y el mismo captador funciona como almacenamiento. Por lo general son de forma cilíndrica o rectangular y sólo calientan el volumen contenido en su interior. Sus principales ventajas son que no requiere de sistemas de circulación y de control ni mantenimiento ni protección anticongelante, ya que su gran volumen de agua caliente almacenada, evita su propia congelación. Sus principales desventajas son las grandes pérdidas de calor durante la noche. Por lo general se recomienda su uso, cuando el consumo de agua caliente se realiza durante la tarde o las primeras horas de la noche.

22. Conexión en serie de un sistema termosifónico con un sistema de calentamiento auxiliar de gas

23. Instalaciones con circulación forzada Instalaciones directas sin cambiador de calor . Instalaciones con intercambiador de calor integrado al termotanque. En este caso el intercambiador de calor puede ser interior de tipo serpentín o similar o del tipo con doble envolvente Instalaciones con intercambiador de calor separado tipo placas o tubular

24. Instalaciones con circulación forzada Intercambiador interno tipo serpentín Sin intercambiador Intercambiador externo Intercambiador interno tipo envolvente

25. Sistemas termosolares a circulación forzadaSistema abierto • Para prevenir la formación de bolsas de aire, los captadores deben de estar colocados estrictamente de acuerdo con las instrucciones referentes a la inclinación de las tuberías. • Deben instalarse purgadores automáticos en el punto más alto del sistema. • La salida del agua caliente, al punto de consumo, debe de estar en el lugar más alto del tanque. • Las tuberías deben estar aisladas térmicamente. • Se debe de asegurar que las distancias entre el captador y el termotanque sean los más cortas y derechas posibles, sin curvas y siempre inclinadas hacia arriba. • f) La capacidad de la bomba respecto al caudal, presión, etc. debe estar de acuerdo a la superficie del captador y a la longitud de las tuberías. Un caudal de 50 a 80 litros por hora por metro cuadrado de área de captador es recomendado.

26. Sistema termosolar cerrado unifamiliar • Sistema termosolar cerrado unifamiliar Este sistema se utiliza cuando la red de suministro de agua municipal contiene sales (principalmente de calcio) que pueden provocar incrustaciones o una corrosión excesiva del captador, o cuando existe la posibilidad de la congelación, lo que obliga a utilizar un anticongelante. Se debe adicionar al sistema un tanque de expansión, para mantener una presión constante en el sistema de circulación y termointercambiador. El tanque de expansión generalmente esta integrado a la tubería que conecta el tanque con la bomba. Todas las indicaciones que se hicieron en el caso anterior son aplicables a este sistema

27. Sistema termosolar central cerrado con termotanques individuales e interintercambiador interno. • Este sistema termosolar está diseñado especialmente para bloques de departamentos de varios pisos, en donde cada departamento esta equipado con un termotanque individual . • Se debe de instalar una válvula principal en la entrada de cada departamento, así como un termostato diferencial, un sensor y una válvula solenoide. • En cada tanque existe un elemento calefactor independiente (generalmente eléctrico) controlad por un termostato • En este sistema existen los tanques de expansión instalados en el lado de succión de las bombas, las que deberán de suministrar un caudal que este de acuerdo con la superficie de captación (60 litros por metro cuadrado) y con una carga de agua de 10 metros.

28. Sistema termosolar central cerrado con termotanques individuales e interintercambiador externo y calentamientoauxiliar • En el sistema central cerrado con interintercambiador externo y calefactor auxiliar, hay un tanque de almacenamiento central del cual se abastece de agua caliente a cada uno de los departamentos a través de un circuito aparte de agua caliente para el consumo, por medio de una bomba, cuando las distancias entre el punto de consumo y el termotanque son considerables. El contar con un circuito separado para los consumidores les permite obtener agua caliente tan pronto como abren la llave

29. Sistema abierto con dos termotanques y calentamiento interno auxiliar. • En este sistema existe un circuito del termotanque de los captadores, un termostato diferencial que controla la bomba de circulación y una válvula solenoide, cuyo propósito es impedir la circulación termosifónica de reflujo cuando los captadores están fríos . . En ambos tanques, las entradas de agua están provistas de difusores de corriente,El calefactor auxiliar está instalado en el tanque 2, así como dos termostatos controlados por medio de un reloj. Por medio de esta configuración se obtiene el calentamiento adecuado del agua de forma controlada y sin desperdiciar energía.

30. Sistema abierto (instalación central o individual) con calentamiento adicional externo. • La configuración para conectar el tanque de almacenamiento con la caldera se muestra en la figura anexa. Este sistema se parece al caso anterior y por lo mismo las indicaciones son válidas también para este sistema

31. Sistema cerrado con un termotanque, termointercambiador externo y calefactor auxiliar • Este sistema cerrado, se utiliza como en los casos anteriores, cuando el agua de suministro es dura y se debe prevenir el bloqueo en las tuberías por los depósitos calcáreos o cuándo se requiere un anticongelante. En este sistema se recomienda instalar un tanque de expansión para asegurar una presión constante en el sistema. La bomba instalada entre el intercambiador externo y el captador debe de satisfacer las demandas tanto del captador como del termointercambiador. Se debe instalar una válvula de retención entre el tanque y el interintercambiador, para prevenir el reflujo termosifónico de calor entre el termotanque y el intercambiador, impidiendo así la pérdida de calor a través del captador.

32. Sistema termosolar cerrado con dos termotanques, intercambiador externo y calefactor auxiliar. • Este es un ejemplo de sistema que integra dos tanques de almacenamiento, con caldera y un intercambiador de calor externo. En realidad es posible incorporar tres o incluso más tremotanques en instalaciones similares. Los termostatos diferenciales en el circuito entre los termiotanques deben estar instalados de tal forma que cada uno de ellos transfiera calor al que le sigue en línea, con el objetivo de asegurar : A) Bajas temperaturas en el tanque de almacenamiento 1, lo que es conveniente para una mejor absorción de la energía solar. B) Que la caldera se alimente a todo momento con agua caliente al nivel más alto posible, con el objeto de disminuir el tiempo de funcionamiento del calefactor auxiliar. Hay que considerar, que es preferible tener un solo almacenamiento más grande, para mejor conservar la energía y ser más económico. Lo que se ha comentado anteriormente, también puede ser aplicado en este caso.

33. Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario y climatización en una escuela

34. Calentamiento de agua de uso doméstico para una casa unifamiliar

35. Aplicaciones industriales con función estructural

36. Climatización de invernaderos, áreas de crianza de aves y animales en general y aplicaciones en la agricultura

37. Calentamiento de agua para instalaciones en campamentos

38. Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario para instalaciones hoteleras

39. Sistema de calentamiento de agua para uso sanitario y recreativo en un centro deportivo

40. Clasificación de captadores solares

41. BALANCE DE ENERGÍA EFICIENCIA INSTANTÁNEA EFICIENCIA ÓPTICA EFICIENCIA TÉRMICA

43. Superficie absorbedora B C A A) Absorbedores formados por dos placas conformadas y soldadas entre sí. B) Absorbedores constituidos por una parrilla de tubos unidos a una placa o conjunto de aletas. C) Absorbedores formados por una placa y un serpentín unido a la misma.

44. Tipos de recubrimientos Propiedades ópticas de algunos recubrimientos selectivos.

45. Captador solar plano de plástico (Polipropileno) para el Calentamiento de una alberca en Cancún, Q.R.

46. Captadores solares planos

47. Captadores solares con tubos evacuados • Una técnica para disminuir las pérdidas convectivas consiste en evacuar el aire que rodea al absorbedor, en este caso; a estos captadores solares se les conoce con el nombre de; “captadores solares evacuados. • El captador solar evacuado más conocido consiste en un tubo de vidrio ( boro silicato), en cuyo interior se coloca un absorbedor solar de placa plana unido a un tubo en donde circula el agua a calentar y que cuenta además con un recubrimiento selectivo. • Existen comercialmente dos tipos de colector solar evacuado,: los del tipo vidrio-vidrio y lo del tipo vidrio-metal. Clasificación • Captador solar a vacío con circulación directa. • Captador solar a vacío con caloriducto • Captador solar a vacío con efecto "Termo" • Captador solar a vacío tipo "Schott"

48. Tubo evacuado tipo vidrio-vidrio El colector solar evacuado consiste de dos tubos concéntricos de vidrio, por lo general de material de borosilicato. Los tubos están unidos entre si y durante su fabricación, (a la sección anular que los separa), se les extrae la mayor parte del aire, hasta alcanzar una muy baja presión, lo cual actúa como un aislante térmico En la superficie exterior del tubo interior se deposita una superficie selectiva y el agua circula y se calienta dentro de este tubo. La figura 6, muestra un diagrama de un captador solar evacuado vidrio-vidrio. Sección evacuada Vidrio exterior Agua caliente Agua fría Agua caliente Vidrio exterior con recubrimiento absorbente

49. Tubo evacuado tipo vidrio-metal El diseño mas común del tipo vidrio-metal, consta de un absorbedor metálico de placa plana con recubrimiento selectivo encerrado en un tubo de vidrio de borosilicato unido al metal por medio de una junta de expansión para amortiguar las diferencias en la dilatación térmica. Se extrae el aire al interior hasta alcanzar un vacío suficiente para reducir al máximo las pérdidas de calor por convección Junta de expansión vidrio metal Tubo metálico para transporte del agua Aleta metálica absortiva Agua caliente Agua fría Agua caliente Envolvente de vidrio Sección evacuada

50. El captador a vacío con circulación directa Esta técnica fue la primera en desarrollarse hace más de 30 años, con el objeto de mejorar la eficiencia del captador plano normal. La concepción del absorbedor y los ductos de circulación del fluido térmico son como las del captador plano, con la diferencia que las entradas y salidas son estrechas para poderse introducir al interior de un tubo de vidrio, en cuyo interior el aire se evacua, haciendo el vacío necesario y cerrando posteriormente de manera hermética. Existen en versiones vidrio-vidrio y metal-vidrio, en donde la complejidad radica en la formulación de los sellosvidrio/ metal.