XIX Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XIX- SPES), Puno, 12 -17.11.2012

ESTUDIO COMPARATIVO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL COLECTOR SOLAR TERMOACUMULATIVO EN PERÚ Dr. Ing. Juan Raúl Massipe Hernández – [email protected] Dr. Ing. Marcos Oswaldo Quispe Flores – [email protected] MSc. Ing. Juan Gabriel Ruiz Rodríguez – [email protected] TEKSODE International Consulting (Barcelona, España), www.teksode.com MSc. Ing. Iñigo Aparicio Celarain– [email protected] Solcrafte, S.A.

Resumen. Se compara el comportamiento térmico del colector solar termoacumulativo Solcrafte®200 de la empresa Solcrafte con el colector solar plano en régimen forzado y el colector solar termosifónico para 5 localidades representativas de zonas climáticas del Perú y un régimen de extración de agua caliente tarde-noche. Mediante el programa TRNSYS se simula los sistemas solares de agua caliente sanitaria para estos colectores solares. Los colectores solares termoacumulativos con cubierta optimizada permiten una mejora sustancial en el comportamiento térmico de las instalaciones solares que suministran agua caliente sanitaria. Su comportamiento es casi similar a la de los colectores solares planos y ligeramente mejor que la de los colectores solares termosifónicos para las condiciones de este estudio. Si se considera a los colectores termoacumulativos sencillos, económicos y con mantenimiento reducido pueden constituir una alternativa competitiva para aplicaciones de agua caliente sanitaria en gran parte del Perú. Palabras clave: Colectores Solares Termoacumulativos, Colector Solar Compacto, Termas Solares, TRNSYS.

1.

INTRODUCCIÓN

El desarrollo y comercialización de materiales de aislamiento para cubiertas ha permitido pasar de la fase de investigación y prototipos a una serie de proyectos a gran escala de sistemas solares pasivos y activos. Para minimizar las pérdidas de calor por cubierta se pueden utilizar láminas de vidrio mejoradas, materiales aislantes transparentes y capilares de vidrio, los cuales se pueden obtener comercialmente. Schweiger [Schweiger, H. et al. 1994] realiza un estudio de los colectores solares planos con materiales aislantes transparentes en el clima de España y recomienda como una aplicación prometedora la utilización de materiales aislantes transparentes en colectores solares termoacumulativos, que integran en un mismo dispositivo el absorbedor y el tanque termo-acumulador de agua caliente. Goetzberger [Goetzberger A. et al., 1987] y Schmidt [Schmidt Ch. et al., 1988] han llegado a considerar que la aplicación de materiales aislantes transparentes en colectores solares termoacumulativos permiten reducir significativamente las pérdidas nocturnas y lo pueden hacer viables en climas de temperaturas frías (≤0ºC). Este estudio tiene como objetivo el mostrar la viabilidad técnica del colector solar termoacumulativo Solcrafte®200 con cobertura mejorada en diferentes zonas climáticas de Perú para suministro de agua caliente sanitaria. 2.

SISTEMAS SIMULADOS

Para estudiar el comportamiento térmico de los sistemas de colectores solares se ha simulado tres sistemas similares de agua caliente sanitaria mediante el programa TRNSYS para cada tipo de colectores solares. En todos los casos el sistema solar se complementa con una fuente auxiliar de energía. Se ha considerado las pérdidas por tubería en los sistemas solares. La distribución diaria de la carga de agua sanitaria asumida ha sido la de un perfil de extracción tarde-noche como se muestra en la Fig. 1. Se ha simulado a largo de un año los tres sistemas de agua caliente sanitaria estudiados cuyos esquemas se muestran en las Fig. 3, 5 y 7. Los parámetros comunes de los sistemas solares son los siguientes: • • • • • • •

Localidades: zonas climáticas; Inclinación: 20º; Área de captación: 2,15 m2; Volumen del tanque: 200 litros; Consumo diario de agua: 180 litros; Temperatura del agua fría: 10ºC; Temperatura del agua caliente: 45ºC;

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• • • • •

Régimen de carga: ver Fig. 1 Fluido de trabajo: agua; Longitud de la tubería: 10 m; Eficiencia de la fuente auxiliar: 0.99; Nodos de estratificación: 7. 40 Tarde/Noche Demanda horaria, [litros]

35 30 25 20 15 10 5 Horas 0 12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Figura 1 – Distribución de la demanda diaria de ACS. 3.

INSTALACIÓN SOLAR FORZADA CON COLECTOR SOLAR PLANO

El esquema del sistema solar con colectores solares planos, se muestra en la Fig. 3 y esta compuesto por tres circuitos hidráulicos: el primero que incluye a los colectores solares por cuyo interior circularía una solución acuosa anticongelante si es necesario, el secundo entre el intercambiador de calor y el tanque y el tercero por el cual circula el agua caliente que va al consumo. En la Fig. 2 se muestra un foto de una instalación solar típica con colectores solares planos. En estos sistemas solares el primer y segundo circuitos incluyen una bomba de circulación. El tercero contiene un calentador de agua con una fuente auxiliar de energía, una válvula de tres vías termostática que mezcla proporcionalmente agua fría de la red y agua caliente proveniente del tanque para controlar la temperatura del agua que entra en el calentador auxiliar.

Figura 2 – Instalación solar de colectores solares planos en régimen forzado.

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Figura 3 – Esquema de instalación solar de colector solar plano en régimen forzado.

4.

INSTALACIÓN SOLAR CON COLECTOR SOLAR TERMOSIFÓNICO

La Fig. 5. representa el esquema de instalación con colector solar termosifónico. En este tipo de sistema solar, generalmente, esta compuesto por dos circuitos: uno el circuito solar entre el colector solar y el tanque acumulador con intercambiador de calor y un segundo circuito con un calentador auxiliar y válvula mezcladora. Si el tanque no tuviese intercambiador de calor sólo tendría un circuito hidráulico. En estos sistemas el agua de red va directamente al tanque acumulador que puede tener o no intercambiador de calor en su interior. No tiene una bomba de circulación ya que la circulación del fluido se produciría por convección natural de ahí su nombre y si fuese necesario por las bajas temperaturas se utiliza en el primer circuito una solución acuosa anticongelante. En la Fig. 4 se muestra un foto de un colector solar termosifónico.

Figura 4 – Instalación solar con colector solar termosifónico.

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Figura 5 – Esquema de instalación solar con colectores solares termosifónicos.

5.

INSTALACIÓN SOLAR CON CON COLECTOR SOLAR TERMOACUMULATIVO

El sistema solar del colector solar termoacumulativo incorpora en un mismo dispositivo las funciones de absorción de la energía solar y la de acumulación de la energía térmica, resulta más sencillo al no llevar incorporado ni bomba de circulación ni tanque termo exterior, como muestra el esquema de la Fig. 7. En la Fig. 6 se muestra un foto de una instalación solar de ACS con colector solar termoacumulativo. En este tipo de sistema solar esta compuesto por un sólo circuitos hidráulico. El agua de red va directamente al tanque termo-acumulador y de ahí al consumo. No tiene una bomba de circulación y si fuese necesario por las bajas temperaturas se utiliza opcionalmente una varilla de calefacción. El colector solar termoacumulativo Solcrafte®200 de cubierta mejorada ha incorporado a la lámina de vidrio solar una lámina aislante transparente de 30 mm con el fin de minimizar las pérdidas de calor por la cubierta.

Figura 6 – Instalación solar con colectores solares termoacumulativos.

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Figura 7 – Esquema de instalación solar con colector solar termoacumulativo. 6.

DATOS CLIMÁTICOS DE LAS LOCALIDADES

Según el Atlas de Energía Solar del Perú las condiciones orográficas, climáticas y oceanográficas, entre otras, determinan la existencia de tres grandes regiones naturales: Costa, Sierra y Selva. La Costa es la región limitada por el Océano Pacífico y las laderas andinas por debajo de los 2000 msnm. La Sierra es la región de la Cordillera de los Andes, caracterizada por la presencia de cumbres y montañas con alturas de 6000 msnm. La Selva es la región formada por dos zonas, el bosque tropical amazónico o selva baja y las pendientes y valles al este de los Andes bajo los 2 000 msnm o selva alta (Cáceres et al., 1 984). La zona de mayor potencial de energía solar del territorio peruano se encuentra principalmente en la costa sur donde la irradiación media diaria es de 6,0 a 6,5 kW h/m2, seguido de la costa norte y gran parte de la sierra sobre los 2500 msnm con una disponibilidad de energía solar diaria entre 5,5 a 6,0 kW h/m2. La zona de bajos valores de energía solar en el territorio es la selva con registros de 4,5 a 5,0 kW h/m2 con una zona de mínimos valores en el extremo norte. Radiación solar global

[kWh/m2/día] 8,0 Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Puno

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0 Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Figura 8 – Radiación solar global de las localidades.

Oct

Nov

Dic

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Se han seleccionado cinco localidades representativas de zonas climáticas del Perú: • • • • •

Costa Norte: Piura. H = 5,3 kWh/m2día, Tmax = 30,7ºC, Tmin = 19,6ºC; Costa Central: Lima. H = 4,3 kWh/m2día, Tmax = 23,3ºC, Tmin = 15,5ºC; Costa Sur: Moquegua. H = 6,1 kWh/m2día, Tmax = 27,0ºC, Tmin = 10,0ºC; Sierra Central: Huancayo. H = 5,1 kWh/m2día, Tmax = 19,6ºC, Tmin = 4,4ºC; Sierra Sur: Puno. H = 5,8 kWh/m2día, Tmax = 14,7ºC, Tmin = 2,0ºC.

Los datos se muestran en valores medios diarios mensuales los cuales se convierten en valores horarios mediante el generador de datos meteorológicos del programa de cálculo. Las Fig. 8 y 9 muestran los valores medios mensuales de la radiación solar glogal y las temperaturas medias mensuales para las zonas climáticas estudiadas. Temperaturas medias mensuales

[ºC] 35

Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Puno

30

25

20

15

10

5

0 Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Figura 9 – Temperatura ambiente media mensual de las localidades.

7.

PARÁMETROS DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO

Se ha considerado tres sistemas solares uno por cada tipo de colector solar: colector solar termoacumulativo, colector solar termosifónico y colector solar plano en régimen forzado. El comportamiento térmico de los colectores solares se caracteriza por su curva de eficiencia. La Tab. 1 muestra los valores de los parámetros del comportamiento térmico de los tres colectores solares. Para el caso de los sistemas con colectores solares planos la curva de eficiencia térmica considera la irradiancia solar HT, y la diferencia de temperatura entre el agua a la entrada de los colectores solares y el ambiente (ΔTfe-a), según la expresión generalizada:

ηcs = Fr(τα)e − Fr ⋅ U L0

ΔT fe−a HT

− Fr ⋅ U L1

ΔT fe2−a HT

(1)

Para los colectores solares termoacumulativos hay que tomar en cuenta los valores promedios de: irradiación solar y la diferencia de temperatura entre el agua al inicio y el ambiente [Zollner, A. et al., 1985]. La ecuación de la eficiencia térmica del colector termoacumulativo viene dada por:

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ηcsta = Fr ′(τα )e − Fr ′U L

ΔT f , i n − a

(2)

HT

El término Fr (τα )e puede expresarse en función de la incidencia normal, tenemos (para cubierta de vidrio):

⎡

⎛ 1 ⎞⎤ − 1⎟⎥ ⎝ cos θ ⎠⎦

η (θ ) = η ( 0 ) ⎢1 − b⎜ ⎣

(3)

Tabla 1. Parámetros del comportamiento térmico de los colectores solares. ULO UL1*10-3 η0 -2 -1 [Wm K ] [Wm-2K-1] [%] Tipo de colector solar ↓ Colector solar termoacumulativo (Solcrafte®200), TAC* 0,769 4,89 9,0 Colector solar termosifónico, TSF* 0,769 4,89 9,0 Colector solar plano régimen forzado, FSD* 0,769 4,89 9,0 * Símbolos utilizados para identificar a los colectores en las Fig. 10 – 13. Parámetros →

8.

bO [-]

0.10 0,10 0,10

RESULTADOS

Se han utilizado los parámetros siguientes para evaluar el comportamiento térmico de los sistemas solares: fracción solar anual ƒsolar, eficiencia solar anual ηsolar, energía útil anual Qútil y superficie necesaria del colectores solares termoacumulativo para obtener una fracción solar del 70 %, Aƒ70. Los dos primeros parámetros dan una medida del comportamiento medio anual, el primero con respecto a la demanda térmica y el segundo respecto a la energía solar incidente. El tercer parámetro cuantifica la energía térmica disponible por los equipos y el cuarto parámetro da más peso a los meses con menos radiación solar y condiciones climáticas desfavorables. [%]

Fracción solar anual

100 TAC

TSF

FSD

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Puno

Figura 10 – Fracción solar anual para las localidades. En la Fig. 10 se muestra la fracción solar anual de los sistemas solares para cinco localidades correspondientes a zonas climáticas de Perú. El colector solar termoacumulativo con cubierta mejorada tiene una fracción solar superior al 70 % en todas las localidades por la alta disponibilidad del recurso solar y las moderadas temperaturas Para la localidad de Moquegua (correspondiente a la zona climática de la Costa Sur) la fracción solar alcanza a cubre el 90 % de la demanda térmica anual lo que en la practica equivaldría a satisfacer plenamente la demanda de agua caliente saniataria.

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El colector solar termoacumulativo Solcrafte®200 se comporta para las condiciones del presente estudio, prácticamente, igual de bien que el colector solar plano y ligeramente mejor que el colector solar termosifónico lo que demuestra sus posibilidades técnicas para satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria. [%]

Eficiencia solar anual

100 TAC

TSF

FSD

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Puno

Figura 11 – Eficiencia solar anual para las localidades estudiadas. La Fig. 11, muestra la eficiencia solar anual de los sistemas solares, entendiéndose como tal toda la instalación solar. Resalta el grado de homogeneidad de las tendencias entre los sistemas y las pequeñas oscilaciones de sus valores en cada localidad es un indicativo que aprovechan igual de bien el recurso solar. La mayor eficiencia solar anual se alcanza en las zonas climáticas en que las temperaturas son más homogéneas y moderadas durante todo el año. [MJ/año]

Energía anual útil producida

10.000 TAC

TSF

FSD

9.000

8.000

7.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0 Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Figura 12 – Energía anual útil para las localidades estudiadas

Puno

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La Fig. 12, muestra la cantidad de energía útil extraída en los colectores solares para las localidades estuduadas, la cual constituye una evaluación cuantitativa del potencial de los colectores solares y nos pueden aportar criterios cuantitativos de su aporte energético y su viabilidad técnico-económica. La Fig. 13, nos muestra la superficie de captación necesaria para que el colector solar termoacumulativo pueda obtener una fracción solar anual del 70 %. Los resultados reflejan que en todas las localidades se necesita una superficie de captación menor que la del colector solar (2,15 m2) lo que demuestra la viabilidad técnica de los mismos. Superficie necesaria para obtener una fsolar = 70%

Superficie, [m2] 2,5

2

1,5

1

0,5

0 Piura

Lima

Moquegua

Huancayo

Puno

Figura 13 – Superficie para obtener una fracción solar anual del 60 %. 9.

CONCLUSIONES a. b. c. d. e.

Se realizo el estudio comparativo del colector solar termoacumulativo con el colector solar plano en régimen forzado y el colector solar termoacumulativo en 5 localidades representativas de zonas climáticas de Perú; Se ha mostrado que la utilización del colector solar termoacumulativo con cubierta mejorada es adecuada para el suministro de agua caliente sanitaria en gran parte del Perú; Los resultados demuestran que el colector solar termoacumulativo, para las condiciones del presente estudio, tiene un comportamiento térmico prácticamente igual de bien que los colectores solares planos en régimen forzado y ligeramente superior al colector solar termosifónico; Se han alcanzado en el colector solar termoacumulativo valores de la fracción solar anual igual y superior al 70% en todas localidades estudiadas lo que lo hace viable técnicamente para el suministro de agua caliente sanitaria; Si se considera que los colectores solares termoacumulativos son sencillos, económicos y su mantenimiento es reducido pueden constituir una alternativa competitiva, viable y atractiva para el suministro de agua caliente sanitaria en gran parte del territorio de Perú.

REFERENCIAS Cáceres, R. ,A. Herrera, C. Rivera, C. Cavero, M. Díaz, N. Aguilar y J. Chang. 1 984. “Desarrollo y aplicación de métodos agrometeorológicos para el pronóstico del estado de los cultivos en el Perú”. Informe Final. Missouri. Pp. 108. Goetzberger, A. and Rommel, M. 1987. “Prospects for Integrated Storage Collector Systems in Central Europe”. Solar Energy Vol. 39, No. 3, pp. 211-219. Massipe Hernández, J.R. 2005. “Colectores solares termoacumulativos: Análisis numérico y experimental en regímenes estacionario y transitorio”. Tesis Doctoral. Universidad de Lleida. España. Proyecto PER/98/G31: Electrificación rural a base de energía solar fotovoltaica en el Perú. 2005. “Atlas de energía solar del Perú”. Lima, Perú. Schmidt, CH.; Goetzberger, A. and Schmid, J. 1988. “Test Results and Evaluation of Integrated Collector Storage Systems with Transparent Insulation”. Solar Energy Vol. 41, No. 5, pp. 487-494.

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Schweiger, H.; Oliva, A.; Costa, M. 1994. “Colectores Solares Planos con Cobertura del tipo Honeycomb en el Clima de España”. Proceedings del 7º Congreso Ibérico de Energía Solar, Mayo, Vigo, España, pp. 247-252. Zollner, A.; Klein, S.A. and Beckman, W.A.. 1985. “A Performance Prediction Methodology for Integral CollectionStorage Solar Domestic Hot Water Systems”. Transactions of the ASME, Journal of Solar Energy Engineering Vol.107, November, pp. 265-272.

COMPARATIVE STUDY OF THE THERMAL PERFORMANCE FOR THE INTEGRATED SOLAR COLLECTORS IN PERU Abstract. The performance of integrated solar collectors with an optimized cover is compared with of conventional solar collectors in the climate of 5 climatic zones of Perú and specific withdrawn water volume. The same system for each solar collector is simulated by the program TRNSYS: A domestic hot water system. The integrated solar collectors allow an improvement in solar systems working at low temperatures. Their performance is similar to that of flat solar collectors and slightly better than the solar collectors termosifónicos to the conditions of this study. Their characteristics allow to build simple and competitive integrated solar collector systems for domestic hot water in some regions of Perú Key words: Integrated Collector Storage (ICS), TRNSYS Simulation, Solar Domestic Hot System, Solar Fraction, Solar System of Peru.