ETAPAS_DISEÑO_SISTEMAS_TERMICOS

ETAPAS EN EL DISEÑO DE SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO TÉRMICO DE LA ENERGÍA SOLAR 1. Estimación de requerimientos energéticos El diseño de cualquier sistema de aprovechamiento térmico de la energía solar empieza con la estimación de los requerimientos energéticos del proceso de interés, el cual puede ser calentamiento de cierta cantidad de agua, secado de cierta cantidad de producto, potabilización de agua de mar (destilación solar), calefacción de edificios, etc. Suponga que desea calentar 200 litros de agua desde una temperatura de 15 hasta una temperatura de 50. ¿Qué cantidad de energía (Q )se requiere para este proceso? Q = 29,302 kJ ó bien Q = 29.3 MJ, o lo que es los mismo Q = 8.14 kWh Es decir, esta es la energía total que el captador debe transferir al agua para calentarla desde 15 oC hasta 50 oC. = CALOR ÚTIL TOTAL = 2. Dimensionamiento del equipo Para dimensionar el equipo que va a satisfacer esta demanda energética; es decir, para estimar el área efectiva de captación (Ac) del colector solar es necesario conocer la eficiencia de conversión (h ), la irradiancia total que en promedio llega al plano del captador ( [=] J/m2)(depende de la ubicación geográfica) y el tiempo de proceso. La eficiencia promedio de un captador () se define como la razón del calor útil total () a la energía radiante total que incide sobre el captador () en un periodo de tiempo determinado: La eficiencia típica de colectores solares para calentamiento de agua oscila entre 30 % y 60% dependiendo de la calidad de los materiales de construcción. La Irradiancia total incidente () sobre el captador depende de la época del año y de la ubicación geográfica, pero podemos calcularla con los Scripts que desarrollamos en Matlab, ¿Cómo? 2.1.Cálculo de la irradiancia total () incidente sobre el captador Consideremos un día típico de diciembre (14 dic, n=344) en La Paz, B.C.S (f=24.13º) y calculemos la radiación total incidente (IT) sobre el plano de un captador cuya inclinación es de b= 35o , orientado en la dirección N-S. Para el mes de diciembre tenemos: Radiación promedio máxima directa, gbm = 550 W/m2 sobre el plano horizontal Radiación promedio máxima Global, gb = 680 W/m2 sobre el plano horizontal En la Ventana de comandos de Matlab calculemos la radiación instantánea incidente (Gpi) sobre el plano del captador, cada 5/60 hrs: >> Gpi=gpi(344,24.13,35,550,680); Esto genera un vector con 277 datos de radiación instantánea, donde el primer dato es NaN (Not a Number). Como Simulink no admite este tipo de datos, debemos asignar un 0 a esta entrada: >> Gpi(1)=0; Calculemos ahora un vector “tiempo” para la simulación con Simulink: >>t=0:5/60:23; Para usar el bloque “From WorkSpace”, debemos generar la siguiente matriz: >>Gpi=[t’ Gpi’]; Construya el siguiente Modelo Simulink: Corra su modelo simulink para un tiempo de simulación de 23 horas, con un Max Step Size de 5/60 de hora. El resultado nos indica que la energía radiante total que llega al plano del captador durante todo el día es de = 6.125 kWh / m2 2.2.Cálculo del Área Efectiva de Captación Debido a las pérdidas térmicas del colector, no toda la energía radiante (IT) que llega al plano del captador es transferida al agua circulante. Supongamos que solo se aprovecha el 45% de esta energía; es decir, h = 0.45. Entonces, podemos usar la ecuación de Eficiencia Térmica para despejar Ac, y así calcular el Área Efectiva de captación: , por lo tanto: = 2.95 m2 » 3 m2 3. Modelado del comportamiento dinámico del sistema de calentamiento Con las estimaciones previas y con otros datos de diseño como: propiedades ópticas de la cubierta semitransparente, propiedades ópticas de la superficie absorbedora, Flujos másicos, propiedades termofísicas del agua y de los materiales del colector, etc se procede a simular el comportamiento térmico del sistema Colector-Termotanque, a fin de verificar que se alcancen las temperaturas de diseño y determinar el tiempo en que se alcanzan las temperaturas máximas del agua en el termotanque. Este modelo permitirá afinar (precisar) las características de diseño del sistema.