Dpto. Física Aplicada Aplicada I. Escuela Politécnica Superior. Superior. Universidad de Sevilla.
2014/2015
. EN ERGÍA T ÉRM I CA SOL SOL AR.COL ECT OR SOL SOL AR
Objetivos
Estudio de una instalación térmica solar de circuito cerrado. Cálculo del rendimiento del colector solar bajo diferentes condiciones.
Fundamento teórico energí a termosolar al aprovechamiento directo de la radiación del Se denomina energía térmica solar o energía sol para generar calor. La aplicación aplicaci ón más generalizada es e s en instalaciones instalac iones para producción de agua agua caliente caliente sanitaria (ACS) y aunque en general su aporte no es e s suficiente y se necesitan nec esitan sistemas si stemas de apoyo (gas, gasoil gasoil o eléctrico), eléctr ico), la concienciación social hacia hac ia un uso racional de los recursos re cursos energéticos, energéticos, está está haciendo haciendo que su su uso esté cada vez más extendiendo y promovido por la legislación actual. El Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico de Ahorro de Energía (DB HE 4), establece la contribución solar mínima de agua caliente sanitaria para cumplir las exigencias básicas de ahorro energético en edificios. Por otro lado, para promover su uso, las comunidades autónomas cuentan con programas de subvenciones para instalaciones térmicas solares en viviendas y empresas.
Una instalación térmica solar para ACS consta básicamente de los siguientes elementos (Fig.1): Colector o panel solar, encargado de captar la radiación solar y transferir su energía al fluido caloportador (en general agua con aditivos anticongelantes). Aunque existen distintos distintos tipos tipos de colectores, el más usual es el de placa plana, constituido por de una superficie plana (negra) de gran capacidad de absorción y emisión térmica reducida, en contacto con unos tubos por los que circula el fluido al que transmite el calor. Para minimizar las pérdidas, se coloca aislante en la parte posterior posteri or y paredes laterales y se cierra cierr a con una cubierta de vidrio que da lugar al efecto invernadero.
Fig.1.Esquema de una instalación térmica solar p ara
Para evaluar las prestaciones del colector, se define el rendimi ento o efi , como el efi ciencia del colector del colector cociente entre el e l calor absorbido por el fluido portador o potencia útil transmitida, P transmitida, P útil útil, y la energía solar o potenciaque incide sobre el colector, c olector, P P incidente incidente: colector
Qfluido Eradi radiac ació ión n sola solarr
P útil P inci incide dent ntee
(1)
La eficiencia del colector depende no solo de su diseño sino también de las condiciones meteorológicas (nubes, temperatura ambiente...), del ángulo de incidencia de la radiación solar y de otras condiciones de operación como la temperatura del colector.
Circuito primario, circuito cerrado por el que circula un fluido (fluido caloportador) que, absorbe calor del colector y lo cede al circuito secundario. Circuito secundario, por donde circula el agua que queremos calentar para el consumo. En este caso el circuito es abierto, a través del acumulador entra agua fría de la red que se calienta hasta llegar a una cierta temperatura prefijada para su consumo. Intercambiador Intercambiador de calor c alor, calienta el agua de consumo (circuito secundario) cediéndole calor del fluido caloportador (circuito primario). Tiene forma de serpentín, consiguiendo así mayor superficie de contacto y eficiencia. Acumulador, depósito donde se almacena al macena el agua caliente para su consumo posterior. Nos Nos permite permite aprovechar las horas en e n que se dispone de suficiente sufic iente radiación radia ción solar y utilizarla cuando se produz produzca ca la demanda.
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Otros dispositivos secundarios, como bombas, tuberías, válvulas, vaso de expansión, purgadores, panel de control, sistema auxiliar de energías "convencionales”…, completan la instalación.
Material Colector solar plano, intercambiador de calor de serpentín, vaso de precipitado de 2000 ml, bomba de circulación con caudalímetro, fuente de alimentación y cables de conexión, tres termómetros, tubos de goma, lámpara halógena de 1000 W, resistencia de inmersión, cinta métrica y cronómetro.
Método experimental El colector solar experimental que vamos a estudiar (Fig.2) tiene una superficie de 0,12 m 2, se encuentra conectado a un circuito cerrado (circuito primario) que utiliza agua como fluido caloportador. Dispone de dos termómetros que permiten determinar las temperaturas del agua a la entrada y a la salida del mismo, y, en la parte superior, un pequeño depósito esférico que actúa como vaso de expansión y purgador. Este, además de soportar los cambios de volumen de y presión, debidos a los cambios de temperatura, y eliminar las burbujas de aire en el interior el circuito primario, permite reponer las posibles pérdidas de fluido en el mismo.
Vaso de expansión y purgador
T s
Intercambiador de serpentín Bomba con medidor de flujo
Colector T e
Lámpara
Fuente de tensión
Fig.2
Tras pasar por el colector, el agua se hace pasar por un intercambiador de serpentín que se introduce en el depósito de agua (vaso de precipitado) al que cede calor. El agua del circuito se impulsa mediante una bomba con regulador de flujo. Analizaremos el comportamiento del colector para dos temperaturas de trabajo diferentes. 1. Estudio del comportamiento del colector a temperatura ambiente.
Asegúrese de que el colector solar tiene la cubierta de cristal y está debidamente conectado al circuito primario, según la descripción anterior (Fig.2). Fije el colector en posición vertical y compruebe el nivel del agua del purgador. Debe estar al menos por la mitad, si no es así rellénelo con agua destilada. Llene con agua el vaso de precipitado hasta cubrir el serpentín y coloque un termómetro en el vaso. Sitúe la lámpara halógena a una distancia de 70 cm del colector. A esta distancia, la intensidad que incide sobre el colector, es aproximadamente 1 kW/m 2. Compruebe que la bomba está conectada a la fuente con la polaridad adecuada, seleccione una tensión de 4 V, encienda la fuente (la bomba se pondrá en funcionamiento) y ajuste el caudal volumétrico al máximo y anote las temperaturas del vaso (T vaso) y de entrada (T e) y salida (T s) del agua del colector (deben de ser las mismas). Encienda la lámpara halógena. Ajuste el caudal volumétrico a 100 cm3/min. Ponga en marcha el cronómetro y anote las temperaturas de entrada ( T e) y salida (T s) del agua del colector y la del vaso (T vaso), en los intervalos de tiempo indicados en la tabla, hasta que los valores se estabilicen (T s Te = cte) alcanzándose el estado estacionario. Durante la experiencia vigile el valor de caudal ajustándolo, si es necesario, a 100 cm3/min.
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Bibliografía:
Physics: Laboratory Experiments. Manual de laboratorio de PHYWE Systeme GmbH & Co. KG. Código Técnico de la Edificación (CTE) Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) Agencia Andaluza de la Energía (AAE)
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. EN ERGÍA T ÉRM I CA SOL AR.COL ECT OR SOL AR Mediciones y guía para la elaboración de la memoria de la práctica
GRUPO...........
FECHA................
APELLIDOS ............................................................................................... NOMBRE ................................ 1. Estudio del comportamiento del colector a temperatura ambiente.
Condiciones iniciales: T vaso (ºC) =_______ (min) t
T vaso (ºC)
T s (ºC)
T e (ºC) =________
T e (ºC)
T s (ºC) =________
(T s-T e) (K)
5 10 15 17 18 19 20
2. Análisis de resultados 2.1 Teniendo en cuenta las dimensiones de la superficie del absorbedor y las características del foco halógeno, calcule la potencia de la radiación que incide en el colector, P incidente. 2.2 El calentamiento del agua a su paso por el colector solar ¿se realiza a presión constante o a volumen constante? Justifique la respuesta.
Exprese la potencia útil absorbida por el agua, P útil Qabsorbida agua , en función de las temperaturas de entrada, T e, y salida, T s, del colector y del caudal másico de agua, m , que fluye por el mismo. ¿Qué relación existe entre el caudal másico, m , y el caudal volumétrico V ? ¿Qué caudal másico, 3 corresponde al caudal volumétrico de 100 cm /min ? 2.3 Calcule, para el estado estacionario, el valor de la potencia útil y el rendimiento del colector. 2.4 Analice el resultado obtenido explicando a qué son debidas las pérdidas energéticas en el colector. 3. Cuestiones de ampliación
Consulte la web de la Agencia Andaluza de la Energía (AAE) y resuelva las siguientes cuestiones: 3.1 Explique en qué consisten y qué diferencia existe entre la energía térmica solar y la energía solar fotovoltaica. 3.2 Indique otras aplicaciones actuales de la energía térmica solar, aparte de su uso para ACS. 3.3 ¿Qué se entiende por energías renovables? Indique cuatro tipos de energías renovables diferentes a la térmica solar y fotovoltaica y explique brevemente en qué consisten. 3.4 Consulte las ayudas actuales ofertadas por la Junta de Andalucía para instalaciones térmicas solares y fotovoltaicas en viviendas. ¿Qué tipo de instalaciones cubre y bajo qué condiciones?
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