EVALUACIÓN TÉRMICA Y EFECTOS DE LA DEMANDA EN UNA INSTALACIÓN SOLAR DE UN PROCESO PRODUCTIVO
THERMAL ASSESSMENT AND EFFECTS OF DEMAND ON A SOLAR INSTALLATION OF A PRODUCTIVE PROCESS
† Enrique Donato Albizzati
Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química. Argentina
albizati@fiq.unl.edu.ar
Recibido: 23/04/2020 y Aceptado: 29/10/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 2. Diciembre, 2020 (58 - 75)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
THERMAL ASSESSMENT AND EFFECTS OF DEMAND ON A SOLAR INSTALLATION OF A PRODUCTIVE PROCESS
† Enrique Donato Albizzati
Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería Química. Argentina
albizati@fiq.unl.edu.ar
Recibido: 23/04/2020 y Aceptado: 29/10/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 2. Diciembre, 2020 (58 - 75)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
Foto de Science in HD de Unsplash.
RESUMEN
Se estudia el comportamiento de un sistema solar térmico que abastece un proceso productivo. La instalación para calentar agua cuenta con 20 colectores planos selectivos, una superficie de 40 m2 y un tanque de almacenamiento de 3 m3. Los resultados de la simulación con el software System Advisor Model indican que anualmente la fracción de energía solar térmica que cubre la demanda es 0.835 y el suministro de energía termosolar es 236.4 kWh/m2 de colector. Luego se comprueba que si se opera con un mayor caudal de agua se reduce dicha fracción pero crece la energía solar térmica suministrada. Efectos similares se producen cuando, aunque no cambia el caudal, el sistema requiere energía para mantenimiento térmico. Si no hay mantenimiento la energía termosolar anual máxima entregada es 611.5 kWh/m2 de colector y la fracción solar mínima 0.540, pero cuando se requiere mantenimiento dichos valores son 506.8 kWh/m2 de colector y 0.259 respectivamente. Los valores calculados de la performance indican que instalaciones de aprovechamiento de la energía solar térmica pueden tenerse en cuenta para mejorar la productividad y competitividad de pequeñas y medianas industrias ubicadas en la región central de Argentina.
Palabras clave: Energía Solar, Sistema Solar Térmico, Calentamiento de Agua, Argentina.
ABSTRACT
The performance of a solar thermal system to supply a productive process is studied. The water heating system has 20 selective flat collectors, an area of 40 m2 and a storage tank of 3 m3. The simulation results with the System Advisor Model software indicate that annually the fraction of thermal solar energy that covers the demand is 0.835 and the thermosolar energy supply is 236.4 kWh/m2 of collector. Then it is verified that if it is operated with a greater flow of water, this fraction is reduced but the supplied solar thermal energy grows. Similar effects occur when, although the flow does not change, the system requires energy for thermal maintenance. If there is no maintenance, the maximum annual solar thermal energy delivered is 611.5 kWh/m2 of collector and the minimum solar fraction 0.540, but when maintenance is required, these values are 506.8 kWh/m2 of collector and 0.259 respectively. The calculated values of performance indicate that installations for the utilization of solar thermal energy can be taken into account to improve the productivity and competitiveness of small and medium industries located in the central region of Argentina.
Keywords: Solar Energy, Solar Thermal System, Water Heating, Argentina.
INTRODUCCIÓN
Las incertidumbres planteadas sobre la disponibilidad de las fuentes energéticas como el petróleo y el gas natural, el impacto de la contaminación ambiental producida en el planeta y la marcada reducción en los costos de los nuevos desarrollos tecnológicos han favorecido la incorporación de las energías renovables y no convencionales en la matriz energética (IRENA, 2019; REN 21, 2019).
La energía solar es un recurso natural abundante y no contaminante, para el cual se cuenta con un equipamiento confiable para su aprovechamiento como energía térmica en todos los niveles de temperatura. Los colectores solares de placa plana pueden generar energía entre 30 y 80°C, mientras que los de tubos evacuados posibilitan alcanzar 120°C aproximadamente. Asimismo, si se requieren mayores temperaturas se dispone de concentradores cilindro parabólicos, lineales tipo Fresnel, paraboloides de revolución y dispositivos de torre central (Albizzati, 2012; Duffie y Beckman, 2013; Kalogirou, 2014).
El campo es amplio para las aplicaciones del calor solar en diversas escalas, abarcando ámbitos públicos y privados, e instalaciones de servicios y de producción, tal como las industrias de proceso, sistemas sanitarios de hospitales y complejos habitacionales. En el año 2000 la generación mundial de energía termosolar fue de 51 TWh, habiendo crecido hasta 396 TWh en 2018, lo que evitó consumir ese año 42.6 millones de toneladas de petróleo y emitir 137.5 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera (Weiss y Spörk- Dür, 2019)
En Europa, Estados Unidos y otras regiones menos desarrolladas se ha comprobado que una importante fracción de la demanda de calor industrial se puede cubrir con energía solar. Este sector consume en el mundo alrededor del 35% del total, siendo el 30% energía térmica por debajo de los 150°C, el 22% corresponde al rango entre 150-400°C, y el 48% supera los 400°C de temperatura (Kumar et al., 2019; Solar Payback, 2017). En principio se han priorizado las aplicaciones de la energía solar en la producción de agua caliente para lavar y limpiar, calentamiento de agua para generación de vapor, calor para procesos en baños y recipientes, y secado por convección con aire caliente (IEA-ETSAP e IRENA, 2015; Lauterbach et al., 2014).
Particularmente en la provincia de Santa Fe, Argentina se encuentran radicadas numerosas empresas pequeñas y medianas relacionadas con el sector agropecuario y agroindustrial. En las mismas se fabrican equipamientos y producen alimentos, a la vez que se ejecutan programas para fortalecer la gestión de la energía y promover la incorporación de fuentes renovables, siendo por ello un campo donde puede aprovecharse la energía solar térmica.
Por otra parte se dispone de técnicas de modelado y simulación en programas como TRNSYS, T-SOL, WATSUN y Polysun, para predecir el comportamiento de sistemas solares térmicos en diferentes condiciones climáticas, mejorar el rendimiento de los elementos componentes y analizar su sensibilidad frente a cambios en los parámetros de operación. En este marco muchas publicaciones han presentado estudios sobre el uso de la energía termosolar en áreas productivas empleando variadas herramientas de cálculo y tienen el respaldo de software con confiabilidad comprobada (Abdel-Dayem et al., 2001; Frein et al., 2014; Kalogirou, 2003; Quijera et al., 2011; Suresh y Rao, 2017). En otros artículos se ha incluido la determinación de los efectos de la variación en el tiempo de la demanda térmica sobre la performance de instalaciones solares industriales (Mousa y Taylor, 2016; Fenercom, 2014; Lauterbach et al., 2014).
Debe tenerse en cuenta que es factible construir plantas solares modulares estándar para ofrecerlas en el mercado, por lo cual es conveniente como primer paso analizar su performance para satisfacer diferentes demandas térmicas en aplicaciones relacionadas con el sector productivo de la región latinoamericana. Dado que el fin es mejorar la productividad y competitividad industrial, en posteriores etapas será necesario evaluar ambiental y económicamente la instalación solar propuesta.
En este trabajo se simula una instalación solar de mediana escala para calentamiento de agua que abastece un proceso productivo cuya demanda térmica es variable durante el día y a lo largo del año. El agua caliente suministrada se emplea como fluido de intercambio térmico en el equipo donde se lleva a cabo el proceso. Con el software System Advisor Model (SAM versión 2020.2.29) se determinan la radiación solar incidente y aprovechada, la temperatura del agua suministrada, la energía termosolar aportada y los consumos energéticos complementarios. Luego se analiza el efecto de la demanda térmica sobre la performance de la instalación considerando casos donde solo aumenta el caudal de agua caliente, y otros donde además se necesita energía adicional para mantenimiento térmico cuando no se lleva a cabo el proceso. Este suministro de calor para mantenimiento evita que la carga contenida en el equipo se enfríe, ya que permanece a una temperatura prefijada.
MATERIALES Y MÉTODO
Integración de la energía solar térmica
En la Tabla 1 se muestran procesos y servicios industriales donde se aplica la energía solar térmica, observándose que los mismos abarcan varios sectores. Las industrias de alimentos y bebidas, fabricación de materiales o piezas metálicas, procesos químicos y plantas para lavado y limpieza son las que poseen mayor potencial (Farjana, 2018; Kumar et al., 2019; Sharma et al., 2017).
Se estudia el comportamiento de un sistema solar térmico que abastece un proceso productivo. La instalación para calentar agua cuenta con 20 colectores planos selectivos, una superficie de 40 m2 y un tanque de almacenamiento de 3 m3. Los resultados de la simulación con el software System Advisor Model indican que anualmente la fracción de energía solar térmica que cubre la demanda es 0.835 y el suministro de energía termosolar es 236.4 kWh/m2 de colector. Luego se comprueba que si se opera con un mayor caudal de agua se reduce dicha fracción pero crece la energía solar térmica suministrada. Efectos similares se producen cuando, aunque no cambia el caudal, el sistema requiere energía para mantenimiento térmico. Si no hay mantenimiento la energía termosolar anual máxima entregada es 611.5 kWh/m2 de colector y la fracción solar mínima 0.540, pero cuando se requiere mantenimiento dichos valores son 506.8 kWh/m2 de colector y 0.259 respectivamente. Los valores calculados de la performance indican que instalaciones de aprovechamiento de la energía solar térmica pueden tenerse en cuenta para mejorar la productividad y competitividad de pequeñas y medianas industrias ubicadas en la región central de Argentina.
Palabras clave: Energía Solar, Sistema Solar Térmico, Calentamiento de Agua, Argentina.
ABSTRACT
The performance of a solar thermal system to supply a productive process is studied. The water heating system has 20 selective flat collectors, an area of 40 m2 and a storage tank of 3 m3. The simulation results with the System Advisor Model software indicate that annually the fraction of thermal solar energy that covers the demand is 0.835 and the thermosolar energy supply is 236.4 kWh/m2 of collector. Then it is verified that if it is operated with a greater flow of water, this fraction is reduced but the supplied solar thermal energy grows. Similar effects occur when, although the flow does not change, the system requires energy for thermal maintenance. If there is no maintenance, the maximum annual solar thermal energy delivered is 611.5 kWh/m2 of collector and the minimum solar fraction 0.540, but when maintenance is required, these values are 506.8 kWh/m2 of collector and 0.259 respectively. The calculated values of performance indicate that installations for the utilization of solar thermal energy can be taken into account to improve the productivity and competitiveness of small and medium industries located in the central region of Argentina.
Keywords: Solar Energy, Solar Thermal System, Water Heating, Argentina.
INTRODUCCIÓN
Las incertidumbres planteadas sobre la disponibilidad de las fuentes energéticas como el petróleo y el gas natural, el impacto de la contaminación ambiental producida en el planeta y la marcada reducción en los costos de los nuevos desarrollos tecnológicos han favorecido la incorporación de las energías renovables y no convencionales en la matriz energética (IRENA, 2019; REN 21, 2019).
La energía solar es un recurso natural abundante y no contaminante, para el cual se cuenta con un equipamiento confiable para su aprovechamiento como energía térmica en todos los niveles de temperatura. Los colectores solares de placa plana pueden generar energía entre 30 y 80°C, mientras que los de tubos evacuados posibilitan alcanzar 120°C aproximadamente. Asimismo, si se requieren mayores temperaturas se dispone de concentradores cilindro parabólicos, lineales tipo Fresnel, paraboloides de revolución y dispositivos de torre central (Albizzati, 2012; Duffie y Beckman, 2013; Kalogirou, 2014).
El campo es amplio para las aplicaciones del calor solar en diversas escalas, abarcando ámbitos públicos y privados, e instalaciones de servicios y de producción, tal como las industrias de proceso, sistemas sanitarios de hospitales y complejos habitacionales. En el año 2000 la generación mundial de energía termosolar fue de 51 TWh, habiendo crecido hasta 396 TWh en 2018, lo que evitó consumir ese año 42.6 millones de toneladas de petróleo y emitir 137.5 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera (Weiss y Spörk- Dür, 2019)
En Europa, Estados Unidos y otras regiones menos desarrolladas se ha comprobado que una importante fracción de la demanda de calor industrial se puede cubrir con energía solar. Este sector consume en el mundo alrededor del 35% del total, siendo el 30% energía térmica por debajo de los 150°C, el 22% corresponde al rango entre 150-400°C, y el 48% supera los 400°C de temperatura (Kumar et al., 2019; Solar Payback, 2017). En principio se han priorizado las aplicaciones de la energía solar en la producción de agua caliente para lavar y limpiar, calentamiento de agua para generación de vapor, calor para procesos en baños y recipientes, y secado por convección con aire caliente (IEA-ETSAP e IRENA, 2015; Lauterbach et al., 2014).
Particularmente en la provincia de Santa Fe, Argentina se encuentran radicadas numerosas empresas pequeñas y medianas relacionadas con el sector agropecuario y agroindustrial. En las mismas se fabrican equipamientos y producen alimentos, a la vez que se ejecutan programas para fortalecer la gestión de la energía y promover la incorporación de fuentes renovables, siendo por ello un campo donde puede aprovecharse la energía solar térmica.
Por otra parte se dispone de técnicas de modelado y simulación en programas como TRNSYS, T-SOL, WATSUN y Polysun, para predecir el comportamiento de sistemas solares térmicos en diferentes condiciones climáticas, mejorar el rendimiento de los elementos componentes y analizar su sensibilidad frente a cambios en los parámetros de operación. En este marco muchas publicaciones han presentado estudios sobre el uso de la energía termosolar en áreas productivas empleando variadas herramientas de cálculo y tienen el respaldo de software con confiabilidad comprobada (Abdel-Dayem et al., 2001; Frein et al., 2014; Kalogirou, 2003; Quijera et al., 2011; Suresh y Rao, 2017). En otros artículos se ha incluido la determinación de los efectos de la variación en el tiempo de la demanda térmica sobre la performance de instalaciones solares industriales (Mousa y Taylor, 2016; Fenercom, 2014; Lauterbach et al., 2014).
Debe tenerse en cuenta que es factible construir plantas solares modulares estándar para ofrecerlas en el mercado, por lo cual es conveniente como primer paso analizar su performance para satisfacer diferentes demandas térmicas en aplicaciones relacionadas con el sector productivo de la región latinoamericana. Dado que el fin es mejorar la productividad y competitividad industrial, en posteriores etapas será necesario evaluar ambiental y económicamente la instalación solar propuesta.
En este trabajo se simula una instalación solar de mediana escala para calentamiento de agua que abastece un proceso productivo cuya demanda térmica es variable durante el día y a lo largo del año. El agua caliente suministrada se emplea como fluido de intercambio térmico en el equipo donde se lleva a cabo el proceso. Con el software System Advisor Model (SAM versión 2020.2.29) se determinan la radiación solar incidente y aprovechada, la temperatura del agua suministrada, la energía termosolar aportada y los consumos energéticos complementarios. Luego se analiza el efecto de la demanda térmica sobre la performance de la instalación considerando casos donde solo aumenta el caudal de agua caliente, y otros donde además se necesita energía adicional para mantenimiento térmico cuando no se lleva a cabo el proceso. Este suministro de calor para mantenimiento evita que la carga contenida en el equipo se enfríe, ya que permanece a una temperatura prefijada.
MATERIALES Y MÉTODO
Integración de la energía solar térmica
En la Tabla 1 se muestran procesos y servicios industriales donde se aplica la energía solar térmica, observándose que los mismos abarcan varios sectores. Las industrias de alimentos y bebidas, fabricación de materiales o piezas metálicas, procesos químicos y plantas para lavado y limpieza son las que poseen mayor potencial (Farjana, 2018; Kumar et al., 2019; Sharma et al., 2017).
Tabla 1. Aplicaciones de la energía solar térmica en la industria
Fuente: Elaboración propia
La aplicación del calor solar está en constante crecimiento y se han
implementado plantas que van desde la pequeña escala hasta grandes
sistemas que producen 100 MW térmicos. Según datos publicados, al menos
741 plantas con 662,648 m2 de colectores fueron operadas en todo el
mundo en 2018, habiéndose incorporado 567 MW térmicos. En ese mismo año
108 plantas fueron proyectadas, y a los países que figuran en la Tabla
2 se deben agregar Argentina, Chipre, Grecia, Israel, Italia, Corea del
Sur, Sudáfrica, Turquía, la Unión Europea y Estados Unidos (Weiss y
Spörk- Dür, 2019).
Tabla 2. Sistemas termosolares industriales proyectados en 2018
Fuente: Elaboración propia
Una vez identificado el proceso o servicio industrial, se requiere
integrar la energía solar aplicando una metodología para dimensionar y
configurar las instalaciones en función de las necesidades propias de
la producción y el uso de las otras fuentes de energía complementarias.
Por ello se están adecuando continuamente procedimientos, según la
localización geográfica y el tipo de aplicación que se planifica. Se
pueden contemplar las industrias que presentan el mayor consumo de
energía, así como casos en que se dispone de fluidos que retornan de un
proceso o servicio a una temperatura relativamente alta. También se
debe tener en cuenta que las tecnologías más confiables son las
desarrolladas para bajas temperaturas y utilizan colectores solares de
placa plana y de tubos evacuados, habiéndose ya reconocido que los
primeros tienen mayor durabilidad y los últimos generan energía térmica
más eficientemente. Los procesos y servicios industriales en los que ya
se usa la radiación solar específicamente para calentar agua son el
precalentamiento de la alimentación a calderas, higiene de equipos e
instalaciones y calor, para operaciones en tinas, baños y recipientes
(Farjana, 2018; Sharma et al., 2017).
Dado que el calentamiento solar de agua puede abastecer procesos térmicos donde se opera durante un tiempo predeterminado, se pueden aprovechar corrientes de retorno y el nivel de temperatura no es muy elevado, en el caso elegido como base para este estudio el proceso se lleva a cabo durante seis horas al día y cinco días de la semana, excepto en la primer quincena de enero (Figura 1).
Dado que el calentamiento solar de agua puede abastecer procesos térmicos donde se opera durante un tiempo predeterminado, se pueden aprovechar corrientes de retorno y el nivel de temperatura no es muy elevado, en el caso elegido como base para este estudio el proceso se lleva a cabo durante seis horas al día y cinco días de la semana, excepto en la primer quincena de enero (Figura 1).
Figura 1. Perfil de la demanda térmica del proceso productivo
Fuente: Elaboración propia
La instalación solar estará localizada cerca de la ciudad de Santa Fe,
Argentina. En la misma el agua circula por convección forzada entre los
colectores solares y el intercambiador, y entre éste y el tanque
acumulador. El circuito hidráulico que posee bombas, y un controlador
que gobierna la captación de la radiación solar (Figura 2).
Figura 2. Instalación de calentamiento con energía solar
Fuente: Elaboración propia
El controlador posibilita que el agua circule por el circuito de
captación de la radiación solar, solo si la temperatura de salida del
agua de los colectores es varios grados mayor que la temperatura del
agua en el fondo del tanque acumulador. El sistema posee dos fuentes de
energía complementarias: suministro de energía auxiliar con gas natural
que completa los requerimientos térmicos, y electricidad para bombeo en
el circuito hidráulico.
La temperatura del proceso es 45°C, la temperatura fijada para suministro del agua caliente es 75°C, la temperatura de la corriente de retorno 50°C, y el caudal circulante por el equipo de proceso 260 kg/h. El agua caliente circula por un intercambiador de calor que alimenta térmicamente al equipo donde transcurre el proceso, siendo la temperatura de la corriente de salida 5°C más alta que la necesaria en el mismo. Si el sistema solar suministra agua a menos de 75°C, esta temperatura se alcanza mediante la fuente térmica auxiliar. Cuando la temperatura de la corriente que sale del tanque es mayor a 75°C la corriente se mezcla con una parte de la corriente de retorno para lograr el nivel térmico fijado. Si eventualmente la temperatura del tanque supera los 100 °C, se descarga calor para evitar los problemas originados por el sobrecalentamiento.
Los colectores solares adoptados son de placa plana. En los mismos una parte de la radiación solar se transmite por una cubierta de vidrio semitransparente, se absorbe en una placa de aluminio recubierta con un material selectivo, y al convertirse en energía térmica se transfiere al agua que circula por tubos de cobre. Entre la placa y la cubierta hay una cámara de aire, se utiliza un aislante térmico para evitar las pérdidas de calor, y una caja de chapa metálica contiene todos los componentes (Albizzati, 2012; Kalogirou, 2014).
El sistema modular está configurado con cuatro baterías de cinco colectores cada una, todas en paralelo (Figura 3).
La temperatura del proceso es 45°C, la temperatura fijada para suministro del agua caliente es 75°C, la temperatura de la corriente de retorno 50°C, y el caudal circulante por el equipo de proceso 260 kg/h. El agua caliente circula por un intercambiador de calor que alimenta térmicamente al equipo donde transcurre el proceso, siendo la temperatura de la corriente de salida 5°C más alta que la necesaria en el mismo. Si el sistema solar suministra agua a menos de 75°C, esta temperatura se alcanza mediante la fuente térmica auxiliar. Cuando la temperatura de la corriente que sale del tanque es mayor a 75°C la corriente se mezcla con una parte de la corriente de retorno para lograr el nivel térmico fijado. Si eventualmente la temperatura del tanque supera los 100 °C, se descarga calor para evitar los problemas originados por el sobrecalentamiento.
Los colectores solares adoptados son de placa plana. En los mismos una parte de la radiación solar se transmite por una cubierta de vidrio semitransparente, se absorbe en una placa de aluminio recubierta con un material selectivo, y al convertirse en energía térmica se transfiere al agua que circula por tubos de cobre. Entre la placa y la cubierta hay una cámara de aire, se utiliza un aislante térmico para evitar las pérdidas de calor, y una caja de chapa metálica contiene todos los componentes (Albizzati, 2012; Kalogirou, 2014).
El sistema modular está configurado con cuatro baterías de cinco colectores cada una, todas en paralelo (Figura 3).
Figura 3. Configuración de los colectores solares
Fuente: Elaboración propia
Como se ve en las Tablas 3 y 4, la instalación solar se caracteriza por
el área de colección, la inclinación de los colectores que miran al
norte respecto a la horizontal y el volumen de agua acumulado en el
tanque. El área total de colección es el producto entre el área de cada
colector solar (Ac) y el número de colectores (Nc).
Tabla 3. Características técnicas de los colectores solares
Fuente: Elaboración propia
Tabla 4. Datos técnicos de componentes de la instalación solar
Fuente: Elaboración propia
Los parámetros de los colectores FR EO y FR UC están asociados a EO, la
eficiencia óptica, FR el factor de remoción del calor y UC el
coeficiente de pérdidas de calor. Cuando se opera con un caudal másico
de agua por unidad de área de captación diferente al tabulado, dichos
parámetros se corrigen (ANSI/ASHRAE 93, 2010; Duffie y Beckman, 2013).
La energía solar captada por unidad de tiempo (qc) se computa con los parámetros característicos, siendo la diferencia entre la energía absorbida y la perdida en los colectores. Intervienen también en el cálculo la radiación total incidente (IT), el área neta total (Ac), la temperatura de la corriente que ingresa (Te) y la temperatura ambiente (Ta) (Duffie y Beckman, 2013).
La energía solar captada por unidad de tiempo (qc) se computa con los parámetros característicos, siendo la diferencia entre la energía absorbida y la perdida en los colectores. Intervienen también en el cálculo la radiación total incidente (IT), el área neta total (Ac), la temperatura de la corriente que ingresa (Te) y la temperatura ambiente (Ta) (Duffie y Beckman, 2013).
El tanque acumulador se dimensiona con una capacidad de 0.075 m3/m2 de
área de colección; el caudal total de agua circulante en la instalación
es de 0.40 kg/s y para bombeo se fija un consumo máximo de 190 W.
Evaluación de la instalación solar
Para calcular la radiación solar incidente sobre los colectores y luego evaluar la performance del sistema solar se emplea el software SAM. Este simulador fue desarrollado por el National Renewable Energy Laboratory (USA) para la planificación y evaluación de proyectos de energías renovables, así como para la investigación académica y ha sido verificado mediante la aplicación de otros modelos más complejos como TRNSYS (DiOrio et al., 2014).
El programa para calentamiento de agua permite modificar la localización geográfica, los perfiles de la demanda, las características del colector, y muchas otras variables. Para su utilización se deben cargar valores horarios de la radiación solar en el plano horizontal, y datos climáticos correspondientes al Typical Meteorological Year del lugar donde se encuentra la instalación. El software es dinámico y genera 8,760 valores horarios, relacionados fundamentalmente con el aporte de energía térmica de origen solar y la temperatura del agua. Se puede obtener también otra información horaria, mensual y para todo el año, seleccionando en forma apropiada las entradas y salidas.
SAM tiene varias opciones para hallar la radiación recibida por los colectores solares, partiendo de la radiación solar global (I), la radiación directa (ID) y la radiación difusa (Id) en el plano horizontal. En este caso se calcula con el modelo anisotrópico HDRK que contempla el índice de anisotropía (Ai), el cociente entre la radiación directa en planos inclinados y el horizontal (RD), el ángulo de inclinación de los colectores (β) y la reflectividad de los alrededores (r) (Duffie y Beckman, 2013):
Evaluación de la instalación solar
Para calcular la radiación solar incidente sobre los colectores y luego evaluar la performance del sistema solar se emplea el software SAM. Este simulador fue desarrollado por el National Renewable Energy Laboratory (USA) para la planificación y evaluación de proyectos de energías renovables, así como para la investigación académica y ha sido verificado mediante la aplicación de otros modelos más complejos como TRNSYS (DiOrio et al., 2014).
El programa para calentamiento de agua permite modificar la localización geográfica, los perfiles de la demanda, las características del colector, y muchas otras variables. Para su utilización se deben cargar valores horarios de la radiación solar en el plano horizontal, y datos climáticos correspondientes al Typical Meteorological Year del lugar donde se encuentra la instalación. El software es dinámico y genera 8,760 valores horarios, relacionados fundamentalmente con el aporte de energía térmica de origen solar y la temperatura del agua. Se puede obtener también otra información horaria, mensual y para todo el año, seleccionando en forma apropiada las entradas y salidas.
SAM tiene varias opciones para hallar la radiación recibida por los colectores solares, partiendo de la radiación solar global (I), la radiación directa (ID) y la radiación difusa (Id) en el plano horizontal. En este caso se calcula con el modelo anisotrópico HDRK que contempla el índice de anisotropía (Ai), el cociente entre la radiación directa en planos inclinados y el horizontal (RD), el ángulo de inclinación de los colectores (β) y la reflectividad de los alrededores (r) (Duffie y Beckman, 2013):
El modelo físico-matemático aplicado supone que hay dos situaciones
claves en el funcionamiento del sistema solar. En una de ellas se
produce la captación de la radiación y ganancia de energía en el tanque
perfectamente mezclado, ya que ingresa la corriente que proviene del
intercambiador y egresa otra corriente más fría hacia ese equipo
(Figura 4). La energía ganada es menor que la energía colectada debido
a las pérdidas en las cañerías y a que la eficiencia del intercambiado
de calor es menor al 100 %.
Figura 4. Modelos del tanque acumulador: con mezclado perfecto (a) y estratificado en dos zonas (b)
Fuente: Elaboración propia
La energía acumulada por unidad de tiempo es función de variación de la
temperatura del tanque (Tt) en el tiempo (t), el calor específico (Cp)
y la masa de agua (Mt), dependiendo de las energías ganada (qg), de
reposición (qr), perdida hacia el ambiente (qp) y descargada para
evitar sobrecalentamiento (qo):
La energía de reposición involucra el caudal que se suministra (w), y
la diferencia entre las temperaturas del tanque y del retorno (Tr).
Cuando no hay suministro de agua desde el acumulador y retorno
proveniente del proceso, la reposición es nula.
Las pérdidas de energía térmica se calculan con el coeficiente total de transferencia de calor (Ut) y el área (At) del tanque:
En los momentos en que no se colecta energía termosolar, se considera
que el tanque está estratificado y dividido en dos zonas sin conexión
térmica. Para cada zona se formulan dos ecuaciones diferentes,
creciendo el volumen frío al suministrarse agua desde el tanque y
recibir el retorno. Un tercer comportamiento que es menos frecuente,
estima que antes de alcanzarse el mezclado perfecto, existe una baja
estratificación y aumenta el volumen de la zona caliente (Christensen
et al., 2014; DiOrio et al., 2014).
Entonces en SAM se plantea un sistema de ecuaciones diferenciales que, una vez resueltas hora a hora, permiten hallar todos los indicadores de la performance de la instalación en forma horaria, diaria, mensual y para todo el año.
Con respecto a la demanda periódica de energía térmica del proceso (Qd), se estima con la masa de agua total a suministrar (M), la temperatura del agua caliente suministrada (Tc) y la temperatura del agua que retorna del proceso:
Entonces en SAM se plantea un sistema de ecuaciones diferenciales que, una vez resueltas hora a hora, permiten hallar todos los indicadores de la performance de la instalación en forma horaria, diaria, mensual y para todo el año.
Con respecto a la demanda periódica de energía térmica del proceso (Qd), se estima con la masa de agua total a suministrar (M), la temperatura del agua caliente suministrada (Tc) y la temperatura del agua que retorna del proceso:
En la instalación los colectores solares convierten una parte de la
radiación recibida pero se suministra una cantidad menor de energía de
origen solar (Qe). A su vez se usa energía auxiliar (Qa) con el fin de
completar la demanda térmica, por lo que:
Entonces, la fracción de energía solar térmica que cubre la demanda resulta:
Se debe tener en cuenta que también se consume energía eléctrica en las bombas (Pb), y entonces la fracción solar efectiva es:
Al evaluar la instalación se emplea además la eficiencia térmica (Es),
que es el cociente entre la energía solar aportada y la radiación total
solar incidente en todo el año. Esta radiación es el producto entre la
radiación total por unidad de superficie (ΣIT), el área de cada
colector solar (Ac) y el número de colectores solares (Nc).
Cambios en la demanda térmica
Los cambios en la demanda térmica pueden derivarse de las necesidades de la escala industrial. Aquí se computan los efectos que se producen en la performance térmica de la instalación modular, al modificarse la masa de agua caliente que se abastece. En todos los casos analizados se mantienen las temperaturas de las corrientes de suministro y de retorno (Tabla 5).
Los cambios en la demanda térmica pueden derivarse de las necesidades de la escala industrial. Aquí se computan los efectos que se producen en la performance térmica de la instalación modular, al modificarse la masa de agua caliente que se abastece. En todos los casos analizados se mantienen las temperaturas de las corrientes de suministro y de retorno (Tabla 5).
Tabla 5. Características del proceso productivo
Fuente: Elaboración propia
Los procesos industriales pueden requerir solamente del suministro
tipo A o del suministro tipo B, y en algunos casos es posible que se
pueda elegir entre las dos alternativas. Debe observarse que en los
casos II-IV no se modifica el perfil de la demanda propuesto en el caso
I, se requieren diferentes caudales y se opera durante seis horas. En
los suministros tipo B (casos V-VIII) se demanda una energía adicional
para mantenimiento, que es el 15% de la originalmente fijada para el
suministro tipo A. Se cubren de este modo las pérdidas de calor del
equipo en momentos en que no se lleva a cabo el proceso (Figura 5). La
operación implica que aunque no se modifiquen el caudal y el tiempo del
proceso, la energía anual que se debe proveer es mayor.
Figura 5. Perfil de la demanda térmica del proceso con mantenimiento
Fuente: Elaboración propia
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Contribución solar a la demanda térmica
En el programa SAM se cargan los valores horarios de la radiación solar directa y difusa horizontal junto con otros datos del clima, que están disponibles para América del Sur-WMO Región 3-Argentina Typical Meteorological Year (EnergyPlus, 2017).
Los valores medios anuales de la radiación solar total, directa y difusa que incide sobre los colectores, calculados con r = 0.20, se presentan en la Figura 6. La radiación total promedio es mayor a 700 W/m2 al mediodía, y aunque es mayor en primavera y verano en otras épocas del año se alcanzan valores muy significativos. Debido a la inclinación y orientación de los colectores solares, dicha radiación es 810 W/m2 en septiembre, y supera en un 40% y 7% a los correspondientes valores de junio y diciembre.
Contribución solar a la demanda térmica
En el programa SAM se cargan los valores horarios de la radiación solar directa y difusa horizontal junto con otros datos del clima, que están disponibles para América del Sur-WMO Región 3-Argentina Typical Meteorological Year (EnergyPlus, 2017).
Los valores medios anuales de la radiación solar total, directa y difusa que incide sobre los colectores, calculados con r = 0.20, se presentan en la Figura 6. La radiación total promedio es mayor a 700 W/m2 al mediodía, y aunque es mayor en primavera y verano en otras épocas del año se alcanzan valores muy significativos. Debido a la inclinación y orientación de los colectores solares, dicha radiación es 810 W/m2 en septiembre, y supera en un 40% y 7% a los correspondientes valores de junio y diciembre.
Figura 6. Radiación solar promedio anual sobre los colectores
Fuente: Elaboración propia
Siendo la radiación total incidente anual 1,899.9 kWh/m2 y la demanda
térmica anual igual a 11,326.3 kWh, al aplicar el software se obtiene
que la fracción solar es 0.835 y la eficiencia térmica de la
instalación es 0.124. Se encuentra también que como son necesarios
1,870.5 kWh de energía para completar el suministro de calor y 517.4
kWh son consumidos para bombear el fluido, la fracción solar efectiva
es 0.789.
La Figura 7 muestra en detalle la temperatura del agua en el punto más caliente del tanque. En el acumulador se supone que existe estratificación y el valor medio anual de la temperatura es aproximadamente 79°C, alcanzándose con frecuencia valores que superan los 85°C, salvo durante el invierno. En los meses fríos la radiación solar recibida por los colectores disminuye sensiblemente, y la energía térmica ganada que llega al tanque es mucho menor que en el resto del año.
La Figura 7 muestra en detalle la temperatura del agua en el punto más caliente del tanque. En el acumulador se supone que existe estratificación y el valor medio anual de la temperatura es aproximadamente 79°C, alcanzándose con frecuencia valores que superan los 85°C, salvo durante el invierno. En los meses fríos la radiación solar recibida por los colectores disminuye sensiblemente, y la energía térmica ganada que llega al tanque es mucho menor que en el resto del año.
Figura 7. Temperatura del agua horaria en el tanque acumulador
Fuente: Elaboración propia
Aunque en los primeros quince días de enero no se consume agua caliente
la instalación solar opera captando y acumulando la radiación
convertida, por lo que se dispone a casi a 100°C para ser utilizada en
el arranque del proceso. Como el proceso estudiado se desarrolla entre
las 7 y las 13 horas, y la real captación de la radiación solar se
produce entre las 9 y 17 horas en la mayor parte del año, existe un
desfasaje que influye sobre los indicadores de la performance térmica
del sistema.
En la Figura 8 se presentan la demanda y el suministro mensual de energía solar térmica de la instalación. Descartando el mes de enero, los valores mínimos y máximos suministrados son 640.6 kWh y 963.9 kWh en julio y noviembre respectivamente. Los cálculos confirman que en invierno es más baja la contribución solar, mientras que es más elevado el consumo de energía térmica auxiliar y es menor la potencia para la circulación del fluido.
En la Figura 8 se presentan la demanda y el suministro mensual de energía solar térmica de la instalación. Descartando el mes de enero, los valores mínimos y máximos suministrados son 640.6 kWh y 963.9 kWh en julio y noviembre respectivamente. Los cálculos confirman que en invierno es más baja la contribución solar, mientras que es más elevado el consumo de energía térmica auxiliar y es menor la potencia para la circulación del fluido.
Figura 8. Energía térmica mensual demandada y solar suministrada
Fuente: Elaboración propia
Efectos de la demanda térmica
Al determinar anualmente el efecto de la demanda sobre la performance de la instalación modular, los cálculos indican que con suministro tipo A (casos I-V) al crecer la misma se reduce la fracción de energía solar, pero aumentan la energía termosolar entregada y la eficiencia. Lo mismo sucede al analizar los suministros tipo B (casos V-VIII).
La Tabla 6 muestra que los mayores valores de la fracción solar son 0.835 para suministros A (caso I) y 0.670 para suministros B (caso V). Las eficiencias térmicas máximas son 0.322 y 0.267 para los casos IV y VIII respectivamente.
Al determinar anualmente el efecto de la demanda sobre la performance de la instalación modular, los cálculos indican que con suministro tipo A (casos I-V) al crecer la misma se reduce la fracción de energía solar, pero aumentan la energía termosolar entregada y la eficiencia. Lo mismo sucede al analizar los suministros tipo B (casos V-VIII).
La Tabla 6 muestra que los mayores valores de la fracción solar son 0.835 para suministros A (caso I) y 0.670 para suministros B (caso V). Las eficiencias térmicas máximas son 0.322 y 0.267 para los casos IV y VIII respectivamente.
Tabla 6. Efectos sobre la performance anual de la instalación solar
Fuente: Elaboración propia
El desfasaje entre el inicio del proceso y la ganancia real de energía
provoca que exista un consumo de energía auxiliar a partir de las 7 de
la mañana, que es relativamente más importante cuando crece el caudal
que se suministra. Al comparar los casos I y II se comprueba que aunque
se duplica la demanda, el aumento de la energía termosolar suministrada
es del 76 %, por lo que la energía térmica auxiliar prácticamente se
triplica. El suministro crece porque la energía ganada en el sistema es
mayor, la temperatura en el tanque es menor, se capta más radiación
solar y las pérdidas de calor disminuyen.
Efectos similares se producen cuando se aumenta el caudal del agua en los restantes casos. En V-VIII, se observa que al multiplicarse la demanda baja la fracción solar, creciendo la eficiencia y la energía termosolar que se entrega.
Otros efectos se ven en la referida tabla cuando no cambia el caudal de agua caliente y se consume energía para mantenimiento térmico, aunque siempre hay disminución de la fracción solar. Si por ejemplo se comparan los casos I y V el suministro de energía y la eficiencia anual aumentan, mientras que esos indicadores disminuyen al comparar los casos III y VII. Entonces existe un valor de la demanda a partir del cual se tiene una menor eficiencia al incorporar mantenimiento térmico a la instalación (Figuras 9 y 10).
Efectos similares se producen cuando se aumenta el caudal del agua en los restantes casos. En V-VIII, se observa que al multiplicarse la demanda baja la fracción solar, creciendo la eficiencia y la energía termosolar que se entrega.
Otros efectos se ven en la referida tabla cuando no cambia el caudal de agua caliente y se consume energía para mantenimiento térmico, aunque siempre hay disminución de la fracción solar. Si por ejemplo se comparan los casos I y V el suministro de energía y la eficiencia anual aumentan, mientras que esos indicadores disminuyen al comparar los casos III y VII. Entonces existe un valor de la demanda a partir del cual se tiene una menor eficiencia al incorporar mantenimiento térmico a la instalación (Figuras 9 y 10).
Figura 9. Energía termosolar suministrada en función de la demanda
Fuente: Elaboración propia
Figura 10. Fracción de energía termosolar en función de la demanda
Fuente: Elaboración propia
Las figuras anteriores muestran que si no hay mantenimiento térmico la
energía termosolar anual máxima entregada es 611.5 kWh/m2 de colector y
la fracción solar mínima es 0.540, pero cuando se requiere
mantenimiento dichos valores son 506.8 kWh/m2 de colector y 0.259. La
energía suministrada aumenta un 38% entre I y V, mientras que disminuye
un 17% entre IV y VIII.
Cuando se requiere mantenimiento térmico si crece el caudal de fluido suministrado, aunque la ganancia de energía termosolar es mayor, el consumo de energía auxiliar al inicio del proceso es más importante. Por esto en los casos VII y VIII donde la demanda es más elevada, la eficiencia térmica es más baja que en III y IV respectivamente.
Los resultados obtenidos muestran también en los casos con suministro tipo A, que la mayor demanda disminuye el cociente entre la potencia necesaria para bombeo y la energía solar térmica suministrada. Una tendencia similar se verifica en los casos tipo B, aunque en cada instalación el mantenimiento térmico provoca un consumo mayor de energía eléctrica.
Los indicadores calculados en los casos tipo A son inferiores a los obtenidos en Madrid, España para instalaciones industriales cuya demanda energética diaria promedio por unidad de área de colección se encuentra en el mismo rango. En ellas ha verificado que al calentar agua desde 15°C hasta a 60°C en forma continua durante todo el año, se obtiene una alta eficiencia y suministros anuales entre 700 y 1.000 kWh/m2 de colector, notándose que la menor temperatura del agua en el sistema provoca un crecimiento de esos valores (Fenercom, 2010).
Para los suministros tipo B los indicadores se pueden comparar con los de instalaciones de igual demanda energética diaria promedio por unidad de área de colección localizadas en Madrid, España. En ellas el baño está a 45°C y opera doce horas por día, excepto sábado y domingo (Fenercom, 2010). Los colectores planos están inclinados a 35° mirando al sur, la acumulación es de 0.070 m3/m2, la temperatura de la corriente de suministro es 70°C, la del retorno es 50°C y el mantenimiento es el 20% del consumo en el proceso (Tabla 7).
Cuando se requiere mantenimiento térmico si crece el caudal de fluido suministrado, aunque la ganancia de energía termosolar es mayor, el consumo de energía auxiliar al inicio del proceso es más importante. Por esto en los casos VII y VIII donde la demanda es más elevada, la eficiencia térmica es más baja que en III y IV respectivamente.
Los resultados obtenidos muestran también en los casos con suministro tipo A, que la mayor demanda disminuye el cociente entre la potencia necesaria para bombeo y la energía solar térmica suministrada. Una tendencia similar se verifica en los casos tipo B, aunque en cada instalación el mantenimiento térmico provoca un consumo mayor de energía eléctrica.
Los indicadores calculados en los casos tipo A son inferiores a los obtenidos en Madrid, España para instalaciones industriales cuya demanda energética diaria promedio por unidad de área de colección se encuentra en el mismo rango. En ellas ha verificado que al calentar agua desde 15°C hasta a 60°C en forma continua durante todo el año, se obtiene una alta eficiencia y suministros anuales entre 700 y 1.000 kWh/m2 de colector, notándose que la menor temperatura del agua en el sistema provoca un crecimiento de esos valores (Fenercom, 2010).
Para los suministros tipo B los indicadores se pueden comparar con los de instalaciones de igual demanda energética diaria promedio por unidad de área de colección localizadas en Madrid, España. En ellas el baño está a 45°C y opera doce horas por día, excepto sábado y domingo (Fenercom, 2010). Los colectores planos están inclinados a 35° mirando al sur, la acumulación es de 0.070 m3/m2, la temperatura de la corriente de suministro es 70°C, la del retorno es 50°C y el mantenimiento es el 20% del consumo en el proceso (Tabla 7).
Tabla 7. Instalaciones solares con demanda variable y mantenimiento térmico
Fuente: Elaboración propia
En los casos F1-F4 que están en la citada tabla se alcanzan valores más
elevados de todos los indicadores que en los casos estudiados V-VIII,
aunque la radiación solar anual sobre Madrid es 1,769.0 kWh/m2, casi un
7% menor que en Santa Fe. Debe tenerse en cuenta que hay diferencias en
el modo de operación, y que en la performance influyen la distribución
de la radiación durante el año, los parámetros de los colectores, el
perfil diario de consumo del agua caliente, la temperatura y el salto
térmico del fluido requerido en el proceso.
La energía térmica solar anual suministrada en las instalaciones españolas alcanza el valor máximo de 615.0 kWh/m2 de colector que supera en un 20% al máximo calculado para Santa Fe, ambos para la misma demanda por unidad de área de colector. Puede decirse que un efecto muy significativo produce la reducción en 5°C del salto térmico del fluido calefactor, pues porcentualmente su caída es similar al crecimiento del suministro.
Luego, para el sistema que se ha estudiado se han calculado rendimientos térmicos similares a aquellos encontrados en lugares donde se están realizando intensos programas para la incorporación de sistemas solares térmicos en el sector productivo. Sin embargo, para un mejor aprovechamiento local deberá avanzarse principalmente en lo que respecta a la disponibilidad de tecnologías para la captación de la radiación solar y recursos humanos capacitados para el diseño y montaje, además de los aspectos ambientales y económicos involucrados en las instalaciones.
CONCLUSIONES
El software System Advisor Model (SAM) posibilita analizar detalladamente el comportamiento de instalaciones solares para calentar agua. Los datos horarios de la radiación solar, variables climáticas locales, cantidad y temperatura del agua requerida, características de los colectores adoptados y del tanque acumulador, se encuentran entre los entre los más importantes para posibilitar el uso del programa.
Al simular el sistema solar para calentar agua que abastece un proceso productivo que tiene 20 colectores planos selectivos con 40 m2 de superficie de captación y un tanque acumulador de 3.0 m3, cuando la demanda es de 11,326.3 kWh por año los resultados indican que la fracción de energía solar es 0.835 y la eficiencia térmica es 0.124, siendo la fracción efectiva es 0.789 al considerar el consumo de energía eléctrica para bombeo.
Luego se comprueba que al cambiar la demanda debido solo a aumentos del caudal de agua, tanto en casos con mantenimiento térmico como sin mantenimiento, se reduce la fracción de energía solar, pero crecen la energía termosolar suministrada y la eficiencia.
Asimismo, al adicionar el mantenimiento a la instalación en todos los casos disminuye la fracción solar, pero para baja demanda térmica el suministro y eficiencia anuales aumentan, mientras que para una más alta demanda esos indicadores disminuyen. Finalmente, se estima que los indicadores de la performance posibilitan a las instalaciones abastecer satisfactoriamente diferentes demandas térmicas. Entonces, el aprovechamiento de la energía solar térmica es un recurso a tener en cuenta para contribuir a mejorar la productividad y competitividad de pequeñas y medianas empresas industriales que están radicadas en la región central de Argentina.
La energía térmica solar anual suministrada en las instalaciones españolas alcanza el valor máximo de 615.0 kWh/m2 de colector que supera en un 20% al máximo calculado para Santa Fe, ambos para la misma demanda por unidad de área de colector. Puede decirse que un efecto muy significativo produce la reducción en 5°C del salto térmico del fluido calefactor, pues porcentualmente su caída es similar al crecimiento del suministro.
Luego, para el sistema que se ha estudiado se han calculado rendimientos térmicos similares a aquellos encontrados en lugares donde se están realizando intensos programas para la incorporación de sistemas solares térmicos en el sector productivo. Sin embargo, para un mejor aprovechamiento local deberá avanzarse principalmente en lo que respecta a la disponibilidad de tecnologías para la captación de la radiación solar y recursos humanos capacitados para el diseño y montaje, además de los aspectos ambientales y económicos involucrados en las instalaciones.
CONCLUSIONES
El software System Advisor Model (SAM) posibilita analizar detalladamente el comportamiento de instalaciones solares para calentar agua. Los datos horarios de la radiación solar, variables climáticas locales, cantidad y temperatura del agua requerida, características de los colectores adoptados y del tanque acumulador, se encuentran entre los entre los más importantes para posibilitar el uso del programa.
Al simular el sistema solar para calentar agua que abastece un proceso productivo que tiene 20 colectores planos selectivos con 40 m2 de superficie de captación y un tanque acumulador de 3.0 m3, cuando la demanda es de 11,326.3 kWh por año los resultados indican que la fracción de energía solar es 0.835 y la eficiencia térmica es 0.124, siendo la fracción efectiva es 0.789 al considerar el consumo de energía eléctrica para bombeo.
Luego se comprueba que al cambiar la demanda debido solo a aumentos del caudal de agua, tanto en casos con mantenimiento térmico como sin mantenimiento, se reduce la fracción de energía solar, pero crecen la energía termosolar suministrada y la eficiencia.
Asimismo, al adicionar el mantenimiento a la instalación en todos los casos disminuye la fracción solar, pero para baja demanda térmica el suministro y eficiencia anuales aumentan, mientras que para una más alta demanda esos indicadores disminuyen. Finalmente, se estima que los indicadores de la performance posibilitan a las instalaciones abastecer satisfactoriamente diferentes demandas térmicas. Entonces, el aprovechamiento de la energía solar térmica es un recurso a tener en cuenta para contribuir a mejorar la productividad y competitividad de pequeñas y medianas empresas industriales que están radicadas en la región central de Argentina.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Litoral por el apoyo recibido para realizar este trabajo.
Se agradece a la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Litoral por el apoyo recibido para realizar este trabajo.
REFERENCIAS
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