01 UD1 El Potencial Solar y la Implantación de las IST PDF

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I.E.S POLITECNICO Módulo ERE

UNIDAD 1: EL POTENCIAL SOLAR Y LA IMPLANTACIÓN DE LAS IST. 1. Introducción. 2. EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA 2.1 Parámetros básicos: insolación, radiación global y temperatura ambiente 2.2 Potencial solar : la inclinación de los rayos,águlos y radiación incidente 3. EL EMPLAZAMIENTO: ORIENTACIÓN, INCLINACIÓN y SOMBRAS 3.1 Orientación e inclinación óptimas. 3.2 Límites de Pérdidas. 3.3 La integración en la edificación. 3.4 La estructura soporte. 4. NORMATIVAS PRINCIPALES 4.1 CTE: Exigencias básicas HE4 y HE5 4.2 RITE 5. TIPOS DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS. 1.1.- IST de baja temperatura. 1.2.- IST de media y alta temperatura. 6. APLICACIONES DE LAS IST A BAJA TEMPERATURA 2.1.- A.C.S. 2.2.- Calefacción. 2.3.- Refrigeración. 2.4.- Climatización de piscinas. 2.5.-Procesos industriales 7. NECESIDADES Y CONSUMOS ENERGÉTICOS 5.1 Consumos de ACS. 5.2 Consumos de calefacción. 5.3 Consumos de refrigeración. 5.4 Climatización de piscinas

1.- Introducción. Tendremos que analizar la viabilidad e idoneidad de las instalaciones planteadas, habrá que comenzar por realizar un estudio sobre el potencial solar de cada propuesta o caso. Hasta hace un par de décadas el uso de las energías renovables: solar, eólica, biomasa, etc, era una reivindicación ecologista. Hoy en día es ya una realidad ¿Cuáles son las causas del constante progreso en los últimos años de la demanda y del mercado de las instalaciones solares y sus aplicaciones en el ámbito energético? La aplicación de normativas que impulsan su uso ha influido en ello, pero ¿qué ventajas presentan? Entre esas ventajas, como seguramente ya conoces, se pueden citar que:

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Se trata de una fuente inagotable, gratuita, distribuida y accesible: la de la radiación solar.  No producen emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera, ni generan residuos.  Contribuyen al desarrollo local de la economía y la industria, a nivel tecnológico y de creación de empleo.  Evitan la dependencia energética y económica exterior, sujeta a las fluctuaciones del mercado, al agotamiento y seguridad de las instalaciones que usan otras fuentes convencionales. Aunque, ¿piensas que todo son ventajas? No: Por ahora, aunque cada vez menos, su inversión inicial es algo mayor a las convencionales, amortizable a corto o medio plazo, si está bien diseñada. Su disponibilidad como fuente energética, a pesar de las diferentes formas de almacenamiento, no consigue satisfacer siempre la demanda y precisa con frecuencia ser complementada con otras energías convencionales. Un esquema de las diferentes energías renovables, realizado por la Agencia Andaluza de la Energía, en el que se encuadra la solar, lo puedes ver esta imagen:

Ejemplo de este aumento en el mercado solar es la buena marcha de las empresas del sector y la llegada del pedido de asesoramiento sobre el potencial de la implantación de instalaciones solares en sus edificaciones.

2.- El sol como fuente de energía. Para hacer un estudio sobre la viabilidad de diferentes instalaciones solares habrá que estudiar el potencial solar de cada emplazamiento depende no sólo de los datos astrofísicos de la radiación solar del lugar, sino también de la influencia de la orientación, inclinación y posibles sombras que tendrán los paneles captadores de esa radiación. Habrá que estudiar los parámetros básicos de medición del potencial de energía solar aprovechable en un lugar. El sol produce energía en forma de radiación electromagnética (radiación solar), que es la fuente energética básica para la vida en la Tierra . El sol es una esfera, de unos 700.000 km. de radio, constituida por una mezcla de gases compuesta, fundamentalmente, por un 70% de hidrógeno y un 27% de

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Helio. En su interior tienen lugar las reacciones de fusión por la que cuatro átomos de hidrógeno dan lugar a dos átomos de helio y la masa atómica sobrante se transforma en energía de acuerdo con la fórmula de Einstein: E= mc2. Es decir, el sol se comporta como un reactor de fusión pero situado a 150 millones de kilómetros. Debido a la gran distancia entre el sol y la Tierra, la radiación solar en la superficie terrestre es sólo una pequeña parte de la emitida por el sol; ésta es 3,86·10 26 W, que, por unidad de superficie del sol es 6,35·107 W/m2. En concreto, sobre una superficie unitaria colocada fuera de la atmósfera terrestre perpendicularmente a la radiación solar recibe como valor medio 1.367 W/m2; a este valor se le conoce como constante solar. Pero de toda la energía recibida, sólo aprovechamos una ínfima parte. Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía de la que vamos a consumir. A pesar de ello, existe una gran diversidad de sistemas que permiten aprovechar esta energía. El potencial solar de un lugar ayudará a comenzar a concretar las formas posibles de aprovechamiento del mismo, de forma pasiva o activa, como puedes observar en el esquema adjunto. Por ello debes hacerte una primera idea acerca de la función y aplicación de las mismas con el esquema adjunto.

2.1.- Parámetros básicos: insolación, radiación global y temperatura ambiente. ¿Crees que toda la energía que incide sobre el exterior o borde de la atmósfera terrestre nos llega a la superficie terrestre? Pues, no. La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra se reduce principalmente por los siguientes factores variables:  la absorción de la radiación en determinados intervalos de longitud de onda por los gases de la atmósfera (dióxido de carbono, ozono, el vapor de agua,…)  por la difusión atmosférica a consecuencia de las partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua,  por reflexión de las nubes y  por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal de la radiación. De esta forma, la energía del Sol aprovechable que llega a la superficie terrestre, no es de 1.400 W/m2, que es la que llegaba al exterior de la atmósfera, sino de unos 1.000 W/m2 aproximadamente, difiriendo de unas zonas a otras dentro del planeta. Incluso dentro de España estos valores varían de unas regiones a otras, como se puede apreciar en el mapa elaborado por el IDAE de la energía solar incidente sobre la superficie de España y Portugal de más abajo.

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La insolación o radiación solar, se utilizan como concepto genérico, pudiéndose medir mediante varias magnitudes físicas, algunas de las cuales ya las hemos utilizado. Principalmente son estas dos:  La IRRADIANCIA o Intensidad de radiación, que es la potencia de la radiación solar por unidad de área (en el S.I. se mide en vatios por metro cuadrado, W/m2).  La IRRADIACIÓN que es la energía solar incidente por unidad de área (en el S.I. se mide en julios por metro cuadrado, J/m2, u otra unidad de energía por metro cuadrado, m2, como el kilovatio por hora radiado por cada m2, kW·h/m2, como se puede observar en el mapa de España zonificado por irradiaciones medias diarias y anuales. Por tanto, la irradiación representa la irradiancia media recibida en un determinado periodo de tiempo por dicho tiempo (por ejemplo, número de horas). En los cálculos para deducir el número de captadores en una IST, se debe conocer el rendimiento mensual del captador elegido, para lo que es necesario establecer la irradiancia o intensidad de radiación mensual a partir de los datos de Irradiación diaria media mensual, dividiendo ésta por el tiempo de radiación solar diario. El número de horas útiles de sol al día en cada mes puede estimarse según la siguiente tabla: Número de horas de sol útiles en España (fuente: IDAE) Mes

Enero

Febre ro

Marz o

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agost o

Hora s de Sol

8

9

9

9,5

9,5

9,5

9,5

9,5

Septi embr e 9

Octub re

Novie mbre

Dicie mbre

9

8

7,5

La radiación solar que acabas de analizar anteriormente y que llega a una superficie se compone de tres tipos:  RADIACIÓN DIRECTA, B: formada por los rayos procedentes del sol directamente.  RADIACIÓN DIFUSA, D: absorbida y difundida por la atmósfera (muy significativa, por ejemplo, en días nublados), originada por los efectos de dispersión mencionados anteriormente.  RADIACIÓN DEL ALBEDO, R: la radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja en todas las superficies en las que incide, sobre todo en el suelo, dando lugar a una radiación REFLEJADA.

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La suma de estas componentes da lugar a la RADIACIÓN GLOBAL, G, de tal forma que: G=B+D+R. Toda radiación es aprovechable en una instalación solar, por lo que tendremos que tener en cuenta no sólo la radiación directa, sino la difusa y la reflejada también (en un día nublado, también se da un aprovechamiento activo de la radiación solar) Otro dato importante de partida que se precisa es el de la TEMPERATURA AMBIENTE para conocer las pérdidas energéticas que se producirán en el captador o panel por encontrarse a más temperatura que el ambiente. Vamos a ver un video donde se explica detalladamente qué es la radiación solar, los tipos de radiaciones electromagnéticas del sol, los tipos de radiaciones ultra violeta y la cantidad y tipos de radiación solar que llega a la Tierra. URL: https://www.youtube.com/watch?v=T-1jmj-RgfA

2.2.- Potencial solar: la inclinación de los rayos, ángulos y radiación incidente. Son muchos los factores que influyen en el potencial solar de una determinada superficie según sea su ubicación, inclinación, etc. Seguro que sabes que a lo largo del año varía la radiación solar sobre un lugar por la inclinación de los rayos solares, apareciendo las estaciones. ¿Pero a qué se debe ese cambio? ¿Cómo aparecen las estaciones? Además de por la inclinación del eje norte –sur de la tierra, la inclinación de los rayos solares también varía de un lugar a otro según la latitud del lugar donde te sitúes. ¿No será entonces éste otro importante factor a tener en cuenta?

La Tierra gira alrededor del Sol con un movimiento de traslación que describe una elíptica de muy poca excentricidad durante 365 días y 5,8 h, es decir un año. Esta órbita está inclinada con respecto al plano del ecuador en 23º 26´ y ello hace que sobre un punto de la Tierra con una determinada latitud los rayos del Sol caigan unas veces más perpendiculares que otras y, por lo tanto, que la Radiación Incidente sobre la misma sea diferente a lo largo del año, lo que da lugar a las estaciones, tal y como puede observarse en la imagen adjunta perteneciente a la agencia estadounidense NOAA. El potencial solar de una superficie en un lugar determinado vendrá dado por los siguientes factores:  LATITUD: de ella depende la variación y el valor de la altura solar.  IRRADIANCIA y TIEMPO DE EXPOSICIÓN a ella, de las que se deduce la IRRADIACIÓN.  INCLINACIÓN y ORIENTACIÓN respecto al Sur (o azimut) de la superficie receptora, además de las posibles SOMBRAS.  ESTACIÓN DEL AÑO Vemos un vídeo de cómo se producen las estaciones climáticas anuales debido al a la inclinación de 23,44º del planeta Tierra sobre su eje de rotación en su movimiento de traslación alrededor del sol. Ello provoca el cambio del ángulo de incidencia de los rayos solares (altura solar). URL: http://www.youtube.com/watch?v=rxAKrAqrmIw&feature=related

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Ángulos Calcular la producción energética de un superficie captadora tendrá que conocer la variación de los parámetros solares en función de un conjunto de valores angulares: son el conjunto de ÁNGULOS que determinan la posición del sol (altura y azimut solares), la del emplazamiento (latitud del lugar) y la del plano de la superficie captadora de la radiación solar (inclinación y azimut del panel). La situación del sol en un lugar en concreto viene determinada por la altura y azimut solares, conocidas como coordenadas geocéntricas solares, como se puede observar en la imagen de abajo. Acimut o azimut Solar, Ψ: el ángulo acimutal del sol es el formado por la proyección de los rayos solares en el plano horizontal y el eje SurNorte, siendo los ángulos considerados negativos si están comprendidos entre el sur (acimut 0º) y el noreste y positivos si están entre el sur y noroeste. Por ejemplo la orientación este de las primeras horas del día estará cercana a -90º, y en el ocaso por el oeste, cercana a +90º. Lógicamente, en el hemisferio sur el acimut cero, Ψ=0º, corresponderá a la orientación norte

Altura Solar, γ: ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal determinada por el horizonte. Sus valores estarán comprendidos entre 0 y 90º. A mayor ángulo de inclinación de los rayos solares, como ocurre en el ecuador o en el verano, más elevado estará el sol y más cerca del valor 90º. Su ángulo complementario hasta los 90º se conoce por ángulo zenital, ϴ El segundo grupo de coordenadas son ángulos relativos a la ubicación del plano de la superficie captadora: Latitud, Φ: es el ángulo formado entre el plano que pasa por el ecuador y la línea imaginaria que une un punto determinado del la superficie del planeta con el centro geométrico de la tierra. Se mide en grados sexagesimales, por lo que variará en el hemisferio norte entre 0º (en el ecuador) y +90º (polo norte), y entre 0º y -90º (polo sur) en el hemisferio sur. La variación de la altura del sol o la inclinación con la que inciden los rayos solares dependerá, entre otros, de la latitud del lugar. Se representa el paralelo correspondiente a una latitud de 50º en la imagen de la derecha. En España, la latitud se encuentra entre los 28º de las Islas Canarias, los 35º de Ceuta y Melilla, 36º del Sur de la península, y los 43º de la costa cantábrica y Pirineos. Inclinación del panel o captador, β: ángulo formado por la superficie del panel y la horizontal del suelo de apoyo, tal y como puedes ver en la imagen adjunta del Pliego de Condiciones Técnicas de las IST del IDAE. Azimut del captador, α (no confundir con el azimut solar): ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del captador y el meridiano del lugar. Al igual que con el azimut solar, Ψ, valores típicos son 0° para captadores orientados al Sur, –90° para captadores orientados al Este y +90° para captadores orientados al Oeste. Se representa dicho ángulo en la imagen.

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Radiación incidente Para averiguar el verdadero potencial solar de un emplazamiento (latitud), tendremos que conocer la RADIACIÓN aprovechable de la que incide SOBRE UNA SUPERFICIE INCLINADA, como es la de los paneles captadores. Para ello es necesarios partir de los datos astrofísicos de la irradiación solar diaria media mensual sobre una unidad de superficie horizontal, a la que denominaremos por la letra H. En primer lugar, el valor de H puede ser modificado si se extrapola a zonas montañosas o con atmósferas muy limpias (incrementado un 5%, por lo que se multiplica por 1,05) o a zonas polucionadas o con frecuentes neblinas (se disminuye un 5%, multiplicado por 0,95). Más exacto es también considerar, para el caso de IST (no para las fotovoltaicas, capaces de generar electricidad incluso con una débil radiación difusa), que de los datos astrofísicos de las tablas de radiación solar, un 6% del valor H no es aprovechado por las IST debido a la débil intensidad de los rayos a primeras y últimas horas del día, por lo que habrá que multiplicar también por 0,94 al valor astrofísico H. La energía total teórica incidente Et que puede ser aprovechada en un día medio del mes considerado por cada m2 del captador inclinado, se obtiene de multiplicar el valor anterior H por un factor de corrección k por la inclinación, que representa el cociente entre la energía total incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo, y otra horizontal, por lo que su valor depende de la latitud, inclinación y del mes:

Et = k·H

Los datos de partida para el potencial solar de toda instalación solar, son por lo tanto, la latitud, la irradiación, la temperatura ambiente y los factores k de corrección. Los datos de las capitales de provincia los puedes consultar a continuación en las tablas del Anexo X del Pliego de Condiciones Técnicas de las IST del IDEA, en el que se encuentran las tablas de los valores de latitud, temperaturas ambiente y del agua fría de la red e irradiancia medias mensuales y anuales, y de los factores de corrección k para superficies inclinadas. Para los casos de municipios en los que los datos puedan ser diferentes a los de las capitales de provincia, puedes acudir a una extensa base de datos de los valores de radiación solar, temperaturas medias, etc, a nivel europeo y con una amplia representación de municipios, elaborada por el Joint Research Centre de la Unión Europea, denominada PSVIG, accediendo al siguiente enlace: URL: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=es&map=europe

3.- El emplazamiento: orientación, inclinación y sombras. ¿Has pensado hasta qué punto puede ser viable instalar paneles con orientación vertical para su integración visual en una fachada? ¿Cuánto influye el que tengan una orientación más o menos alejada del sur? ¿Cómo se puede conocer el efecto de las sombras en las diferentes estaciones? ¿Cuánto varía la irradiación por el hecho de tener una determinada inclinación y encontrarse con una latitud concreta ? Comenzamos a analizar los emplazamientos susceptibles de contar con placas solares, para conocer su viabilidad necesita saber sus parámetros con los que pueda establecer el potencial solar (latitud, orientación, inclinación e influencia de posibles sombras) y su efecto sobre la irradiación solar que le llega, la forma de integrar las placas en los edificios y las estructuras soporte de las mismas cuando así lo precisen. Respecto a la inclinación de los captadores , ¿en qué cantidad influirá en la energía incidente a lo largo del año? ¿Cómo puede conocerse la energía que incide sobre una superficie con una determinada

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inclinación? Pues, tal y como pudiste comprobar anteriormente, multiplicando simplemente los valores de la radiación sobre una superficie horizontal por unos factores de corrección k mensuales, diferentes según la inclinación y latitud, y que se encuentran representados en el Pliego de Condiciones Técnicas de las IST del IDEA.

3.1.- Orientación e inclinación óptimas. Ya sabes cómo deducir la radiación útil incidente sobre una superficie inclinada, pero ¿cuál es la inclinación idónea?; ¿y si los captadores no están orientados al sur (azimut del panel, , distinto de 0º), cómo suele ocurrir cuando se integran en cubiertas inclinadas? ¿Cómo podemos conocer las pérdidas por orientación respecto a la óptima del sur? En los casos en los que las desviaciones sean inferiores a un azimut del panel de 15º las pérdidas por orientación son despreciables. Pero cuando se supera esta desviación, tal y como establece el CTE, puede concretarse un VALOR APROXIMADO PARA EL PORCENTAJE DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN: 

Pérdidas por orientación (%) = 100·[3,5·10 −5 ·α2] , para inclinaciones α≥15º

Por tanto, la ORIENTACIÓN óptima de los paneles captadores de la radiación es el SUR (norte en el hemisferio sur), lo que corresponde a un azimut de las placas de 0º. Sin embargo, desviaciones inferiores a los 45º no afectan en exceso al rendimiento. En concreto, si con una orientación Sur obtenemos el valor máximo de rendimiento de la instalación (100%), con orientación Sur±45º obtendríamos pérdidas en el rendimiento de apenas un 5%.

Y, ¿cuál será la inclinación más idónea? Para la INCLINACIÓN de los paneles, la ...