Energía solar a baja temperatura

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Mediante un panel por el que circula un fluido, en general agua, se puede elevar la temperatura hasta un valor razonable, al someterlo a la radiación solar. Por ejemplo, aumentar la temperatura del agua desde 15°C hasta 60 °C.

Existen variantes en las instalaciones solares de este tipo. Por ejemplo, algunos sistemas poseen una fuente energética de apoyo: una caldera de fuel-oil o una resistencia calefactora. De este modo, en los momentos en los que la energía solar absorbida no es suficiente, esta energía auxiliar se conecta automáticamente.

En el proceso de cálculo de este tipo de instalaciones hay que tener presentes los siguientes factores:

-Climatología de la zona. Han de conocerse los valores diarios de la temperatura media ambiente y de la radiación solar media de la zona o provincia. Algunos datos, aproximados, en las capitales españolas son los que aparecen en las tablas que se adjuntan.

-Latitud geográfica. Los rayos solares inciden con diferente inclinación en las diferentes latitudes de la Tierra. Esta es la causa de que las latitudes próximas a los Polos reciban menos radiación que las cercanas al Ecuador.

El ángulo de inclinación de los paneles en relación al suelo, dependerá del uso que se quiera

hacer de la energía solar. Si es para calefacción, conviene orientarlos de forma que el máximo

rendimiento se obtenga en invierno, mientras que si es para suministrar agua caliente a un camping

convendrá dar a los paneles un ángulo apropiado para obtener su mayor rendimiento en verano.

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.

-

Aspectos técnicos

. Tipos de paneles duración,

almacenamiento, aporte de energía auxiliar, coeficientes de

pérdidas, conexión, etc. Uno de los datos más importantes

que, normalmente suelen dar los fabricantes es la curva de

rendimiento del panel, a partir de la cual puede conocerse el

porcentaje de aprovechamiento de la energía que incide

perpendicularmente en él.

Por otro lado los paneles solares no están

horizontales y, como el valor de la radiación suele darse

sobre un plano horizontal, hay que aplicar un factor

corrector.

Finalmente, cuando un sistema solar funciona de

forma adecuada, la diferencia de temperatura entre el agua a

la entrada del panel, Te y la temperatura a la salida, T

s

, suele

ser pequeña: alrededor de 10 °C. Esta diferencia de

temperatura depende de la velocidad con la que circula el

agua por el circuito, que suele ser impulsada por una bomba

y controlada por un circuito electrónico.

-Aspectos económicos

. Existen diferentes variantes técnicas

en la instalación, que hay que estudiar en función de su coste

económico. Por ejemplo, valorar si conviene un sistema

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-Características del consumo

. Existen tablas en las que aparecen consumos medios para diferentes

actividades. En cualquier caso, una persona adulta gasta al día, aproximadamente, 60 litros de agua

caliente a 40 °C. Asimismo, el agua caliente suele almacenarse en depósitos, debidamente aislados,

que suelen dimensionarse según el siguiente criterio: 60 litros por cada metro cuadrado de panel

instalado.

Energía solar a media temperatura

Si, mediante dispositivos ópticos, se concentran los rayos solares en superficies menores,

pueden lograrse temperaturas superiores a las alcanzadas en los paneles solares ordinarios.

La relación de concentración Rc, es el factor que indica la capacidad de concentración de los rayos

solares. Por ejemplo un valor de Rc de 10 indica que la radiación que incide es de 10 veces superior

que la que llega a una superficie ordinaria.

La energía solar a temperatura media utiliza colectores de tipo cilíndrico-parabólico.

Energía solar a alta temperatura

Se llega a temperaturas de 2000 ºC o superiores con factores de concentración superiores a 500.

Normalmente se utilizan helióstatos y hornos solares.

Curvas de rendimiento de módulos fotovoltaicos

Los fabricantes suelen suministrar las características de los paneles fotovoltaicos referidas a

una radiación de 100 mW/m

2

=1KW/m

2

, por lo que la radiación diaria total podemos hacerla

equivalente a la que se hubiera recibido si el sol hubiera proyectado una radiación de 1 KW/m

2

un

número determinado de horas.

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1.- Se dispone de una placa fotovoltaica de 60x30 cm, cuyo rendimiento es del 20%. Determinar la cantidad de energía eléctrica (KWh) que generará, para acumular en una batería, si la placa ha estado funcionando durante 8 horas, siendo el coeficiente de radiación de 0,9 cal/min.cm2. Se admite que no hay pérdidas ni en el transporte, ni en la carga de la batería.

2.- Calcular la potencia útil entregada por un colector plano de 225 m2 suponiendo que la densidad de radiación sea de 100 W/m2 y el rendimiento del colector del 60 %.

3.- Un panel fotovoltaico entrega una potencia útil de 75000 W. Suponiendo que la densidad de radiación sea de 1000 W/m2 y el rendimiento del panel del 50 %, calcular la superficie del panel. 4.- La horas de radiación sobre una superficie terrestre de 500000 Km2 son de 2200 h/año. Suponiendo que la densidad de radiación media sea de 1300 W/m2, calcular:

a) La potencia recibida por dicha superficie.

b) La energía, en Julios, recibida a lo largo de todo el año.

5.- Calcula la superficie del panel fotovoltaico necesario para alimentar una estufa eléctrica de 1500 W de potencia durante 2 horas. Suponer una densidad de radiación de 1000 W/m2, un aprovechamiento solar de 6 horas y un rendimiento del equipo del 20%.

6.- Se desea instalar un conjunto de paneles solares para abastecer una vivienda con un consumo estimado de 525 KWh mensuales.

Calcular la superficie de panel necesaria suponiendo una constante de radiación de 1250 W/m2, un aprovechamiento solar diario de 5 horas y un rendimiento de la instalación del 25 %.

7.- Determina la cantidad de calor que habrá entrado en una casa, durante un día del mes de julio, suponiendo que dispone de una cristalera de 3 x 2 m, y no se han producido pérdidas ni reflexiones en el vidrio.

Nota: 10 h diarias de sol.

8.- Un colector solar plano que tiene una superficie de 4 m2 debe calentar agua para uso doméstico. Sabiendo que el coeficiente de radiación solar K=0,9 cal/min.cm2 y que el consumo de agua es constante, a razón de 6 litros/minuto, determina el aumento de temperatura del agua si está funcionando durante 2 horas. Se supone que inicialmente el agua está a 18 ºC y que no hay pérdidas de calor.

9.- Determinar, en m2, las dimensiones de una placa solar suponiendo que con ella se alimente un frigorífico (de potencia 150 W) durante 4 horas. El coeficiente de radiación solar es K =0,7 cal/min.cm2 y el rendimiento energético de la placa el 25 %.

10.- Calcular qué cantidad de calor habría que extraer cada hora, mediante aire acondicionado, de un edificio de oficinas, si dispone de una superficie de 120 m2 de cristaleras. El valor de K=0,6 cal/mim.cm2 y se supone que no se producen reflexiones ni pérdidas de calor.

11.- En una casa de campo se quiere instalar una placa fotovoltaica que alimente dos placas de bajo consumo (9 Wh cada una) y un televisor de 29 Wh. Determinar la superficie de la placa si η = 30 % y K=0,8 cal/min.cm2.

12.- Calcular la superficie que debería tener un colector plano si se emplea para calentar agua de una piscina cubierta en el que el agua está a 14 ºC y queremos calentarla a 25 ºC. Se supone que no se producen ni pérdidas de calor ni reflexión alguna. El coeficiente de radiación solar, ese día, vale K=0,7 cal/min.cm2. El caudal del agua queremos que sea de 3600 litros cada hora.

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b) La superficie del colector, si K=0,5 cal/min.cm2. Se supone que no hay pérdidas de calor ni reflexiones dentro del colector y el caudal requerido de agua es de 600 litros/hora.

c) ¿Qué cantidad de energía calorífica captura diariamente el colector si funciona cuatro horas al día?.

14.- Un colector solar plano, que se va a utilizar como medio de calefacción en Andalucía mide 4 m2 y vale 2600 €, incluida la instalación. Determinar el tiempo que se tardará en amortizar (pagar lo que ha costado) si K=0,8 cal/min.cm2 y está funcionando una media de 6 horas al día, durante 150 días al año. Este colector sería una alternativa al radiador eléctrico. Un KWh vale 0,08 €.

15.- Se desea instalar un sistema fotovoltaico que suministre energía eléctrica a un repetidor próximo a Albacete que ha de funcionar las 24 horas del día con un consumo medio de 2 A a 12 V.

Calcular: a) número de horas de sol equivalente. b) número eles fotovoltáicos

Datos: Albacete tiene una latitud aproximada de 39º.

Radiación diaria (mes más desfavorable) =1360 Kcal/m2. Coeficiente de seguridad = 1,2

16.- ¿Cuántos paneles solares, con las características indicadas, nos harán falta para abastecer de agua caliente sanitaria una vivienda unifamiliar, situada en Zaragoza, en la que viven cuatro personas adultas?. ¿Qué volumen tendrá el depósito de almacenamiento del agua?. ¿Con qué inclinación colocaremos los paneles?. ¿Cuál será el rendimiento del panel y número de paneles necesarios.?.

Dato: Zaragoza tiene una latitud de 42º Temperatura de salida del panel: 60º C Características del panel a utilizar:

17.- Mediante un sistema concentrador con una relación de concentración Rc = 50, proyectamos perpendicularmente la radiación solar sobre un recipiente que almacena 10 litros de agua y ocupa una superficie de 0,1 m2. Averiguar el tiempo que tardará en hervir esta agua si se encuentra a 20 °C y aprovecha el 60% del calor que le llega. La radiación solar es de 700W/m2.

Nota: RC indica la capacidad de concentración de los rayos solares. Si por ejemplo RC =10 nos está

indicando que la radiación que incide es 10 veces superior a la que llega a una superficie ordinaria. 18.- Tenemos un panel solar a baja temperatura en el que, según el fabricante, el rendimiento viene dado por la fórmula:

I

T

Te

A

=

0

,

86

3

,

8

η

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Si dicho panel está colocado con una inclinación de 50° en Sevilla, ¿qué rendimiento tendrá de media en noviembre si durante este mes hay 5,5 horas diarias de sol?. La bomba de circulación está regulada para que funcione con ΔT = 10 °C con una temperatura de salida de agua del panel de 65 °C.

19.- Busca, el dato de la superficie de tu provincia y, a partir de las tablas climatológicas entregadas, averigua:

a) La energía solar total que llega en un día de julio.

b) Si pudiera transformarse el 10% de esta energía solar en energía eléctrica, ¿cuántos kWh se producirían en el mes de julio? ¿Qué valor económico tendría esta energía si se vendiera a 0,12 € el kWh.

20.- Calcular la densidad de potencia que corresponde a un viento de 40 Km/h. Justificar si dicho viento es eficaz para mover un aerogenerador.

21.- Calcular la potencia útil aprovechada por la hélice de un aerogenerador de 20 m de diámetro cuando el viento sopla a 15 m/s si su coeficiente de aprovechamiento es de 0,35.

22.- Determinar la potencia útil de una aeroturbina sobre la cual actúa un viento de 50 Km/h. El radio de cada pala es e 4 m. Se supone un rendimiento del 90%.

¿Qué energía genera la aeroturbina en 10 horas?.

23.- Un aerogenerador tiene una potencia nominal de 5.000 W (100%) y una curva de rendimiento como la del gráfico siguiente. El diámetro de la hélice es de 5,9 metros. Averiguar:

a) El % de la energía del viento que aprovecha cuando gira a 8,5 m/s. b) La potencia que suministra con un viento de 24 km/h.

c) Los kWh que suministrará diariamente en una zona con vientos medios de 7 m/s.

24.- En un parque eólico se han instalado 60 aeroturbinas. Suponiendo que hubiese un viento de 50 km/h o mayor durante 180 días al año y que el diámetro de las aeroturbinas sea de 63 m, determinar:

a) Potencia del viento a nivel de captación.

b) Potencia útil de cada uno de los generadores si η = 0,9. c) Energía generada por cada aerogenerador al año.

d) Tiempo que se tarda en amortizar cada aerogenerador sabiendo que cada uno ha costado medio millón de euros. El precio del KWh es de 0,09 €.

25.- Una industria dedicada al trabajo con madera de pino produce diariamente, en forma de desechos, 250 kg de serrín. Para aprovechar esta biomasa residual, se instala un horno generador

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Averiguar el ahorro económico mensual que supone esta instalación si los gastos de mantenimiento ascienden al 20% de la energía producida. El kWh se paga a 0,1 € y se trabajan 25 días al mes. Dato: Poder calorífico del serrín de pino Pc= 4320 Kcal/Kg

26.- En un digestor (depósito en el que se produce la fermentación de la materia orgánica) se introducen 300 Kg de estiércol de vaca y 600 Kg de paja de trigo. Al Cabo de 30 días se produce el 80% de la fermentación. ¿Qué energía, en KWh, se habrá producido?

Datos:

Desechos fermentables Biogás producido (m3/Kg)

Estiércol de vaca 0,315

Paja de trigo 0,300

Pc del biogás: 4500 Kcal/m3.

27.- Calcular la energía calorífica liberada al quemar 5 Kg de madera cuyo poder calorífico Pc= 2800 Kcal/Kg, si el rendimiento es del 65%.

28.- Determinar la cantidad de Kcal obtenidas al quemar etanol (de 94º) obtenido a partir de 3 Kg de glucosa.

Datos: PC del etanol= 6000 Kcal/Kg.

Cada Kg de glucosa genera 510 g de etanol.

29.- Calcular la energía calorífica obtenida al quemar 0,5 m3 de biogás a una presión de 1,5 atmósferas y una temperatura de 25 ºC.

30.- Calcular la profundidad a la que habría que hacer un pozo si quisiéramos calentar agua a una temperatura de 90 ºC.

Nota: Por cada 100 m de profundidad la temperatura aumenta 3 ºC.

31.- Por un yacimiento hidrotérmico aflora agua a 96 ºC. El caudal que sale es de 6 m3/hora. Suponiendo que la temperatura ambiente es de 24 ºC, determina qué cantidad de energía (en Kcal) se obtiene diariamente.

32.- Determinar la cantidad de energía (en Kcal) que se obtendría por hora si se introdujese agua a 15 ºC en un yacimiento de roca caliente y se obtuviese agua a 75 ºC. El caudal de agua es de 4 m3/hora.

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