jueves, 19 de diciembre de 2013

Colectores solares de bajo coste (low cost solar water collector). Cálculo del rendimiento

Hoy vamos a calcular el rendimiento de los captadores solares térmicos para agua. Es uno de los momentos más esperados desde el inicio de su construcción, hace ya alrededor de un año, cuando hice el primer prototipo.


Consideraremos las fenomenales gráficas aportadas gracias al Arduino y el fantástico portal emoncms.org, donde se van guardadando históricamente los datos obtenidos por los sensores de temeperatura, consultables en cualquier momento.
 
Atendiendo a las gráficas obtenidas el pasado día 15 de dicembre de 2013:


Lo primero que consideraremos es el tiempo que ha estado funcionando la bomba. Como sabemos, ésta se para en cuanto la diferencia de temperatura entre la placa abosrbedora del colector y el agua que le mandamos (la de la parte inferior del tanque) es menor de 7ºC. En esos momentos, el colector no esta "trabajando", por lo que no considero ese espacio de tiempo como útil.

Estos son los espacios de tiempo en los que la bomba ha estado en "ON" (en gris, en la parte baja de la gráfica, valores 0 o 1 ):

11:44:00-13:55:00 191 minutos =7860 seg
13:59:30-14:11:00 690 seg
14:15:00-14:23:30 510 seg
14:28:30-14:37:00 510 seg
14:42:00-14:48:30 330 seg
14:55:00-15:01:00 300 seg
15:06:30-15:12:00 330 seg

En total:

10530 seg = 175,5 minutos

A las 11:44:00 , la temperatura del agua en la parte inferior del depósito era de: 26,92ºC.
Y el máximo al que ha llegado unos momentos después de pararse por última vez la bomba ha sido de: 66,49ºC .

Esto nos da un incremento de temperatura de 39,57 ºC

Atendiendo a la fórmula del calor (m = 200 Kg, 200 litros de agua ):

Q = m.Ce.T = 200.1.39,57 = 7914 Kcal =  9,203982 Kilovatio-hora [kWh]

Esto es lo que hemos captado y guardado, 9,2 KWh, o el equivalente a una estufa de 2000 W calentando durante 4,6 horas.

Ahora obtendremos la potencia, divdiendo entre el tiempo:

P =  9,203982 Kilovatio-hora [kWh] / 175,5 minutos = 9,203982 Kilovatio-hora [kWh]/ 2,925 h = 3,14666 Kw

Esta es la potencia del sistema en total, diviendo entre 4 obtenemos la de cada captador:
Potencia real captador = 0.78666 Kw = 786,66 W

La Potencia teórica de cada captador, con una irradiación ideal de 1000W/m2 sería, atendiendo a su superficie captadora (descontando el marco de 3 cm, etc):

Medidas totales:         1,98m x 0,98m
Medidas superficie captadora :     1,91m x 0,93m -> Superficie captadora = 1,7763 m2 -> 1,7763 KW

Como en teoría no se llega a más de un 50% de la teórica: Potencia teórica = 888,15 W por colector
Lo que nos da un total de 3,5526 Kw.

Esto supone un 88 % de la teórica...  (con insolacioón ideal de 1000W/m2)


¿Nos hemos quedado atrás ? Echemos una ojeada a la tabla de irradiación solar para latitud de 40º:

http://www.builditsolar.com/References/SolRad/Lat40.htm

La realidad es que en estas fechas (Diciembre), la irradiación máxima es ( para una inclinación de unos 75º, e interpolando entre 60 y 90 que nos da la tabla)  de unas 280 BTU hr/ft2 (882,5 W/m2).

Por tanto: Potencia teorica: 882,5 W/m2 * 1,7763 m2= 1567,585 W

Potencia real / Pot. teorica = 786,66/ 1567,585 = 0,502 ->  O sea, un 50,2 %

Como dicen por aquí: CLAVAO !







viernes, 13 de diciembre de 2013

Colectores solares de agua de bajo coste (low cost solar water collector). Instalación.

Ya están instalados los cuatro colectores solares de agua, en el patio, mirando al sur, y con un ángulo respecto al suelo de uno 75 grados:


La monitorización de las diferentes temperaturas se hace gracias a Arduino, que junto a un módulo de Ethernet, nos muestra el estado y valor de los diferentes sensores en una página web. Los valores captados por los sensores son almacenados de forma histórica en el servidor que aloja dicha página, por lo que podemos ver su estado en días anteriores. El almacenamiento es totalmente gratuito y en concreto el servidor se llama www.emoncmsorg. Existe la posibilidad de montarnos nuestro propio servidor del tipo "emoncms" en nuestro propio sistema PC, o como hace mucha gente, en una pequeña rapsberry Pi. Esperemos que pronto haya algún ejemplo en el que todo esté integrado en un novísimo Arduino Yun.

La parte física del sistema de monitorización consta de momento de seis sensores y un relé, además del arduino y su placa Ethernet. Dos sensores van en el primer y último colector, lo que me ayudará (todavía no está implementado) a arrancar/parar el sistema en función del avance de sombra (recordemos que no estoy en campo abierto). Otro sensor me dice la temperatura exterior. Dos sensores adicionales me facilitan la temperatura en el tanque de agua, en la parte inferior y en la superior. El sexto me dice la temperatura interior de la casa, en concreto el sótano ahora(en un futuro será el salón). El relé me activa o desactiva la bomba en función de si la temperatura en los paneles es superior en 7 grados a la temperatura de la parte inferior del depósito.

En una prueba con 125 litros de agua (el tanque es de 250) obtuve en un día plenamente soleado las siguientes curvas:


Una vez te das de alta en www.emoncms.org, te puedes ir haciendo las páginas de monitorización. Por ejemplo, además de la mostrada (Gráficas temperatura), he creado ésta (Monitor):


También otra que me muestra los últimos valores (hasta una hora antes) de los sensores:

 
Y esta otra que me muestra la temperatura del colector 1, y la inferior del tanque, y cómo se activa/desactiva la bomba con el tiempo, a medida que se va cumpliendo o no la regla de los 7 grados.




Como se puede observar en esta última, la bomba permaneció parando y arrancando en esa prueba mucho tiempo, por lo que se deduce que el sistema es capaz de calentar mucha más cantidad de agua.

Lo mejor de todo esto es que se puede ver en tiempo real (actualizándose los datos cada 10 segundos)
En concreto, mi sistema se puede ver en:


Esto es todo por hoy, de momento... En próximos artículos veremos como se ha hecho el intercambiador de calor agua/aire (fijaros en la primera gráfica lo que sucedió con la temperatura de agua del tanque a partir de las 20:00...) También se verá la realización del serpentín de cobre (intercambiador agua-agua) con el que extraemos el calor del depósito hacia el intercambiador aire -aire mencionado, y más detalles que quedan por determinar.

Hasta la próxima !