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Juan Martínez Pastor
Cristina Suárez Fernández
Manuel Ángel García Benito
Máster en Energías Renovables y Mercado Energético
RESUMEN
EJECUTIVO
DISEÑO
DE
UN
SISTEMA
SOLAR
CON
CCPS
PARA
ALIMENTAR
TÉRMICAMENTE
UNA
PLANTA
DE
BIOETANOL
.
A
NÁLISIS
DE
LA
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ... 3
1.1. Objetivo ... 3
1.2. Descripción general de la planta termosolar ... 3
2. ANÁLISIS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL BIOETANOL ... 5
3. DIMENSIONAMIENTO DEL CAMPO SOLAR ... 6
4. CONFIGURACIÓN DEL CAMPO DE CCPs ... 7
5. DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO DEL CAMPO DE CCPs ... 7
6. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO ... 9
6.1. Descripción general ... 9
6.2. Descripción funcional del sistema ... 10
6.3. Elementos del sistema ... 10
7. ESTUDIO DE LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA ANUAL: ... 11
8. ESTUDIO ECONÓMICO: ... 12
Pág. 3 de 14 1. INTRODUCCIÓN
1.1. Objetivo
El objeto del presente proyecto es definir las características generales, funcionales y técnicas de los distintos sistemas que integran la Planta Termosolar de colectores cilindro-parabólicos que satisfará las necesidades térmicas de una planta de producción de bioetanol.
El campo solar producirá el vapor requerido para el proceso empleando la tecnología CCP, basada en colectores que concentran la radiación solar con foco lineal con el objeto de calentar un fluido de transferencia térmica, a través del cual se cede calor al agua que será vaporizada.
La Planta Termosolar estará ubicada en un punto geográfico con latitud 37.5º N y longitud 3º O.
1.2. Descripción general de la planta termosolar
La instalación solar industrial consiste en un campo de colectores solares cilindro-parabólicos a través del cual circula aceite térmico VP-1 (circuito primario). A través de un intercambiador de calor, la energía solar es utilizada para la generación de vapor saturado.
Se contará también con un sistema de almacenamiento de energía térmica basado en dos tanques de sales fundidas, que suministrará energía al sistema cuando la producción energética del campo sea menor que la demandada.
El campo solar estará diseñado para alcanzar la máxima temperatura que puede soportar el aceite térmico, de manera que así se consiga una optimización de la energía almacenada por kg de sal, lo que permite reducir el volumen de sales necesarios para el almacenamiento térmico, con la las ventajas que esto conlleva tanto en los costes como en la facilidad de operación y mantenimiento.
PUNTO DE DISEÑO DE LA PLANTA SOLAR
Día y hora 15 Junio, mediodía solar
Latitud y longitud del lugar 37.5 º N, 3º O
Temperatura de diseño 393 º C
NECESIDADES DE LA PLANTA DE BIOETANOL
Caudal de vapor saturado a 169.5 º C 26.5 t/h
Potencia térmica requerida 19 MWt
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA PLANTA SOLAR
Aceite térmico Santotherm VP-1
Temperatura del aceite a la entrada del campo 298 º C Temperatura del aceite a la salida del campo 393 º C
Modelo del colector y disposición del campo Eurotrough-100, 52 filas de 4 colectores en serie Modelo y potencia bomba del circuito de aceite Allheat NTWH 200-400/01
Sistema de almacenamiento térmico Sales de nitrato fundidas, 2 tanques (frío/caliente)
Tabla 1.1. Datos técnicos de la planta.
1.2.1. Campo solar
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Los reflectores están constituidos por espejos a base de paneles de vidrio pulimentado conformado en caliente, soportados por una estructura de acero galvanizado y de tipo modular.
El tubo absorbedor del colector solar, conocido por las siglas HCE (Heat Collecting Element), está compuesto por un tubo de acero de 70 mm de diámetro exterior recubierto con una superficie selectiva, rodeado por un tubo de vidrio al que se le ha hecho el vacío.
Los colectores están dotados de un movimiento de rotación sobre su eje longitudinal, lo que se consigue gracias a un sistema de seguimiento solar, cuya misión es conseguir un óptimo posicionamiento de los reflectores, maximizando el tiempo de exposición a la radiación solar directa de la superficie captadora. En este caso la orientación de los colectores es Este-Oeste, la cual permite minimizar las variaciones estacionales en la energía térmica suministrada por los CCPs y obtener un aporte térmico más estable durante todo el año.
1.2.2. Sistema de aceite térmico
El sistema de aceite térmico esta formado por un circuito cerrado por el cual circula el aceite térmico. El objeto de este sistema es transferir la energía captada en el campo solar hasta el generador de vapor solar. Para ello se utiliza un fluido de transferencia térmica (HTF – Heat Transfer Fluid), estable a altas temperaturas y capaz de operar hasta 400 º C con seguridad. En este caso se empleará aceite Santotherm VP-1.
1.2.3. Agua de alimentación
Del vapor que se produce gracias a la energía solar captada, sólo una parte retorna al sistema de generación de vapor en forma de agua líquida, puesto que el proceso consume parte de dicho vapor para llevar a cabo la producción de etanol.
1.2.4. Interfase con el proceso industrial
Cuando se alimenta un proceso industrial térmico, a este tipo de aplicación se le denomina internacionalmente con las siglas IHP (Industrial Heat Process). La interfase entre el sistema solar y el proceso es un intercambiador de calor aceite/agua donde el aceite térmico procedente del campo solar cede su energía térmica al agua de alimentación, produciendo vapor.
El flujo de aceite, desde la salida del campo solar hasta volver a entrar en el mismo, pasará por un evaporador y un precalentador del agua. En este caso no es necesario un sobrecalentador, ya que lo que se desea producir es vapor saturado.
1.2.5 Sistema de almacenamiento térmico
La potencia nominal del campo solar será superior a la del proceso, por lo que la planta solar constará de un sistema de almacenamiento para almacenar la energía térmica excedente durante las horas de sol. Éste ofrece las siguientes ventajas:
- Permite suministrar energía térmica en horas de ausencia de radiación solar directa, con lo cual los períodos de captación de la energía solar y el suministro de energía térmica al proceso, no tienen que transcurrir simultáneamente.
- Permite suministrar una potencia térmica constante al proceso, independientemente de la radiación solar directa que haya disponible.
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El sistema de almacenamiento será dual, es decir, el almacenamiento de calor se efectuará en un medio diferente al fluido de trabajo que se calienta en los colectores solares. Se emplearán dos tanques de sales fundidas para almacenar calor, uno frío y otro caliente. Se intercambiará calor con el fluido procedente del campo solar durante el ciclo de carga, y se almacenan en el tanque caliente.
2. ANÁLISIS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL BIOETANOL
Para optimizar el diseño del campo de colectores cilindro-parabólicos de manera que este se adapte lo máximo posible a la demanda térmica del proceso industrial, es necesario conocer el proceso típico de producción de etanol, similar al de las centrales de producción de Bioetanol actuales, y que a continuación se describe.
Para una fábrica típica con capacidad para producir unos 100 millones de litros anuales de etanol, según un proceso continuo las 24 horas durante todo el año, salvo paradas programadas puntuales y operaciones de mantenimiento, los principales puntos de consumo de vapor saturado son:
Cocción {4 (t/h) a 7.8 (bar_g)} Destilación {20 (t/h) a 6 (bar_g)} Evaporador {0.5 (t/h) a 7.8 (bar_g)} Peletización {1 (t/h) a 7.8 (bar_g)} CIP {1 (t/h) a 7.8 (bar_g)}
Esta demanda térmica se satisface actualmente por medio de una caldera de cogeneración en ciclo simple con una turbina de vapor de 25 (MW). Desde el punto de vista de la demanda de vapor saturado la instalación se simplifica (se omiten los procesos intermedios sin demanda energética y se supone nula su influencia en todo el proceso de diseño), y a efectos energéticos se reduce al siguiente esquema (Fig. 2.1):
Figura 2.1. Demanda de vapor saturado del proceso.
Se obtienen las siguientes condiciones del agua de alimentación a la caldera, que permitirán a posteriori determinar las condiciones de entrada del aceite térmico al campo de CCPs:
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3. DIMENSIONAMIENTO DEL CAMPO SOLAR
Para el dimensionamiento del campo se escoge como día de diseño el 15 de Junio al mediodía solar. De esta forma nos aseguramos de no sobredimensionar excesivamente el campo para los meses de verano. La siguiente tabla recoge los parámetros de diseño:
TEMPERATURA DEL ACEITE A LA ENTRADA Y SALIDA DEL CAMPO DE COLECTORES
Temperatura entrada Ti (ºC) 298
Temperatura salida To (ºC) 393
Temperatura media Tm (ºC) 345,5
ANGULO DE INCIDENCIA EN EL PUNTO DE DISEÑO
Angulo de incidencia φ 0,6
RADIACION SOLAR DIRECTA Y TEMPERATURA AMBIENTE EN EL PUNTO DE DISEÑO
Radiación Solar Directa I (W/m2) 928 Temperatura Ambiente Ta (ºC) 32,4
Tabla 3.1. Parámetros de diseño.
Se ha calculado el número de colectores en serie y en paralelo necesarios para satisfacer la demanda de vapor requerida por el proceso de producción de bioetanol, que será la siguiente:
NECESIDADES TÉRMICAS PLANTA BIOETANOL
Q H2O (t/h) 169,5ºC y 7,8 bares 26,5
T entrada H2O (ºC) 77
T salida H2O (ºC) 169,5
T media H2O (ºC) 123
Cp H2O vap, 123ºC (KJ/Kg ºC) 4,2632
H2O vap, 123ºC (KJ/Kg) 2193
Potencia Térmica demandada (KW) 19045,74
Tabla 3.2. Necesidades térmicas de la Planta de Bioetanol.
A partir de los datos de radiación directa en el día de diseño y considerando las pérdidas térmicas en los colectores, se ha calculado la potencia útil del campo solar en cada fila.
Teniendo en cuenta el salto térmico fijado para el aceite desde la entrada hasta la salida del campo solar y el incremento de temperatura que se produce en un colector, se ha obtenido el número de colectores en serie para cada fila.
El caudal de aceite a pasar por los colectores se ha calculado en un principio suponiendo un Reynolds inicial de 4x105. Al decidir poner 4 colectores en serie se recalcula el caudal teniendo en cuenta el nuevo Reynolds obtenido con los 4 colectores. En el dimensionamiento se garantiza un régimen turbulento dentro de los tubos absorbedores.
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la temperatura nominal de entrada al campo solar. Finalmente obtenemos un total de 52 filas de colectores conectadas en paralelo.
Conocido el número total de colectores y la potencia útil total del campo, se ha obtenido la energía sobrante que se envía al sistema de almacenamiento térmico y las horas de funcionamiento extra que éste puede proporcionar.
Los resultados se recogen en la siguiente tabla:
Nº Colectores en serie
Nº Series en paralelo
Nº total de colectores
4 52 208
E Térmica x fila (kW·h)
E campo (kWh)
E excedente (kWh)
E a almacén (kWh)
E deficitaria (kWh)
E sobrante-E déficit
Horas extra de funcionamiento
9.552,88 498.176,58 234.716,84 283.119,33 48.402,48 234.716,84 12,324
Tabla 3.3. Resumen dimensionamiento del campo solar y estudio para el día de diseño.
4. CONFIGURACIÓN DEL CAMPO DE CCPs
Una vez diseñado el sistema solar de colectores cilindro parabólicos, el siguiente paso es definir la disposición física que ocuparán los colectores dentro del campo así como la separación y distribución de filas que éstos forman.
52filas/4sectores = 13 filas por sector
Para evitar pérdidas por sombras entre colectores, se ha tomado una separación entre líneas de colectores de 17.3 (m), es decir, tres veces el valor del ancho del colector, con lo que la distancia entre la entrada o salida de lazos de colectores adyacentes es de 34.6 (m), ya que los cuatro colectores de cada fila se configuran formando un lazo en forma de ‘U’.
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5. DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO DEL CAMPO DE CCPs
Para especificar los dispositivos hidráulicos de una fila de colectores, se hace necesario dividir ésta en tramos según su número de colectores y disposición relativa, que dan lugar a que la disposición de estos elementos difiera de un tramo a otro.
- Tramos de colector (T-c1 T-c4): Estos tramos son los que corresponden
estrictamente a cada tubo absorbedor, es decir, a colector cilindro parabólico.
- Tramos intermedios (T-12 y T-34): Son los que abarcan las conexiones intermedias
entre colectores de la fila.
- Tramo central (T-23): Es el tramo de conexión central de la fila (conexión del final del
colector 2 con la entrada al colector 3).
Figura 4.1. Diferentes tramos en una fila de colectores.
Se pueden distinguir, para cada tramo tanto del circuito caliente como del frío indistintamente, los siguientes elementos:
Figura 4.1. Elementos en cada tramo del circuito.
- Tramo de alimentación al campo (T-0): Es el tramo comprendido entre la impulsión
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- Tramos de distribución a cada fila (T-f1 -> T-f13): En estos tramos se canaliza el
aceite térmico de forma equilibrada a dos filas de colectores dispuestas simétricamente respecto al eje de la tubería. Cada uno de estos tramos comienza tras la bifurcación justamente anterior y finaliza en el elemento de bifurcación a que alimenta a las dos filas de colectores que tiene a cada lado.
Para la realización del cálculo de las pérdidas de carga en el circuito de aceite térmico, se parte de las dos siguientes restricciones, que resultan fundamentales y necesarias para una adecuada operación del flujo:
a) La velocidad del fluido de trabajo queda acotada entre 1 y 3 (m/s) como base de una buena práctica para las condiciones del flujo.
b) El número de Reynolds necesario para asegurar un flujo con suficiente turbulencia como para evitar la deformación de los tubos absorbedores de los colectores ha de ser como mínimo de 40000.
El tipo de tubería que se utiliza para todos los tramos exceptuando los tubos receptores es de acero al carbono grado B con un SCH ‘40’, al que se le atribuye típicamente una rugosidad de su pared interior de 50 (μm).
El desarrollo de los cálculos se encuentra en el Anexo IV y arroja el siguiente valor de pérdidas de carga total de la instalación de aceite:
{P = 5.45 (bar) ≡ P = 55.6 (m c.a.)}
Una vez obtenida la pérdida de carga total del circuito, la determinación de la potencia de la bomba de aceite que alimenta el campo solar es directa:
Ppump = ρ·Q·g·H/η
Siendo ‘ρ’ la densidad del aceite en el tramo frío, ‘Q’ el caudal, ‘H’ la energía específica en metros que ha de vencer la bomba y ‘η’ el producto de los rendimientos eléctrico y mecánico de la bomba y que se ha tomado con el valor usual de ‘0.75’.
{Ppump = 150 (kW)}
Debido a las altas temperaturas de trabajo del aceite térmico, durante la operación del campo solar éste se ve sometido a un severo incremento de volumen respecto al que tiene cuando se realizado el llenado en frío del sistema. Se considera que todas las tuberías del campo solar están completamente llenas por el aceite, precisamente debido a la existencia de los vasos de expansión en el circuito, que se colocan a cierta altura para garantizar que no puedan quedar zonas no ocupadas por el aceite. De este modo el volumen interior de las tuberías coincide exactamente con el del aceite necesario.
Una vez conocido este volumen puede obtenerse su expansión, y con ello dimensionar el depósito de expansión tomando como criterio que su volumen sea entre 3 y 3.5 veces el volumen de expansión.
Pág. 10 de 14 6. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO
6.1. Descripción general
La instalación termosolar dispone de un sistema de almacenamiento de calor en sales de nitrato fundidas a alta temperatura, que permite extender el periodo de funcionamiento normal de estas plantas. Se empleará una mezcla de sales con la siguiente composición:
- 60% en peso de nitrato de sodio, NaNO3 - 40% en peso de nitrato de potasio, KNO3
El sistema está constituido por dos tanques, uno conteniendo sales frías y otro conteniendo sales calientes. En la siguiente tabla se recogen las principales características del sistema de almacenamiento térmico.
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO 283119.33 KWh 12.324 horas de funcionamiento extra
COMPOSICIÓN DE LAS SALES FUNDIDAS 60% NaNO40% KNO 3 3
CANTIDAD DE SALES NECESARIA 7150.724 toneladas
MODO DE OPERACIÓN Tanque frío/Tanque caliente RANGO DE TRABAJO 285º C-380º C
DIMENSIONES DEL TANQUE FRÍO
V (m3)=3 933.09
Ф (m)= 17.109 h tanque (m)= 17.109
DIMENSIONES DEL TANQUE CALIENTE
V (m3)=4 062.91
Ф (m)=17.295 h tanque (m)= 17.295
ESPESOR DEL AISLAMIENTO TÉRMICO DE LOS TANQUES Capa de lana de roca: 66.6 mm Capa de aluminio: 1 mm Tabla 6.1. Parámetros del almacenamiento de sales fundidas.
6.2. Descripción funcional del sistema
Las sales de nitrato de sodio y nitrato de potasio se mantienen en estado líquido en el tanque frío a 285º C, temperatura que proporciona un margen de seguridad entre el punto de fusión (221º C) y la temperatura de la sal en dicho tanque.
Cuando existe radiación solar disponible, las sales se bombean desde el tanque frío hasta un intercambiador donde absorben el calor del fluido de los colectores solares hasta alcanzar los 380 ºC y de ahí son traspasadas al tanque caliente. Cuando no se dispone de radiación solar se realiza justamente el camino inverso del tanque caliente al frío, sólo que ahora son las sales fundidas las que transfieren la energía térmica al fluido de aceite sintético con el que se generará el vapor.
6.3. Elementos del sistema
En la siguiente figura se muestra un esquema de la planta solar. El circuito de aceite térmico está conectado al proceso mediante un intercambiador de calor aceite/agua, en el que se produce vapor industrial.
Al sistema de almacenamiento térmico mediante un intercambiador aceite-sales/sales-aceite, en el que la energía sobrante proporcionada por el campo solar se transmite a las sales fundidas para ser almacenada, o bien la energía almacenada en las sales fundidas se transfiere al aceite térmico en situaciones en las que no se dispone de la radiación solar necesaria.
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6.3.1. Almacenamiento de sales frías
- Tanque de almacenamiento de sales frías - Calentadores eléctricos sumergidos en el tanque
- Bombas de sales frías con motores eléctricos y variadores de velocidad.
6.3.2. Intercambiadores de calor para sales fundidas
El tren de intercambio es de carcasa y tubos y está dispuesto en serie. El HTF circula por los tubos, mientras que las sales fundidas circulan por la carcasa. Las tuberías llevan traceado eléctrico para evitar la congelación de las sales. El sistema consta de dos bombas de sales (una para la carga y otra para la descarga del sistema de almacenamiento).
6.3.3. Almacenamiento de sales calientes
- Tanque de almacenamiento de sales calientes - Calentadores eléctricos sumergidos en el tanque
- Bombas de sales calientes con motores eléctricos y variadores de velocidad.
6.3.4. Sistema de drenajes
- Recipiente de drenaje, para vaciar las tuberías y los intercambiadores, situado a 2 m por debajo del nivel del suelo. Posee traceado para evitar que solidifiquen.
- Bomba de drenaje para devolver las sales al tanque de sales frías - Sistema de detección de fugas y condensados de HTF
Tanto el tanque frío como el caliente están inertizados con nitrógeno para evitar oxígeno en contacto con el HTF en caso de fuga. Por este motivo el volumen de los tanques se sobredimensionado un 5% (para una cámara de inertización).
7. ESTUDIO DE LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA ANUAL:
Conociendo los datos climatológicos de todo el año se puede hacer una estimación de la energía térmica producida por nuestro sistema solar.
La siguiente gráfica recoge los valores de la producción energética para el día 15 de cada mes del año a la latitud de diseño. También se representa la demanda de energía y la energía térmica que sería almacenada diariamente en el sistema de almacenamiento de sales.
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En el proyecto completo se hará un estudio de la producción estimada mensual, conociendo la relación de días claros que hay en el mes. Así se podrá hacer un análisis del aporte real de energía al proceso industrial que proporciona nuestro campo solar y el aporte que habrá que suministrar por medio de energías convencionales.
8. ESTUDIO ECONÓMICO:
Tras el desarrollo del cuadro de mediciones y precios, se ha elaborado un
presupuesto que lleva a que el capital necesario para invertir en el proyecto sea el que se
desglosa a continuación:
FASE COSTE (€)
Obra Civil 902500
Campo Solar 18610000
Equipos 9335000 Naves 16250000 Conducciones 230000 Sistemas Auxiliares 1200000
Mano de obra 2150000
TOTAL (M€) 48.6775
Imprevistos (%) 7.5
Impuestos (%) 5.5
Beneficio (%) 8
CAPITAL (M€) 58.9 Tabla 8.1. Presupuesto de la planta solar.
9. INFLUENCIA DE LA LATITUD EN LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA:
Para el presente estudio se ha analizado la producción de energía térmica obtenida por el campo solar diseñado en este proyecto a diferentes latitudes. La latitud inicial de diseño es 37,5ºN y se comparará con latitud 0ºN y 20ºN.
Se procederá a comparar las producciones energéticas de un día claro representativo de cada mes para cada una de las tres latitudes distintas. Calculamos por tanto, las producciones de energía térmica a las dos nuevas latitudes de 20ºN y 0ºN con las correspondientes variaciones que habrá en los datos meteorológicos y los ángulos de incidencia.
Fig. 9.1. Energía térmica generada a las diferentes latitudes de estudio. E 0ºN (kWh/día) E 20ºN (kWh/día) E 37,5ºN (kWh/día) E demanda (kWh/día) Ene 445.448 423.162 389.326 457.098
Feb 440.702 432.931 418.366 457.098
Mar 427.765 427.635 424.882 457.098 Abr 431.397 438.522 443.966 457.098
May 469.254 482.844 499.671 457.098
Jun 452.715 476.855 498.177 457.098
Jul 465.251 485.800 508.173 457.098
Ago 432.399 439.002 444.436 457.098 Sept 375.237 375.328 377.711 457.098
Oct 413.675 406.562 399.609 457.098
Nov 479.918 463.593 438.551 457.098
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A simple vista no se obtienen unas producciones muy distintas para las tres latitudes. Si se observa que el sumatorio anual de la energía es ligeramente mayor para latitudes más meridionales.
Concretamente a 0ºN la producción es un 0,23% mayor que a 20ºN. Si comparamos la diferencia con la latitud de diseño la producción a 20ºN es un 0,84% mayor que a 37,5ºN, y la diferencia con 0ºN representa un 1,08%.
En la siguiente gráfica observaremos el comportamiento de la producción térmica a lo largo de los distintos meses del año.
Fig. 9.2. Seguimiento mensual de la energía térmica generada a las diferentes latitudes de estudio.
Al incrementarse la latitud observamos una tendencia a incrementarse también las diferencias entre los meses de invierno y verano, lo que es lo mismo, que a latitudes más meridionales tiende a estabilizarse y alinearse la curva de producción disminuyendo las diferencias por tanto entre los meses de verano e invierno.
También cabe destacar que aunque finalmente la energía anual producida será mayor a latitudes menores, la producción punta en los meses de verano es mayor a latitudes más septentrionales, siendo por tanto mayor la energía generada con nuestro campo solar para el mes de Julio a 37,5ºN que a 20ºN y esta a su vez que en el ecuador.
Por tanto, y como conclusión final, son dos los efectos observados al variar la latitud en un mismo campo de colectores con orientación de eje Este-Oeste:
a) Aunque a menores latitudes la producción de energía térmica al cabo del año es mayor, se puede considerar despreciable este efecto puesto que la diferencia entre el campo solar ubicado a 0ºN y 37,5ºN apenas representa una variación del 1%.
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En cambio, el resultado habría sido diferente si la orientación del eje de los colectores hubiera sido Norte-Sur, porque en ese caso la diferente altitud del Sol se traduciría inevitablemente en un diferente ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el plano de apertura de los colectores.
