The purpose of this work is to design a solar cell system based on the operating temperature of the greenhouse. The relationship between the variables in the energy balances was obtained, which enabled the design of the solar cell as a function of temperature.
INTRODUCCIÓN
- Introducción general
- Justificación de la investigación
- Hipótesis general de trabajo
- Objetivos
- Desarrollo de la tesis
El análisis de rendimiento se centrará en el consumo energético de los extractores. Desarrollar una metodología para el uso de sistemas fotovoltaicos en invernaderos con paredes húmedas en base a las tasas de ventilación y la energía requerida por los extractores de aire, utilizando balances energéticos en las paredes húmedas, en el invernadero y en los extractores de aire.
ANTECEDENTES
- Fundamentos de energía solar fotovoltaica
- Radiación solar
- La constante solar
- Medición de la radiación solar
- Instalaciones solares fotovoltaicas
- Interconectadas a la red eléctrica
- Aisladas
- Híbridas
- Parámetros principales de diseño de sistemas fotovoltaicos
- Aplicaciones de fuentes de energía solar en invernaderos
El disco de la Tierra intercepta la radiación solar con un área 𝜋𝑅; donde 𝑅 es el radio de la Tierra. Para lograr el equilibrio térmico, la absorción de la radiación solar debe ser igual a la energía emitida desde la Tierra al espacio.
ANÁLISIS DE LOS BALANCES DE ENERGÍA DE INVERNADERO CON
- Balance de energía en la pared húmeda
- Eficiencia de saturación de aire en la pared húmeda
- Balance de energía en el invernadero durante la acumulación de calor en el aire
- Balance de energía en el extractor de aire
- Cálculos del diseño y evaluación de sistemas fotovoltaicos
- Eficiencia energética
- Eficiencia exergética
Para determinar el desempeño de una pared húmeda se utiliza la eficiencia de saturación, ecuación 10, esta ecuación se utiliza para medir la capacidad de saturación de aire de la pared húmeda. 11 Sustituyendo la ecuación 10 en 11, el consumo de agua del material depende de la velocidad del aire que lo atraviesa, la eficiencia de saturación del material y la temperatura de entrada. La radiación solar aumenta la temperatura de la corriente de aire después de salir de la pared húmeda, 𝑇, hasta salir por los extractores de aire del otro lado del invernadero.
16 La temperatura inicial del aire corresponde a la temperatura de enfriamiento de la pared húmeda, 𝑇, en °𝐶, pero aumenta a lo largo de su trayectoria debido a la radiación solar (esta temperatura se puede calcular usando la ecuación 5). La tasa de ventilación, 𝑉̇, es el resultado del modelo matemático de la ecuación 17 y corresponde al caudal de aire de los extractores de aire del invernadero. A partir de la ecuación generalizada de Bernoulli, la energía mecánica del aire en un punto p se presenta en forma de presión y energía cinética (la energía potencial se desprecia en el aire) (Wan, 2009).
La ecuación 27 se utiliza para calcular la corriente de los paneles solares al inversor, 𝐼 en 𝐴, donde 𝑃: potencia del inversor en 𝑘𝑊, 𝑉: voltaje de funcionamiento del inversor en 𝑉 (voltios) y 𝜂: inversor. 29 Donde 𝐸𝑥̇ es la exergía total del sistema fotovoltaico, principalmente la potencia de salida de este sistema, teniendo en cuenta la exergía destruida.
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
- Instrumentación y adquisición de variables climáticas reales
- Estudio experimental en la pared húmeda
- Gradientes de temperatura de agua en el tanque de suministro por superficie
- Gradiente de temperatura de agua por diferencia de altura en la pared húmeda
- Estudio experimental en el invernadero
- Estudio experimental en el extractor de aire
- Modo de funcionamiento del sistema fotovoltaico híbrido en invernadero
La velocidad del aire en el frente de la pared húmeda es constante 1,52 𝑚/𝑠. Medición de la temperatura del agua de la pared húmeda: Se implementaron instrumentos especiales para este análisis. Se refiere a la diferencia de temperatura (°C) del agua por cada metro lineal sobre el cual la corriente de agua desciende por la pared y se representa.
Donde 𝑑𝑇: diferencia de temperatura del agua, 𝑑ℎ: caída de la altura del agua en la pared. Estas variables determinan la temperatura de enfriamiento del aire exterior en la pared húmeda y si se realizó análisis previo. La cantidad de flujo de aire que pasa a través de la pared húmeda es la misma que la extraída por las válvulas de escape del lado opuesto.
El análisis experimental de la pared húmeda, el invernadero y los extractores de aire nos permite obtener como resultado principal el caudal de aire de los extractores. El diagrama de bloques general del sistema fotovoltaico obtenido se muestra en la figura 17.
RESULTADOS
Resultados de la modelación del comportamiento térmico de la pared húmeda
- Gradientes de temperatura de agua en el tanque de suministro por superficie
- Gradiente de temperatura de agua por diferencia de altura, 𝒅𝑻 𝒅𝒉 ⁄ , en la pared
- Eficiencia de saturación de aire en la pared húmeda
43 FIGURA 20. CAMBIOS HORARIOS DE TEMPERATURAS DEL AGUA Y DEL AIRE EN EL TANQUE AL SALIR DE LA PARED. Con esto se estableció que por cada metro cuadrado perpendicular al paso del aire en la pared húmeda, hay una disminución de temperatura de 0.75°𝐶. Ajustar la instalación de sensores para medir la temperatura del agua en la pared permite obtener el valor medio de tres mediciones diferentes.
Al dividir estos valores por su correspondiente diferencia de altura, se obtiene el gradiente de temperatura por Pared mojada de metro lineal. Al promediar 𝑑𝑇, 𝑑𝑇 y 𝑑𝑇 se determinó que la caída en la temperatura promedio del agua en la pared ocurre a un ritmo de 1.3 °𝐶 por metros de altitud, es decir = -1,3°. La temperatura mínima y límite que puede alcanzar el aire exterior al atravesar la pared húmeda es la temperatura exterior de bulbo húmedo, por lo tanto la eficiencia de enfriamiento es la relación entre las diferencias de temperatura (𝑇 − 𝑇 ) y ( 𝑇 − 𝑇.
Donde 𝑇 y 𝑇 corresponden a las temperaturas externa e interna del bulbo seco, y 𝑇 es la temperatura externa del bulbo húmedo. Podemos ver que 𝑇 nunca tiene el mismo valor que 𝑇 en ningún momento del día, es decir, no se alcanza la temperatura de bulbo húmedo porque la eficiencia de la pared es menor al 100%.
Resultados de la modelación del comportamiento térmico de aire en invernadero
- Coeficiente global de transferencia de calor en la cubierta
- Temperatura de invernadero hermético sin funcionamiento de pared húmeda
- Tasas de ventilación de invernadero para diferentes temperaturas máximas de
- Energía eléctrica requerida por los extractores
El modelo matemático se calibró utilizando datos experimentales de temperatura interior, valores máximos de radiación solar exterior, temperatura exterior, temperatura del aire enfriado por la pared húmeda y la tasa de ventilación actual. PERFIL DE TEMPERATURA DEL AIRE A LARGO PLAZO A PARTIR DE DATOS EXPERIMENTALES COMPARADO CON LOS PERFILES DE TEMPERATURA DEL MODELO COMO VARÍA KC. El aumento de temperatura en todo el invernadero no es uniforme, por el contrario, sufre variaciones debido al flujo turbulento del aire.
Una comparación de los perfiles de temperatura muestra que el coeficiente de determinación más alto fue 𝑅 = 0.9783 y corresponde a 𝐾 = 5 𝑊 𝑚 °𝐶⁄ , de la Figura 27. El modelo matemático calibrado se simplificó para realizar una simulación de un invernadero hermético sin flujo de aire. , de la ecuación 18 :. Para simular este escenario, el valor de la tasa de ventilación en el modelo matemático se aproximó a cero (𝑉 → 0), mientras que la radiación solar varió.
La Figura 30 muestra las tasas de ventilación en función del área de los invernaderos equipados con pared húmeda. Elegir el número de ventiladores y la potencia antes de instalar sistemas fotovoltaicos es una de las formas de mejorar el uso de la electricidad en los invernaderos.
Resultados del análisis del balance de energía en el extractor de aire
Al Helal (2007) midió la cantidad de electricidad consumida por un invernadero de 351 𝑚 con dos ventiladores de 10 𝑚 / Si estos extractores funcionaran 4 horas al día como en este estudio, su consumo de energía sería de 21,3 𝑊/𝑚. 41 Donde 𝜌 es la densidad del aire corregida de la ecuación 41, 𝑣 es la velocidad promedio del aire de los extractores del invernadero, 𝜋 es el signo que equivale al número 3.1416 y que resulta de la relación entre la longitud de un círculo y el diámetro de su , 𝑟 es el radio del rotor del eje giratorio de tres palas.
54 potencia mínima que puede utilizar el eje de rotación de un generador eléctrico de tres palas con un diámetro de giro de 1,2 𝑚, que es igual al diámetro de giro del escape en este invernadero, para otros datos de flujo de aire se puede duplicar, hasta triplicar la energía producida. Esto significa que hasta el 50% de la energía puede suministrarse a los motores eléctricos de los sistemas de extracción o el 100% a los motores de las bombas hidráulicas o utilizarse para otras necesidades. La cantidad de energía disponible del eje giratorio de tres palas será función de las horas de extracción, que variarán en función de las características específicas de cada invernadero, es decir, superficie, tipo de invernadero, temperatura óptima de cultivo y tipo de material de construcción de las paredes húmedas.
En la Tabla 8 se muestran los valores de esta cantidad de energía en el rango de uso que suelen trabajar estos extractores en días, meses y años y que resulta de multiplicar el potencial energético en Watts por las horas de funcionamiento. Los procesos de transformación de energía eólica a energía mecánica y eléctrica sufren pérdidas según su construcción y extensión.
Componentes e instalación del sistema fotovoltaico híbrido en invernadero
Modelación matemática de un secador solar de productos agrícolas
- Secador solar experimental tipo invernadero de productos agrícolas
- Tasa de ventilación, selección de extractores de aire, energía requerida y
𝑻𝒐= 𝑻𝒑𝒂𝒅= 𝑻|𝒙 𝟎 La temperatura del aire que ingresa al secador solar es la misma que la temperatura ambiente. Cuando se activan los extractores de aire, en x=0, el valor de temperatura en el secador es el mismo que el del aire exterior, a medida que el aire avanza a lo largo del secador, su temperatura aumenta por efecto de la radiación solar. Las principales características del secador utilizado para la experimentación, Figura 35, el cual pertenece al Campo Experimental de Energías Renovables de la Universidad Autónoma Chapingo, se muestran en la Tabla 11.
En el secador solar, la tasa de ventilación requerida que no exceda los 50°𝐶 debe ser 3 𝑚 /𝑠, como se muestra en la Figura 36. Para este valor, el modelo de estado estacionario también puede obtener la distribución espacial de la temperatura dentro del secador a lo largo del día cuando el Los extractores están en funcionamiento, figura 37. La tasa de ventilación en la figura 36 representa los flujos de aire que los ventiladores deben sacar del secador solar para mantener diferentes temperaturas de funcionamiento, dependiendo del tipo de producto que se utilice, se debe deshidratar (Bal, 2010) .
En este estudio de caso, se calculó un caudal de aire de 3 𝑚 /𝑠 (10,800 𝑚 /𝑠) para el secador solar experimental bajo estudio. Prashant et al 2017, realizaron una síntesis de modelos matemáticos de secadores de convección forzada, donde encontraron que los resultados de los modelos tampoco están relacionados con la energía utilizada por los extractores de aire.
Resultados de la evaluación energética de sistemas fotovoltaicos
CONCLUSIONES Y DISCUSIONES
Los resultados muestran que es necesario elegir correctamente el caudal de los extractores porque se corre el riesgo de consumir más energía de la necesaria. Con los resultados del modelado de la temperatura interna del invernadero, es posible aumentar la eficiencia energética de los sistemas de extracción de aire, el efecto de enfriamiento no es proporcional al efecto de extracción de aire. La instrumentación del invernadero y la medición de la energía necesaria, así como las temperaturas desfavorables, justificaron la necesidad de instalar un sistema de suministro de energía alternativo.
De acuerdo a los resultados del modelado matemático, la corriente máxima cambiará dependiendo de la temperatura máxima de funcionamiento del invernadero, esto se debe a que para cada sistema de potencia y voltaje de los extractores se debe calcular un sistema fotovoltaico con capacidad diferente. Utilizando la evaluación experimental de los balances energéticos teóricos del invernadero, fue posible demostrar que se puede diseñar un sistema fotovoltaico para un invernadero con pared húmeda en función de las tasas de ventilación y la temperatura del aire del invernadero. El efecto del calentamiento nocturno y su duración sobre la producción de un cultivo de tomate (Lycopersicon esculentum Mill.).
Estudio del efecto de la ventilación sobre la temperatura de invernaderos de paredes evaporativas para suministro de energía fotovoltaica. Título de invención: Invernadero con sistema de refrigeración de paredes húmedas que integra un dispositivo de aprovechamiento de energía residual.
