CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES

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1 ETIQUETADO DE VIVIENDAS CURSO DE CERTIFICADORES Provincia de Santa Fe, 2018 MÓDULO VII CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES

2 VII ENERGÍAS RENOVABLES 1. CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES Lineamientos preliminares. Energía solar. Aplicaciones. 2. Conceptos básicos. Componentes de una instalación solar térmica. Clasificación de los sistemas solares térmicos. Rendimiento de los colectores solares. Lineamientos preliminares. Cálculo de la contribución mensual de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria. Cálculo de la contribución específica de energía primaria. 3. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Conceptos básicos. Instalaciones solares fotovoltaicas. Módulo fotovoltaico. Lineamientos preliminares. Cálculo de la contribución total de energía solar fotovoltaica. Cálculo de la contribución específica de energía primaria.

3 CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES LINEAMIENTOS PRELIMINARES Dadas las características de la provincia de Santa Fe en cuanto a recursos energéticos renovables, y las tecnologías existentes destinadas al aprovechamiento de los mismos en las edificaciones, se consideran los aportes de las siguientes fuentes de energías renovables: Energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria. Energía solar fotovoltaica para producción de energía eléctrica. En el caso de que el inmueble posea una instalación de aprovechamiento de energía solar fotovoltaica para producción de energía eléctrica, o de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria, se deberá considerar el aporte de las mismas al sistema, en términos de energía primaria.

4 CONTRIBUCIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES ENERGÍA SOLAR APLICACIÓN TÉRMICA APLICACIÓN FOTOVOLTAICA

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6 CONCEPTOS BÁSICOS

7 CONCEPTOS BÁSICOS Usos de la energía solar de baja temperatura: Agua caliente Sanitaria (ACS) Calefacción Climatización de piletas Procesos agroindustriales Viviendas unifamiliares, edificios, hoteles, clubes

8 COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA 1) Subsistema de captación La finalidad principal es la transformación de la radiación solar en calor. Componentes: Colector solar 2) Subsistema de circulación y distribución Su Finalidad es transportar el agua caliente desde el colector al acumulador y de allí a los puntos de consumo. Componentes: Cañerías, bombas, intercambiadores de calor 3) Subsistema de Almacenamiento Su finalidad es almacenar el agua caliente que viene de los paneles para su posterior uso. Componentes: Acumulador solar

9 COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA 4) Subsistema de medida y control*: Instalación sanitaria Su finalidad es poner en funcionamiento los distintos circuitos y los instrumentos de medida 5) Subsistema auxiliar: Calentador convencional de apoyo La finalidad es proporcionar la energía suficiente para lograr el confort en aquellos días donde la instalación solar no puede proporcionar el 100% de lo necesario * El subsistema 4 no siempre está presente

10 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS 1) Según el tipo de colectores solar Placa Plana: Parrilla, serpentina o sándwich Tubo de vacio: All glass, u-pipe, heat pipe Integrado (sistema de captación y almacenamiento en el mismo lugar) 2) Según posea intercambiador de calor Sin intercambiador: Directo o abierto. Con intercambiador: Indirecto o cerrado 3) Según el tipo de circulación entre el sistema de captación y almacenamiento Natural o termosifónica Forzada

11 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de colector) COLECTORES DE PLACA PLANA TIPO PARRILLA 1.Pintura o recubrimiento selectivo 2.Aleta 3.Tubo de pasaje del fluido caloportador 4.Aislante térmico 5.Caja 6.Manifold o tubo colector 7.Sellado 8.Cubierta transparente Existen varias empresas nacionales que fabrican este tipo de colector.

12 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de colector) COLECTORES DE PLACA PLANA TIPO SANDWICH Varios fabricantes nacionales. Mayor rendimiento teórico. Pueden resistir congelamiento sin agregado de fluido anticongelante (se debe verificar con una evaluación). Internacionalmente no muy utilizados por la imposibilidad de aplicar recubrimientos selectivos.

13 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de colector) TIPOS DE TUBOS DE VACÍO: ALL GLASS

14 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de colector) TIPOS DE TUBOS DE VACÍO: U PIPE Sólo equipos importados (China)

15 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de colector) TIPOS DE TUBOS DE VACÍO: HEAT PIPE Sólo equipos importados (China)

16 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según posea intercambiador) COLECTORES SIN INTERCAMBIADOR DE CALOR: SISTEMAS DIRECTOS O ABIERTOS El fluido que circula por la placa es la misma que se almacena en el tanque y luego es consumida. No aptos para lugares con posibilidad de congelamiento. No aptos para lugares con agua dura. Riesgo de corrosión interna. Equipos más económicos. Requieren menos mantenimiento.

17 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según posea intercambiador) COLECTORES CON INTERCAMBIADOR DE CALOR: SISTEMAS INDIRECTOS O CERRADOS Se generan 2 circuitos: Primario y secundario. El primario es un circuito cerrado entre el captador y el almacenamiento. El fluido que circula por la placa es diferente a la que se utiliza en el consumo. Se puede utilizar fluido anticongelante. Apto para lugares con agua dura y congelamiento. Equipos más costosos que los directos. Requieren más mantenimiento: Verificación del fluido del primario. Mayor vida útil. Baja levemente el rendimiento ( usualmente 5% o menos).

18 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de circulación) TIPO DE CIRCULACIÓN: CIRCULACIÓN NATURAL O TERMOSIFÓNICOS La circulación del fluido es debido al fenómeno de termosifón, es decir, diferencia de densidades entre el agua fría y caliente. Para que este fenómeno ocurra hay que respetar distancias mínimas y máximas entre el tanque y el colector. Mayor aislación térmica en el tanque. Se utiliza para sistemas pequeños. Sencillos de instalar. Sin costos de operación. Económicos.

19 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ( Según tipo de circulación) TIPO DE CIRCULACIÓN: CIRCULACIÓN FORZADA La circulación del fluido se realiza con una bomba instalada en el sistema. Mayor flexibilidad en la ubicación de los componentes. Necesidad de un sistema sencillo de control. Tiene costos de operación pero son muy bajos. Sistemas grandes: edificios, industrias, etc.

20 RENDIMIENTO DE COLECTORES SOLARES Dada la naturaleza de las pérdidas térmicas, es imposible asignar un único valor de rendimiento Se utiliza una curva de rendimiento, determinada experimentalmente: η = F r τα F ru L T in T a G η = η o F ru L T in T a G Siendo: F r τα : Rendimiento óptico del captador solar (=η_o). (En el IPE indicado como Ο). F r U L : Coeficiente de pérdidas térmicas. (En el IPE indicado como m). Para algunos tipos de colectores no es posible determinar la curva de rendimiento (All glass, U-pipe e integrados).

21 RENDIMIENTO DE COLECTORES SOLARES RENDIMIENTOS TÍPICOS DE COLECTORES SOLARES η 0,9 0,8 0,7 0,6 Plano Tubos de vacio Sin cubierta Tipo η o (= Ο) F r U L = m [W/(m 2 ºC)] Abierto 0, ,5 Plano 0,75 6 0,4 Tubo de vacío 0,60 3 0,3 0,2 0,1 η = η o F ru L T in T a G T in T a G

22 LINEAMIENTOS PRELIMINARES En el caso de que el inmueble posea una instalación de aprovechamiento de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria, se deberá considerar el aporte de la misma al sistema en términos de energía primaria.

23 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Contribución mensual de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria: Q ST = f Q ACS kwh Q ACS : Requerimiento mensual de energía útil para producción de agua caliente sanitaria, expresado en kwh. Calculado anteriormente según Capítulo 5. f: Coeficiente de cobertura.

24 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE LIMITACIONES Y SUPOSICIONES DEL MÉTODO f CHART Asume el tanque completamente mezclado (suposición conservadora). Asume buena aislación térmica de los tanques y cañerías. Otras suposiciones implícitas (pero que pueden no cumplirse) es que los sistemas e instalaciones están bien construidas, la distribución del fluido en los colectores es uniforme. Rango válido de los parámetros 0,6 (τα) n 0,9 5 Fr Ac 120 m 2 2,1 U L 8,3 W/m 2 C 30 β 90

25 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Factor de cobertura (f): f = 1,029 D 1 0,065 D 2 0,245 D ,0018 D ,0215 D D 1 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total durante un mes. D 2 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador para una determinada temperatura y la carga calorífica total durante un mes.

26 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Factor de cobertura (f): f = 1,029 D 1 0,065 D 2 0,245 D ,0018 D ,0215 D D 1 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total durante un mes. D 1 = E a Q ACS E a : Energía absorbida por el captador solar durante un mes, en kwh.

27 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía absorbida por el captador solar durante un mes (E a ): E a = A cs μ I sol T (10 3 ) kwh A cs : Área de captación del colector solar, en m 2. μ: Factor adimensional característico del captador solar. I sol : Irradiancia solar media mensual sobre la superficie de captación, con orientación y ángulo de inclinación respecto del plano horizontal definidos, en W/m 2. Tabla G.1 (Determinado en el cálculo del flujo de energía térmica de origen solar). T: Intervalo de tiempo analizado, expresado en horas T = días del mes x 24

28 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía absorbida por el captador solar durante un mes (E a ): E a = A cs μ I sol T (10 3 ) kwh μ: Factor adimensional característico del captador solar μ = O M Ω O: Factor de eficiencia óptica del captador solar (= η o ) (Ordenada al origen de la curva). M: Modificación del ángulo de incidencia del captador solar. Superficie transparente simple M = 0,96 Superficie transparente doble M = 0,94 Ω: Factor de corrección del conjunto captador intercambiador Se adopta Ω = 0,95.

29 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Factor de cobertura (f): f = 1,029 D 1 0,065 D 2 0,245 D ,0018 D ,0215 D D 1 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total durante un mes. D 1 = E a Q ACS E a : Energía absorbida por el captador solar durante un mes, en kwh.

30 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Factor de cobertura (f): f = 1,029 D 1 0,065 D 2 0,245 D ,0018 D ,0215 D D 2 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador para una determinada temperatura y la carga calorífica total durante un mes. D 2 = E p Q ACS E p : Energía perdida por el captador solar durante un mes, en kwh.

31 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía perdida por el captador solar durante un mes (E p ): E p = A cs m Ω 100 θ ext T K 1 K 2 (10 3 ) kwh A cs : Área de captación del colector solar, en m 2. m: Coeficiente global de pérdidas térmicas (= F r U L ) (Pendiente de la curva característica) Ω: Factor de corrección del conjunto captador intercambiador Se adopta Ω = 0,95 θ ext : Temperatura media del mes considerado, en Tabla 3.2 T: Intervalo de tiempo analizado, expresado en horas T = días del mes x 24 h

32 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía perdida por el captador solar durante un mes (E p ): E p = A cs m Ω 100 θ ext T K 1 K 2 (10 3 ) kwh K 1 : Factor de corrección por almacenamiento. K 1 = V AC 75A cs 0,25 ; tal que 37,5 < V AC A cs < 300 V AC : Capacidad de almacenamiento del colector solar, en l. A cs : Área de captación del colector solar, en m 2.

33 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía perdida por el captador solar durante un mes (E p ): E p = A cs m Ω 100 θ ext T K 1 K 2 (10 3 ) kwh K 2 : Factor de corrección por almacenamiento. K 2 = 11,6 + 1,18 θ acs + 3,86 θ ing 2,32 θ ext (100 θ ext ) θ acs : Temperatura mínima del agua caliente sanitaria, en Se adopta θ acs = 40 θ ext : Temperatura media del mes considerado, en Tabla 3.2

34 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Energía perdida por el captador solar durante un mes (E p ): E p = A cs m Ω 100 θ ext T K 1 K 2 (10 3 ) kwh K 2 : Factor de corrección por almacenamiento. K 2 = 11,6 + 1,18 θ acs + 3,86 θ ing 2,32 θ ext (100 θ ext ) θ ing : Temperatura de ingreso del agua a la instalación de calentamiento, en Agua corriente Tabla 5.3 (En función del mes considerado) Agua de napas freáticas θ ing = 17,7 (Zona 6)

35 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN MENSUAL DE Factor de cobertura (f): f = 1,029 D 1 0,065 D 2 0,245 D ,0018 D ,0215 D D 2 : Parámetro adimensional que expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador para una determinada temperatura y la carga calorífica total durante un mes. D 2 = E p Q ACS E p : Energía perdida por el captador solar durante un mes, en kwh.

36 REQUERIMIENTO TOTAL DE ENERGÍA TÉRMICA E U;ST = 12 i=1 Q ST,i [kwh] Q ST;i : Requerimiento mensual de energía térmica para producción de agua caliente sanitaria en el i-ésimo mes, en kwh. ENERGÍA TÉRMICA CONTRIBUCIÓN ST E U;ST

37 REQUERIMIENTO TOTAL DE ENERGÍA SECUNDARIA E S;ST = E U;ST η ACS;i [kwh] η ACS;i : Rendimiento medio ponderado de los sistemas activos de producción de agua caliente sanitaria instalados, funcionando durante el i-ésimo mes Tabla 5.5 ENERGÍA SECUNDARIA CONTRIBUCIÓN ST E S;ST ENERGÍA TÉRMICA CONTRIBUCIÓN ST E U;ST RENDIMIENTO η ACS

38 REQUERIMIENTO TOTAL DE ENERGÍA PRIMARIA E P;ST = E S;ST f P;i [kwh] f P;i : Factor de conversión a energía primaria, del vector energético que alimenta los sistemas activos de producción de agua caliente sanitaria instalados. Tabla 5.6 ENERGÍA PRIMARIA CONTRIBUCIÓN ST ENERGÍA SECUNDARIA CONTRIBUCIÓN ST ENERGÍA TÉRMICA CONTRIBUCIÓN ST E P;ST E S;ST E U;ST FACTOR DE CONVERSIÓN f P RENDIMIENTO η ACS

39 REQUERIMIENTO ESPECÍFICO DE ENERGÍA PRIMARIA EP ST = E P;ST A u kwh m 2 año E P;ST : Contribución total de energía primaria para producción de agua caliente sanitaria, en kwh. A u : Superficie útil del inmueble, en m 2

40 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

41 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA CONCEPTOS BÁSICOS

42 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS: AISLADAS COMPONENTES DE LOS SISTEMAS AISLADOS Paneles (módulos) fotovoltaicos. BOS (Balance of System): Baterías, controladores de carga, conversores CC- AC o CC-CC, estructuras.

43 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS: AISLADAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS AISLADOS Espaciales. Electrificación rural. Bombeo de agua. Comunicaciones (repetidoras, radiotelefonía, etc.). Monitoreo remoto (climático, sísmico, etc.). Boyas para navegación. Protección catódica. Productos de consumo (relojes, calculadoras, etc.). Cargadores de baterías. Autos solares.

44 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS: AISLADAS ALGUNOS EQUIPOS

45 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS: PLANTAS COMPONENTES DEL SISTEMA Módulos FV. Inversores. Interruptores automáticos. Seguidores solares. Transformadores. Celdas de protección de media tensión. Tablero eléctrico principal. Estación meteorológica.

46 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO Celda solar Caracterización eléctrica. Selección de las celdas. Interconexión y encapsulado. Caracterización y ensayos. Módulo

47 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO COMPONENTES Interconector Vidrio Laminado plástico (EVA) Celda Marco de aluminio Tedlar

48 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DEL MÓDULO I cc : Corriente de cortocircuito [A] V ca : Tensión de circuito abierto [V] P max : Potencia máxima [W] : Eficiencia de conversión η = P máx P incidente

49 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO ENSAYOS SEGÚN NORMA NACIONAL IRAM ENSAYO NORMA IRAM Inspección visual IRAM Características eléctricas en condiciones normalizadas IRAM Aislación eléctrica IRAM Robustez de los terminales IRAM Torsión IRAM Carga mecánica IRAM Exposición a la radiación ultravioleta IRAM Resistencia al impacto de granizo IRAM

50 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO POLICRISTALINO CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DESEMPEÑO BAJO CONDICIONES ESTÁNDAR DESEMPEÑO A 800 W m 2, NOCT, AM 1.5 Potencia máxima (P máx ) 240 Wp Potencia máxima (P máx ) 174,2 Wp Tensión en el punto de máxima potencia (V pmp ) 30,2 V Tensión en el punto de máxima potencia (V pmp ) 27,4 V Corriente en el punto de máxima potencia (I pmp ) 7,96 A Corriente en el punto de máxima potencia (I pmp ) 6,37 A Tensión de circuito abierto (V CA ) 37,2 V Tensión de circuito abierto (V CA ) 33,7 V Corriente de cortocircuito (I CC ) 8,44 A Corriente de cortocircuito (I CC ) 6,8 A

51 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA LINEAMIENTOS PRELIMINARES En el caso de que el inmueble posea una instalación de aprovechamiento de energía solar fotovoltaica para producción de energía eléctrica, se deberá considerar el aporte de la misma al sistema en términos de energía primaria. En este procedimiento se consideran únicamente instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red, cuyas potencias nominales sean inferiores a 15 kwp. En caso de que el inmueble cuente con una instalación fotovoltaica de potencia nominal mayor, se adoptará para el cálculo el valor máximo de 15 kwp.

52 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN TOTAL DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Contribución anual de energía eléctrica producida por la instalación solar fotovoltaica: 12 E S;FV = 0,024 P FV η FV i=1 I sol,i D i kwh η FV : Rendimiento medio ponderado de la instalación fotovoltaica completa Tabla 7.1

53 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN TOTAL DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Contribución anual de energía eléctrica producida por la instalación solar fotovoltaica: 12 E S;FV = 0,024 P FV η FV i=1 I sol,i D i kwh I sol,i : Irradiancia solar media del i-ésimo mes sobre la superficie de captación, con orientación y ángulo de inclinación respecto del plano horizontal definidos, en W/m 2. Tabla G.1 (Determinado en el cálculo del flujo de energía térmica de origen solar). D i : Cantidad de días del i-ésimo mes considerado.

54 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA REQUERIMIENTO TOTAL DE ENERGÍA PRIMARIA E P;FV = E S;FV f P [kwh] f P;i : Factor de conversión de energía eléctrica a energía primaria. f P = 3, 30. ENERGÍA PRIMARIA CONTRIBUCIÓN FV E P;FV ENERGÍA SECUNDARIA CONTRIBUCIÓN FV E S;FV FACTOR DE CONVERSIÓN f P

55 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA REQUERIMIENTO ESPECÍFICO DE ENERGÍA PRIMARIA EP FV = E P;FV A u kwh m 2 año E P;FV : Contribución total de energía primaria por aprovechamiento de energía solar fotovoltaica, en kwh A u : Superficie útil del inmueble, en m 2

56 VII ENERGÍAS RENOVABLES BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE REFERENCIA [1] Procedimiento de cálculo del Índice de Prestaciones Energéticas (IPE). Rosario, de la provincia de Santa Fe. [2] IRAM Prestaciones energéticas en viviendas. Método de cálculo. Buenos Aires, Instituto Argentino de Normalización y Certificación.