Revista "Frío y Calor" Nº 96

Para poder considerar el almacenamiento de la energía solar, hay que tener en cuenta los periodos de desfase entre la disponibilidad de esta  energía y los períodos de consumo.

Para el almacenamiento de energía solar se debe considerar lo siguiente:

- Tipos de colectores solares.
- Sistemas  de almacenamiento.
- Equipos o aparatos  de conversión, cargas, suministros de energía auxiliares y/o suplementarios,   etc.
- Los sistemas de control.

El COP (Coeficient Of Performance) y las características  técnicas  de estos aparatos que funcionan con este tipo de energía  están vinculados   con la temperatura. En procesos termosolares de generación de potencia, el sistema de almacenamiento de energía térmica provoca grandes diferencias entre las temperaturas de entrada y salida del fluido, lo que a su vez implica una baja temperatura de entrada en la máquina térmica y, por lo tanto, un baja eficiencia (COP) de ésta y de toda la instalación.

La capacidad de almacenamiento de la energía solar está en  función de su disponibilidad, que depende de:

•El tiempo.

•La naturaleza de las cargas que se pueden esperar en el proceso.

•La forma en que se suministra la energía auxiliar.

•Del análisis de costo que determinará qué proporción de demanda  total de energía serán de energía solar y qué partes serán producto de otras fuente de energía.

1. DEMANDA ENERGÉTICA DEL PROCESO DEL COLECTOR SOLAR

En un proceso solar en el que la variación de la demanda energética De con el tiempo y la ganancia del colector, se relacionan de forma tal,  que durante una parte del tiempo, la energía disponible sobrepasa a la demanda energética y viceversa.

El tipo de almacenamiento tiene que permitir almacenar un exceso de calor Qcol  sobre la demanda energética De, cuando Qcol sea mayor que De y devolverlo cuando sea mayor que Qcol.

El valor de Qcol es:
Donde:

m                   Gasto másico del fluido que circula por el colector.
Cp                 Calor específico del fluido.
Ccol                Calor absorbido o  capacidad calorífica del colector.
Tsalida             Temperatura de salida del fluido en el colector. 
Tacumulación      Temperatura de acumulación del  depósito.

La información que se deriva de los valores de y de S (Área o superficie  de transferencia de calor  en el depósito), sobre el costo del suministro de energía solar, permite calcular la fracción de las necesidades de la energía total que se cubren con las fuentes de energía solar o auxiliar.

Los parámetros básicos que permiten definir el depósito de almacenamiento son:

• El periodo  del almacenamiento.
• La cantidad de energía a almacenar.
• La temperatura requerida en el sistema receptor de  energía, que viene condicionada por la utilización de esta energía.

Los procesos  de almacenamiento se pueden clasificar en:

• Almacenamiento a corto plazo (horas o días).
• Almacenamiento a largo plazo (meses,  generalmente del verano para el invierno).

2. ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN LOS PROCESOS SOLARES

El almacenamiento de la energía solar se puede hacer, en forma de:

2.1 De calor sensible, donde el  calor almacenado aumenta la temperatura de un medio líquido, sólido o gaseoso.

2.2. De calor latente, como el calor de fusión en sistemas químicos.

2.3. De calor sensible y latente, donde  el calor almacenado provoca una variación de temperatura y un cambio de estado del sistema receptor (sólido o líquido).

2.4. De energía química originada en algunas reacciones químicas.

2.5.De energía mecánica que se puede transformar en energía potencial mediante el almacenamiento de fluidos a ciertas alturas.

2.6.De sustancias obtenidas en procesos solares no energéticos, por ejemplo; obtener  agua destilada de un alambique solar.

La elección de los medios de almacenamiento de energía depende de la naturaleza del proceso.

•  Para el calentamiento de agua, el almacenamiento de energía es forma de calor sensible.

•  Si se usan colectores de calentamiento para acondicionamiento de aire, el almacenamiento puede ser tanto en forma de calor sensible como latente.

•  Si se usan procesos fotovoltaicos o fotoquímicos, el almacenamiento es en forma de energía química.
La capacidad de almacenamiento en la posición B es inferior a la que capacidad de almacenamiento en la posición A, debido a la eficiencia del convertidor que interviene;  como puede ser el  almacenamiento químico en una batería (acumulador) entre el generador y la aplicación energética definitiva, como ejemplo: El frío generado por el acondicionador de aire que se puede almacenar en una unidad de almacenamiento térmico de baja temperatura por debajo de la del medio ambiente.

Al tener un mayor almacenaje en A, el  convertidor se puede diseñar para funcionar a un régimen más próximo al régimen estacionario, originando así una eficiencia de conversión alta  y un factor de uso más alto en el convertidor.

La alternativa  de  almacenamiento de energía en A o B  puede tener efectos muy distintos en la temperatura de funcionamiento del colector solar, en el tamaño del colector y en el costo, es importante indicar que no se menciona la evaluación de utilizar o no energía auxiliar, la que puede modificar cualquier análisis sustancialmente.

Características principales de un sistema de almacenamiento de energía térmica son:

• Intervalos de temperaturas a la  cual va a funcionar, es decir, la temperatura de ingreso y salida del sistema.

• Los medios para aplicar y extraer calor y las diferencias de temperatura asociadas con ellos.

• La estratificación de la temperatura en la unidad de almacenamiento.

• Las demandas energéticas para añadir o extraer calor.

• Los contenedores, depósitos y otros elementos estructurales asociados con el sistema de almacenamiento, incluido su capacidad por unidad de peso o de volumen.

• Los medios para controlar las pérdidas térmicas del sistema de almacenamiento.

• Costos.

Los factores externos que afectan al funcionamiento del colector,  tienen una injerencia importante en el  funcionamiento de los sistemas de almacenamiento de energía solar.

La absorción  útil de un colector disminuye a  medida que aumenta la temperatura media de la placa; una relación entre la temperatura media del colector y la temperatura a la cual transmite el calor, se obtiene de la siguiente forma:

T(colector) - T(transmisión) = ΔT(transporte  desde  el colector al almacenamiento) + ΔT(almacenamiento de entrada) +  ΔT(pérdida de almacenamiento) + ΔT(salida de almacenamiento) +  ΔT(transporte desde el almacenamiento a la aplicación) + ΔT(entrada en aplicación)

La temperatura del colector, T(colector),  que es la temperatura  que define la ganancia útil del colector, es más alta que la temperatura de operación o  la cual se utiliza el calor, debido a las pérdidas propias del diseño, por lo que uno de los objetivos del diseño general del sistema y sobre todo de la unidad de almacenamiento, es el reducir al mínimo estas caídas de temperatura.

3. ALMACENAMIENTO POR CALOR SENSIBLE PARA EL AGUA

El agua, elemento esencial para la vida en el planeta, y hoy por hoy un recurso escaso, y a medida que se incrementa su uso, aumenta sus costos,  del punto de vista energético, es un elemento útil  y de fácil almacenamiento de calor sensible, en forma de agua caliente sanitaria o agua para calefacción.  La energía térmica solar se aplica al gasto “M ” que circula  por el colector y se extrae mediante un caudal  “m ” de agua sanitaria o  calefactora en la unidad de almacenamiento, en donde se produce el intercambio térmico entre dichos fluidos.  Generalmente, los costos de bombeo son pequeños y de simple diseño. 

La capacidad de almacenamiento de energía por una unidad de líquido almacenado, que funciona en un intervalo finito de temperaturas, ΔT = T0 - T2 , viene determinada por:

Donde:   

 

Qacumulación    : Calor absorbido por  el agua sanitaria entre las temperaturas T0 y T2.

m                : Gasto másico de agua.

Cacumulación   : Capacidad calorífica.

El intervalo de temperaturas en que la unidad pueda funcionar se determina, en casi todas o en la mayoría de las aplicaciones, entre un límite superior definido por la presión de vapor del líquido y un límite inferior definido por las exigencias del proceso.

EQUILIBRIO  ENERGÉTICO

Al realizar un equilibrado energético  del acumulador,  nos da la temperatura del acumulador en función del tiempo, y asumiendo que no hay estratificación; la variación de la energía interna debe ser igual a la suma de los calores y demandas energéticas a evaluar. 

Donde:

P    es la carga a la entrada del colector, función del tiempo.

Qcol es la energía captada por colector, que depende del tipo de colector, tal que:
Qcol = Ccolector x (T1 - T0)

Donde Ccolector   es la capacidad calorífica del fluido que circula por el colector y T1  es la temperatura del fluido a la salida del colector.