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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Técnicas para su aprovechamiento
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Técnicas para su aprovechamiento
Pedro Rufes Martínez
Colección Nuevas energías, 4
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA - Técnicas para su aprovechamiento
© Pedro Rufes Martínez, 2010
© 2010 MARCOMBO, S.A.
Gran Via de les Corts Catalanes, 594
08007 Barcelona
www.marcombo.com
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ISBN: 978-84-267-1863-1
D.L.:
Impreso en
Printed in Spain
ÍNDICE
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 El sistema energético
1.2 Las energías renovables
1.2.1 Energía de la biomasa
1.2.2 Energía eólica
1.2.3 Energía geotérmica
1.2.4 Energía hidráulica
1.2.5 Energía mareomotriz
1.2.6 Energía undimotriz
1.2.7 Energía maremotérmica
1.2.8 Energía osmótica
1.2.9 Energía solar
1.3 La energía solar térmica en el mundo
1.4 La energía solar térmica en Europa
CAPÍTULO 2. LA RADIACIÓN SOLAR
2.1 El Sol, fuente de energía
2.1.1 Terminología básica
2.1.2 La constante solar
2.1.3 El espectro solar
2.2 Influencia de la atmósfera
2.3 El balance energético en la Tierra
2.4 El movimiento Tierra-Sol
2.4.1 Ángulos básicos
2.4.2 El tiempo solar
2.4.3 Ángulos relativos a superficies inclinadas
2.5 Irradiación solar extraterrestre
2.6 Irradiación solar terrestre
2.7 Medición de la radiación solar
2.8 Fundamentos físicos del aprovechamiento de la energía solar
2.8.1 El cuerpo negro
2.8.2 Absorbancia
2.8.3 Emitancia
2.8.4 Superficies selectivas
CAPÍTULO 3. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
3.1 Descripción de una instalación solar térmica
3.2 Clasificación de las instalaciones solares térmicas
3.2.1 Clasificación según el principio de circulación
3.2.2 Clasificación según el sistema de expansión
3.2.3 Clasificación según el sistema de intercambio
3.2.4 Clasificación según el sistema auxiliar
3.2.5 Clasificación según la aplicación
CAPÍTULO 4. EL SISTEMA DE CAPTACIÓN
4.1 Descripción y clasificación de los captadores solares
4.2 Componentes del captador plano
4.2.1 Cubierta transparente
4.2.2 Placa absorbente
4.2.3 Tubos de intercambio
4.2.4 Aislamiento
4.2.5 Carcasa
4.3 Balance energético
4.4 Rendimiento térmico
4.5 Conexionado de los captadores
4.6 Área total, área de apertura y área del absorbedor
4.7 Estructura de soporte
4.8 Distancia mínima entre filas de captadores
CAPÍTULO 5. EL SISTEMA DE INTERCAMBIO
5.1 Mecanismos de transmisión de calor
5.1.1 Transmisión de calor por conducción
5.1.2 Transmisión de calor por convección
5.1.3 Transmisión de calor por radiación
5.1.4 Resistencia térmica
5.1.5 El coeficiente global de transmisión de calor
5.2 Descripción y clasificación de los intercambiadores de calor
5.2.1 Intercambiadores internos
5.2.2 Intercambiadores externos
5.3 Eficiencia del intercambiador
5.4 Factor captador-intercambiador
5.4.1 Cálculo del intercambiador
CAPÍTULO 6. EL SISTEMA DE ACUMULACIÓN
6.1 Descripción
6.2 La estratificación de las temperaturas
6.3 El aislamiento
6.4 Clasificación de los acumuladores
6.4.1 Clasificación según la posición
6.4.2 Clasificación según el material
6.4.3 Clasificación según el sistema de intercambio
6.5 Dimensionado del sistema de acumulación
CAPÍTULO 7. EL SISTEMA HIDRÁULICO
7.1 Componentes del sistema hidráulico
7.2 Tuberías
7.2.1 Dilatación térmica
7.2.2 Cálculo de tuberías y pérdidas de carga
7.2.3 Aislamiento
7.3 Válvulas
7.3.1 Válvulas de esfera
7.3.2 Válvulas de asiento
7.3.3 Válvulas de resorte
7.3.4 Válvulas de clapeta
7.3.5 Válvulas de equilibrado
7.3.6 Válvulas termostáticas
7.4 Bombas de recirculación
7.4.1 Requisitos de las bombas de circulación
7.4.2 Cálculo de la bomba
7.5 Vasos de expansión
7.5.1 Tipología
7.5.2 Cálculo de vasos de expansión según la norma UNE 100155
7.5.3 Cálculo del vaso de expansión del circuito primario
7.6 Elementos accesorios
7.6.1 Disipadores de calor
7.6.2 Purgadores de aire
7.6.3 Reductores de presión
7.6.4 Manómetros
7.6.5 Termómetros
7.6.6 Conjuntos prefabricados
7.6.7 Contadores de energía
7.7 Fluido caloportador
CAPÍTULO 8. EL SISTEMA AUXILIAR
8.1 Introducción
8.2 Conexión del sistema auxiliar con la instalación solar
8.2.1 Sistema auxiliar en serie con la acumulación solar
8.2.2 Sistema auxiliar-acumulador en serie con la acumulación solar
8.2.3 Sistema auxiliar en paralelo con la acumulación solar
8.3 Dimensionado del sistema auxiliar
CAPÍTULO 9. EL SISTEMA DE CONTROL
9.1 Sensores
9.2 Termostato diferencial
9.3 Actuadores
9.4 Control del proceso de carga del acumulador solar
CAPÍTULO 10. APLICACIONES
10.1 Climatización de piscinas
10.1.1 Circuito abierto
10.1.2 Circuito cerrado
10.2 Producción de ACS
10.2.1 Producción de ACS centralizada y acumulación distribuida
10.2.2 Producción de ACS centralizada y acumulación centralizada
10.2.3 Producción de ACS centralizada, acumulación centralizada e intercambiador individual
10.3 Calefacción
10.4 Refrigeración
10.4.1 La refrigeración por absorción
10.4.2 El ciclo de absorción de simple efecto
10.4.3 El ciclo de absorción de doble efecto
10.4.4 La absorción rotativa
10.4.5 Instalaciones de pequeña y media potencia para producción de ACS, apoyo a calefacción y producción de frío
10.4.6 Instalación para producción de agua caliente sanitaria, apoyo a calefacción y producción de frío en instalaciones de gran tamaño
CAPÍTULO 11. CÁLCULO DE INSTALACIONES
11.1 El Código Técnico de la Edificación
11.2 Contribución solar mínima
11.3 Cálculo de la energía solar disponible
11.4 Cálculo de la demanda de energía en instalaciones de ACS
11.5 Cálculo de la demanda de energía en la climatización de piscinas
11.6 Cálculo de la demandas de calefacción y refrigeración
11.6.1 El método de los grados-día
11.6.2 Cálculo aproximado de la carga térmica
CAPÍTULO 12. PREVENCIÓN DE LA LEGIONELOSIS
ANEXO I. NORMATIVA APLICABLE
ANEXO II. TABLAS DE REFERENCIA
ANEXO III. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN
ANEXO IV. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR POR SOMBRAS
ANEXO V. MÉTODOS DE CÁLCULO
BIBLIOGRAFÍA
PRESENTACIÓN
Constituye una satisfacción presentar este libro de mi amigo y compañero durante ya bastantes años, el profesor Pedro Rufes. En realidad soy mayor que él, no en vano fue alumno mío en sus estudios de Ingeniería, en aquellos lejanos tiempos en los que las carreras eran presenciales y sólidas como atestigua su formación, enmarcada vocacionalmente en el ámbito de las instalaciones térmicas. Sin embargo, la diferencia de edad nunca ha sido óbice para una colaboración fructífera en lo profesional y personal. Más si cabe teniendo en cuenta que en el año 2004 iniciamos la aventura de crear la Asociación Catalana del Hidrógeno y las Energías Renovables, de la que él es vocal de la Junta de Gobierno y yo secretario. Los dos somos profesores del Departamento de Mecánica de Fluidos de la EUETIB-UPC y durante varios años consecutivos participamos en el proyecto CIFGE (Centro de Investigación, Formación y Gestión Empresarial) desde el cual llevamos a cabo numerosos cursos relacionados con la energía solar, fotovoltaica y ahorro energético con gran éxito.
Hemos colaborado en diversas obras: Torres de refrigeración, Ciclos frigoríficos y Fluidos frigoríficos, las tres de la editorial CEAC, y en numerosos artículos y ponencias que sería prolijo enumerar.
Este libro, suyo en solitario, constituye la culminación de su experiencia en el campo de la energía solar térmica, libro muy interesante, sólido, riguroso y ameno, no en balde el profesor Rufes atesora también una dilatada experiencia en el terreno profesional además del docente.
El lector que acierte a leer este libro encontrará que lo descrito en él no sólo abarca los aspectos teóricos del tema, que son importantes, sino también los prácticos, que lo son todavía más. Con numerosos ejemplos y esquemas que hacen más inteligible la explicación.
Las instalaciones de energía solar térmica tienen sus fanáticos defensores y también sus detractores. Seamos razonables pensando aquello de “ni tan bueno ni tan malo”. En realidad algunas instalaciones solares se han ganado mala fama simplemente porque funcionan mal, lo cual equivale a decir que no están correctamente diseñadas. Se trata de no dar munición a los detractores; dejemos la discusión de fondo para los expertos y economistas, pero al menos que la instalación "funcione", por este motivo creo que obras como ésta son tan importantes.
Dr. Ángel L. Miranda
Profesor de la EUETIB-UPC
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 El sistema energético
La energía es el motor de todas las actividades de los seres vivos sobre el planeta, incluidas las de los seres humanos. Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los que la humanidad puede obtener energía para sus actividades. Estas fuentes de energía se denominan renovables cuando se puede recurrir a ellas de forma permanente porque son inagotables: por ejemplo, el sol, el agua o el viento. Por el contrario, las no renovables son aquellas fuentes de energía cuyas reservas son limitadas y, por tanto, pueden agotarse: por ejemplo, el petróleo o el carbón. A medida que las reservas son menores, es más difícil su extracción y aumenta su coste.
La energía que se obtiene de la naturaleza se denomina energía primaria: por ejemplo, el petróleo o el carbón. La energía primaria no puede utilizarse directamente; para poder utilizarla son necesarias sucesivas operaciones de transformación y transporte, desde el yacimiento a la planta de transformación, y luego al consumidor final. La energía utilizada en los puntos de consumo se denomina energía final: por ejemplo, la electricidad y el gas natural consumidos en las viviendas, o la gasolina y el gasóleo consumidos por los vehículos.
El rendimiento de todo el conjunto de operaciones de transformación y transporte, es decir del sistema energético, es la relación entre la energía final consumida y la energía primaria empleada. Dicho rendimiento es muy bajo: del orden del 2,5%.
Los principales problemas del actual sistema energético son los siguientes:
1. Agotamiento de los combustibles fósiles
El sistema energético actual se basa en el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), que son agotables. El ritmo de consumo es tal, que en un pequeño intervalo de tiempo la humanidad está gastando lo que la naturaleza ha tardado cientos de millones de años en producir. El agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles es, por tanto, una realidad indiscutible.
La teoría del pico de Hubbert predice que la producción mundial de petróleo llegará a su cénit y después declinará tan rápido como creció, ya que el petróleo es un recurso finito y no renovable en períodos de tiempo cortos, por lo que tarde o temprano se llegará al límite de extracción. Esta controvertida teoría es aceptada por una gran parte de la comunidad científica e, incluso, por la industria petrolera.
Sin embargo, existe un gran debate en torno a la predicción de cuándo tendrá lugar el pico o cénit. La ASPO (Association for the Study of Peak Oil and Gas) prevé que el cénit del petróleo ocurra en el año 2010, siendo el del gas natural algunos años más tarde, entre el 2015 y el 2025. En el año 2000 el USGS (United States Geological Survey) realizó un estudio global sobre el estado de las reservas de crudo y predijo el cénit para el año 2037. Según el EWG (Energy Watch Group), en el año 2006 ya pasamos el cénit del petróleo.
2. Efecto invernadero y cambio climático
El efecto invernadero, en la Tierra, es la capacidad de retener calor que tiene la atmósfera debido a la existencia de gases que son transparentes a la radiación solar y opacos a la radiación infrarroja que emite la superficie terrestre. Se trata de un fenómeno necesario para el desarrollo de la vida en la Tierra, puesto que sin éste la temperatura media en su superficie sería de unos -20 °C. El consumo de combustibles fósiles se traduce inevitablemente en emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera, siendo responsables de casi el 80% de las emisiones totales de dióxido de carbono a la atmósfera.
Aunque el debate todavía sigue abierto, una gran parte de la comunidad científica internacional está de acuerdo en que el dióxido de carbono producido por la actividad humana es el principal causante del cambio climático debido al calentamiento global de la atmósfera. Si no se remedia, un aumento excesivo de la temperatura media del planeta podría llegar a tener graves consecuencias, como la elevación del nivel del mar y la consecuente inundación de las zonas costeras, y la desertización de algunas zonas del planeta. Paradójicamente, los países pobres son los que sufrirán de forma más intensa las consecuencias del cambio climático.
3. Impacto ambiental y lluvia ácida
La interacción del sistema energético con el entorno terrestre no termina en los gases. El trasiego de materias primas y de productos ocasiona interacciones muy variadas: residuos asociados a la extracción y a la transformación (refinerías, centrales térmicas y nucleares), vertidos asociados al transporte y a la distribución, etc.
Por otro lado, la combustión de combustibles fósiles libera una importante cantidad de óxidos de azufre y nitrógeno que reaccionan con el radical OH en la atmósfera y precipitan en forma de ácidos (sulfúrico y nítrico) que incrementan la acidificación de agua en general. Esta precipitación, denominada lluvia ácida, daña la vegetación, y contamina el suelo y el agua, además de corroer estructuras y vehículos.
4. Desequilibrio y tensiones sociales
Si al enorme desequilibrio que existe entre países ricos y pobres se añade que los recursos energéticos están concentrados en unos pocos lugares del planeta, vemos que el actual sistema energético plantea un escenario poco tranquilizador para el equilibrio social y político mundial.
En los países industrializados la gran mayoría de la población dispone de la energía necesaria para poder vivir de forma muy confortable. Se podría pensar que el consumo energético está uniformemente distribuido en nuestro planeta, pero no es así.
En la figura 1.1 puede comprobarse que Norteamérica, que representa sólo el 6,7% de la población mundial (comprende Estados Unidos, Canadá y Méjico), consume el 26% de la energía primaria mundial.
Figura 1.1. Distribución mundial del consumo de energio primaria durante el año 2007.(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).
Comentarios sobre este gráfico:
La Tonelada Equivalente de Petróleo (tep), o Tone Oil Equivalent (toe), representa la energía liberada en la combustión de una tonelda métrica de petróleo estándar.
1 tep = 41, 84x109 J = 11.622 kWh.
1Mtep = 1 millón de toneladas equivalentes de petróleo.
La energía primaria representada está referida únicamente a los combustibles comerciales. Los combustibles combo la madeta, la turba y los residuos de animales se han excluido porque la información relativa a consumos no es confiable. También se han excluido energías eólica, geotérmica y solar.
En el caso de la energía hidráulica y de la nuclear, la energía primaria se ha obtenido calculando la cantidad equivalente de combustrible fósil que se necesitaría para generar la misma cantidad de energía eléctrica en una central térmica, considerando una eficiencia en la conversión del 38% (la media en los países que integran la OCDE, Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico).
La figura 1.2 es el mapa mundial de consumo energético per cápita, en toneladas equivalentes de petróleo (tep), durante el año 2007. La mayor parte de África, junto con Sudamérica (exceptuando Argentina, Chile y Venezuela) y el sureste asiático, consumieron menos de 1,5 tep. La mayor parte de Europa occidental consumió entre 3 y 4,5 tep. El consumo de energía en Estados Unidos, Canadá, Bélgica, Luxemburgo, Islandia, Noruega, Kuwait, Qatar, Arabia Saudita, Emiratos Árabes y Singapur superó las 6 tep.
Figura 1.2. Consumo energético per cápita durante el año 2007.(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).
La población de nuestro planeta está experimentando un crecimiento sin precedentes. La gran mayoría de estudios especializados sobre este tema coinciden en señalar que tanto la población como el consumo de energía crecerán considerablemente. El rápido crecimiento económico que han empezado a experimentar países con una gran población, como China y la India, es un hecho muy importante que debe tenerse en cuenta. Los problemas del actual sistema energético tenderán a acentuarse todavía más.
El Informe Mundial de la Energía ya afirmaba en el año 2000 que el sistema energético global no era suficientemente fiable o asequible como para soportar un crecimiento económico generalizado.
Por tanto, la única solución para conseguir un reparto más justo de los recursos energéticos y preservar el medioambiente es la puesta en marcha de políticas que fomenten el ahorro energético y el uso racional de la energía.
El 7 de noviembre de 2007, Fatih Birol, economista jefe de la IEA (International Energy Agency), en una entrevista que le hicieron dos redactores del Financial Times en Londres, declaró: “Si juntamos ambas cosas, la seguridad a corto plazo, la seguridad a medio plazo de nuestros mercados del petróleo, más el cambio climático, consecuencia de nuestro uso energético, mi mensaje es que si no hacemos algo muy rápido y de manera valiente, las ruedas pueden salirse. Las ruedas de nuestro sistema energético pueden salirse. Este es el mensaje que queremos dar.”
La solución se halla en el desarrollo sostenible. Este término fue formalizado por primera vez en el año 1987 en el Informe Brundtland, fruto de los trabajos de la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas. Desarrollo sostenible es aquel que responde a las necesidades del momento presente sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras de responder a las suyas.
Son tres los componentes del desarrollo sostenible: el desarrollo económico, el desarrollo social y la protección del medio ambiente. Son tres componentes independientes que, a su vez, se refuerzan mutuamente.