ENERGÍA SOLAR (TERCERA PARTE - PANELES FOTOVOLTAICOS)

El artículo de este mes (último del año), nos introduce a otra forma de aprovechamiento de la energía solar en forma directa: La generación de energía eléctrica. Varios países de las regiones tropicales son privilegiados por su elevado potencial de energía solar, por ejemplo Brasil tiene cerca de 2500MW, ¡cinco veces mayor que la de los Estados Unidos!. Tenemos de este modo enormes posibilidades para el uso de la energía solar como alternativa ecológica.
La luz solar se convierte directamente en electricidad con módulos que constan de muchas celdas solares fotovoltaicas. Estas celdas solares suelen ser fabricados a partir de películas finas o láminas. Son dispositivos de material semiconductor capaz de convertir la energía solar incidente en corriente continua, con eficiencias que varían desde 3 a 31%, dependiendo de la tecnología, el espectro de la luz, la temperatura de diseño, y el material de la celda solar, véase el cuadro de abajo:

Las características del material semiconductor definen la eficiencia de conversión de energía eléctrica en las celdas solares. La brecha de energía material, la calidad de fabricación del material de las celdas, y la tecnología empleada en el proceso de fabricación suman una eficacia final. Por lo general, la eficiencia de conversión de una célula solar comercial (es decir,la relación entre la energía eléctrica generada y la potencia de la radiación incidente en el semiconductor) es de 10 a 15%. Por ejemplo, al mediodía, con cielo despejado, un módulo fotovoltaico puede generar un promedio de 100 W/m2.

Una celda solar puede entenderse simplemente como una batería de muy baja tensión (alrededor de 0,6 V) que se recarga continuamente a una velocidad proporcional a la iluminación incidente. La conexión en serie-paralelo de celdas permite el diseño de paneles solares con altas corrientes y voltajes (llegando hasta kilovoltios). Con el fin de implementar un sistema completo de energía eléctrica, es necesario incluir equipos electrónicos acondicionados de potencia, almacenamiento de energía y control sobre dispositivos de protección. Estos sistemas pueden ser de dos tipos:
Sistemas que interactúan con la red eléctrica comercial que poseen un respaldo adicional de baterías, que constituye además una fuente de almacenamiento de energía.

Sistemas que interactúan con la red y no poseen el respaldo de las anteriores, pero que exigen la no interrupción de suministro por parte de la red comercial.

Los sistemas del primer tipo tienen las ventajas de poder satisfacer la demanda energética en ausencia de luz solar, de poder alimentar cargas con altas corrientes de arranque (caso de motores) y ofrecer tensiones de salida constantes. Pero tienen el inconveniente del alto costo inicial de las instalaciones, del mayor espacio empleado para las mismas, además de la dependencia en el rendimiento de las baterías. Ver tabla de abajo:

Dimensionado de los Paneles

El tamaño del generador fotovoltaico debe asegurar que la energía producida durante el peor mes pueda, como mínimo, igualar a la demandada por la carga. Por lo que para dimensionar tanto los módulos como las baterías de un sistema fotovoltaico autónomo, es necesario conocer las cargas a conectar (televisores, radios, etc.), la potencia nominal de cada una (P), el número de aparatos de determinado tipo (n) y las horas diarias de funcionamiento (t). El consumo diario (Cd), medido en Wh/día, para cada tipo de carga se calcula entonces de la siguiente forma:

Cd = P x n x t ....................................(1)

Para sistemas fotovoltaicos domésticos, en que el generador se coloca en cerca de la vivienda, se calculan por aparte las cargas en CC y en CA, ya que solo las de CA se conectan al inversor. En el caso en estudio, en que se pretende alimentar varias viviendas a partir de una central fotovoltaica, se considera que toda la energía producida deberá convertirse en corriente alterna en el inversor para ser luego transmitida a las viviendas.
La suma de los consumos diarios de todas las cargas, calculados a partir de la ecuación (1), constituye el consumo energético teórico Et en Wh. A parir de este valor debe calcularse el consumo energético real, E (Wh), que considera los diversos factores de pérdida en la instalación fotovoltaica de acuerdo con la siguiente ecuación:

E = Et / R t .........................(2)

Donde el parámetro R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica
definido como:

R = (1 – Kb – Kc – Kv)x(1 – (Ka x N/ Pd) ……………….(3)


Donde
kb: Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador:
0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas
0,1 en sistemas con descargas profundas

kc: Coeficiente de pérdidas en el inversor:
0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas.
0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas
kv: Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, efecto Joule, etc.)
El intervalo de valores de este parámetro que se toma como referencia es
kV = (0,05 - 0,15 )

ka: Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías, los valores típicos son 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd) 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales) 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI)

N: Días de autonomía de la instalación10 4-10 días como valores de referencia

Pd: Profundidad de descarga diaria de la batería: No deberá exceder el 80% de la capacidad nominal del acumulador11

Ahora, es necesario conocer la radiación solar diaria (H), medida en KWh/m2/día para cada mes del año en función de la localización geográfica e inclinación de los paneles y en base a datos estadísticos históricos de la zona. Un concepto importante necesario para realizar el dimensionamiento de la cantidad de paneles necesarios en la instalación es el número de horas pico solares, HPS, que se refiere al número de horas diarias de luz solar equivalentes referidas a una irradiancia constante I=1kWh/m2, a la cual se mide siempre la potencia de los paneles. Este un método para estandarizar la curva diaria de irradiancia solar, tal como se muestra en la figura :

El área del rectángulo, definida a partir de las horas pico solares, es igual al área bajo la curva horaria de irradiancia real. (pegas curvita de irradiancia) La irradiación H (kWh/m2), es igual al producto de la irradiancia de referencia, I, y las horas pico solares, HPS. Como I=1kWh/m2, se tiene entonces que los valores numéricos de la irradiación y las horas pico solares son iguales.

H (kW – h / m2) = I ( kW / m2) x HPS (h) …………..(4)

La cantidad de energía producida por un panel a lo largo de todo el día, es equivalente a la energía que se produciría en las horas de pico solar si el panel opera a su potencia máxima o nominal (Wp). Dicha potencia es el principal parámetro que describe el funcionamiento del panel y la especificación más importante en el dimensionamiento del generador fotovoltaico.

El número de paneles necesario (Np) se calcula empleando el número de horas pico solares del peor mes del año y la potencia pico del panel escogido:

Np = E / (0,9 x Wp x HPS ) ……………..(5)

Pérdidas :

Las principales pérdidas que pueden generarse en el generador fotovoltaico son debidas a sombras, temperatura de las celdas superior a los 25°C, elementos desparejos, pérdidas en cables, o diferencias significativas entre el voltaje de operación y el del punto de máxima potencia. Estas pérdidas pueden compensarse inicialmente mediante una instalación cuidadosa, que permita una adecuada ventilación de los módulos y cables. Debe buscarse además, que las características eléctricas de los módulos empleados permitan una adecuada recarga de las baterías en las condiciones climáticas particulares del lugar en que se instalan. Con el fin de disminuir las pérdidas, deben considerarse los siguientes requerimientos:

• El generador fotovoltaico debe estar totalmente libre de sombras durante por lo menos 8 horas diarias, centradas al mediodía, y a lo largo de todo el año.

• El voltaje del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico, a una temperatura ambiente igual a la máxima anual del lugar y a una irradiancia de 800 W/m2, debe estar comprendido en el rango de 14,5 a 15 V. Este último requisito, asegura que la corriente del generador FV sea mayor que la corriente en el punto de máxima potencia la mayor parte del tiempo; siempre que se cumplan los requisitos sobre las caídas de tensión en los cables y en el regulador de carga. Si el rango de voltajes de operación del generador se encuentra generalmente por debajo de estos límites, es posible que las baterías no se recarguen adecuadamente.

Debido a la necesidad de evitar descargas excesivas, debe limitarse la máxima profundidad de descarga (PDmax) a un valor específico, generalmente está entre 0,3 y 0,6 de la capacidad nominal. Al alcanzar este límite debe interrumpirse el suministro de energía a las cargas. La capacidad disponible Cu, es menor que la capacidad nominal Cb (carga total que podría extraerse de la batería). Y se tiene que:

Cu = Cb x Pdmax ……………….(6)

La profundidad de descarga de la batería en un ciclo diario se denomina PDd.

Dimensionamiento de las baterías :

Los ensayos de ciclado para baterías, en condiciones representativas de su operación en sistemas fotovoltaicos, son lentos y difíciles. Aunque se han realizados intentos de llevar a cabo estos ensayos, no existen aún procedimientos ampliamente aceptados y es probable que esta situación se mantenga en años venideros. Debido a esto, la solución más práctica consiste en confiar en normas existentes y bien establecidas para usos convencionales de las baterías. Esto implica utilizar valores correspondientes a una descarga en 20 horas y el número de ciclos correspondientes a una profundidad de descarga de 50. La primera etapa en el dimensionado de las baterías, consiste en asegurar que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad útil de la batería (capacidad nominal multiplicada por la máxima profundidad de descarga) debe permitir entre 3 y 5 días de autonomía (días que el sistema puede suministrar energía en ausencia de radiación solar usando solo las baterías). La ecuación (7) permite calcular la capacidad del banco de baterías C (kAh), a partir del consumo energético real E, calculado en la ecuación (2); los días de autonomía N; la tensión nominal del acumulador V (usualmente 12 V); y la profundidad de descarga permitida Pd.

C = (E x N ) / ( V x Pd) ………………(7)

Con este dato, puede calcularse el número de baterías que se requieren (Nb) en base a la capacidad de la batería elegida (Qbat) en kWh.

N = C / Cbat …………………(8)

Una vez confirmado que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes y que el banco de baterías brinda los días de autonomía necesarios, el dimensionado de la batería deberá regirse por las siguientes reglas:

*La máxima profundidad de descarga, PdMAX, (referida a la capacidad nominal de la batería en 20-horas) no debe exceder los valores propuestos en la tabla correspondiente (ver tabla de baterías, arriba).

*La capacidad útil de la batería, Cu, (la capacidad nominal en 20 horas, como se definió anteriormente, multiplicada por la máxima profundidad de descarga) deberá permitir entre tres y cinco días de autonomía.

*La capacidad útil de la batería, Cu, debe también tomar en cuenta las condiciones meteorológicas locales. Cuanto más grande sea la cantidad de días nublados esperados, más grande deberá ser el valor de Cu.

Costos:

No obstante que los costos de operación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos son bajos , se hizo mención de los altos costos iniciales como parte de las desventajas, y esto trae una consecuencia seria: El precio de la potencia entregada excede al de otras tecnologías de generación eléctrica, no obstante muchos países (EE UU entre ellos) vienen introduciendo subsidios, en aras de hacer más competitiva a la producción de energía eléctrica por esta vía. El cuadro de abajo resulta bastante ilustrativo para entender la realidad en este aspecto.

Con las debidas gracias por la atención brindada, nos vemos el próximo año con un nuevo tema. Un próspero 2011 para todos los lectores.

REFERENCIAS:

INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret & M. Godoy Simoes – 2006 - IEEE PRESS - John Wiley & Sons, Inc.

DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA – Diego Oñate Arresti – 2006 - http://www.diegoonate.es/

ENERGÍA SOLAR - Prof. Francisco M. Gonzales Longatt – 2008 - http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

ENERGÍA SOLAR (SEGUNDA PARTE – DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES PARA AGUA)

Un proceso de conversión de energía solar puede ser dividido en tres fases: recepción, transferencia y acumulación. La recepción de calor se lleva a cabo directamente o a través de placas colectoras. Un ejemplo típico de dichas placas son las utilizadas para calentar agua, que constan de un cuerpo negro con un índice de radiación de gran absorción. Estos colectores se componen básicamente de una caja de material aislante, por lo general fibra de vidrio y resina de poliéster, aislado internamente con lana de vidrio fenólico y un cuerpo negro que cubre gran parte de un intercambiador de cobre. Para aumentar la resistencia térmica y minimizar las pérdidas, un cristal de 4 mm de espesor, perfectamente aislado con lana de vidrio o de silicio, cubre el dispositivo.
Un práctico sistema de calefacción de agua con colectores solares se ilustra en las figuras de abajo.

El agua del foco frío llega a la base de las tuberías del colector solar, las cuales absorben el calor por medio de la expansión térmica y la convección natural o forzada, y luego retorna al depósito. El flujo de agua continúa en este ciclo, y la temperatura aumenta gradualmente después de cada paso a través de los colectores.
La ecuación que rige el proceso es la siguiente:

Q = FA [I(ab) – U(Ti – Ta)]

donde
Q = Energía extraída por la placa (W)
F = Factor de eficiencia de remoción de calor de la placa (adimensional)
A = Área de la placa de ¼ (m2)
I = Tasa de incidencia de radiación solar absorbida por unidad de superficie de la placa (W/m2)
a = Coeficiente de transmisión solar de la cubierta transparente.
b = Coeficiente de absorción solar de la hoja de la placa
U = Coeficiente de pérdida de energía de la placa (W / º C? M2)
Ti = Temperatura del fluido (º C)
Ta = Temperatura ambiente (º C)

La energía útil del colector es

Qu = AGCp(Ti – To)

Donde G es el volumen de fluido por unidad de área de colector, Cp es el calor específico del agua ( 4190 kJ/ Kg °C) y To es la temperatura exterior del agua.
La eficiencia del colector se define como: h = Qu/AI
La generación de vapor de agua a través de energía solar, con temperaturas promedio entre 150 y 200 º C, tiene innumerables aplicaciones. El calentamiento directo de aire en secadores de granos y semillas también son muy comunes hoy en día, con la ventaja que estos sistemas menos sofisticados pueden competir con aquellos que utilizan combustibles convencionales.
La adopción de cualquier proceso solar ayuda a evitar pérdidas en el volumen de los granos (de hasta un 50%), debido a un almacenamiento deficiente, que los expone a la humedad. En cualquier caso, los colectores solares pueden evitar la quema de combustibles fósiles en algunas industrias, tales como las de transformación de alimentos, y puede contribuir a una reducción de energía eléctrica y el consumo de gas en residencias.

CÁLCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES TÉRMICAMENTE
AISLADOS
Los recipientes para almacenamiento de agua caliente tienen paredes dobles que impiden las pérdidas de temperatura, pero para aumentar su durabilidad deben ser inmunes a la corrosión. Algunos módulos comerciales se construyen en acero inoxidable AISI 304 y resinas especiales de poliéster para el agua caliente y pueden resistir temperaturas de hasta a 280 º C y presiones de 7 atm. Un método simplificado de cálculo de transferencia de calor en los recipientes térmicamente aislados en estados estacionario y transitorio se presenta a continuación.

Estado Estacionario.
El calor fluye desde la alta hasta la baja temperatura de acuerdo a la relación:

P = (T alta – T baja) / Rt………(1)

Donde P es la potencia estacionaria disipada en el depósito (W), T es la temperatura (°C), y Rt (ó simplemente R) es la resistencia térmica (°C/W) cuyas componentes dependerán del material de fabricación (tuberías y depósito) (Rps) y del ambiente interior (Rra).

Estado transitorio.
En un instante tla temperatura se eleve bruscamente (de manera exponencial). Para expresar la diferencia instantánea de temperatura, que se define como ΔT = ZthP, donde Zth es la impedancia térmica del depósito, que varía con el tiempo. El circuito equivalente térmico, incluyendo la capacidad térmica C, se ilustra en la figura de abajo, con su respuesta transitoria a
un paso brusco de potencia que se ilustra luego.

El concepto de impedancia térmica transitoria, Zth, se utiliza para aplicaciones con cargas térmica repetitiva y condiciones de descarga a alta potencia, es decir, cuando el depósito opera en diferentes estados de variación de calor.
Una manera práctica de medir las constantes térmicas R y C podría ser el siguiente. Un elemento electrotérmico se sumerge en el medio del fluido térmico en un depósito de tal manera que un estado estacionario de potencia v2/ R que se transmita puede ser medido, como se muestra en la Figura previa. Después de un periodo de potencia constante para el elemento térmico, la temperatura interna llegue a un valor estable que se mide simultáneamente con la temperatura ambiente cercana al tanque. El valor de R se puede calcular por la ecuación (1).
Para el cálculo de C, podemos continuar con el experimento de la prueba anterior para evaluar R y su última temperatura medida, salvo que ahora la resistencia activa
se desconecta. La temperatura comenzará a disminuir de manera exponencial, al igual que en la figura de abajo y sus valores a intervalos periódicos se pueden registrar en una tabla o gráfico.
La capacidad térmica se puede evaluar a partir de la ecuación:

ΔT/P = R(1 – exp (-t/RC)) = Zth

La cual para T(i=0) = Talta =PR , se puede escribir de manera más conveniente.

Ci = ti / RLn (ΔTi/PR)

Habrá tantos valores de Ci como instantes de la medición de Ti, y un buen valor medio se podría obtener a partir de ahí. Un alto aislamiento térmico estándar debe garantizar la conservación del agua caliente por períodos muy largos. Las grandes diferencias de temperatura entre las superficies interior y exterior del depósito incrementará sus pérdidas.


Calentamiento doméstico de agua.

Calentar un cierto volumen de agua implica una determinada cantidad de energía. Para uso doméstico, dicha cantidad está vinculada a los hábitos de cada uno de los ocupantes de una residencia. Los datos registrados muestran que, en promedio, cada miembro de una familia utiliza aproximadamente 100 litros de agua al día. La cantidad de
energía utilizada para calentar el agua cada mes entonces se estima así:

L = NP(100)(Tw – Tm)ρwCp


Donde:

L = Energía utilizada para calentar el agua por mes
N = Número de días al mes
P = número de personas
Tw = Temperatura mínima aceptable para el agua caliente (60 º C)
Tm = Temperatura ambiente del agua
ρw = Densidad del agua (1kg /Lt)
La ecuación anerior se puede utilizar para predecir la cantidad de energía utilizada para calentar el agua en un período determinado.
Ejemplo Para estimar el uso promedio mensual de energía para calentar agua [Joules
(W / s)] en una familia de cuatro personas, con agua a una temperatura ambiente de 11 °C, la ecuación indicará:
L = (30dias)(4 personas)(100 Lts/dia)(60° - 11°)(1Kg/Lt.)(4190 J / Kg °C) = 2,464 x E9 J.

GEOMETRIA DE INSTALACIÓN PARA UN CALENTADOR SOLAR

Referencias:
*INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - FELIX A. FARRET & M. GODOY SIMOES - IEEE.

* TEORÍA PARA EL DISEÑO DE CALENTADORES SOLARES DE AGUA - Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental - Organización Panamericana de la Salud.

ENERGÍA SOLAR (PRIMERA PARTE - CONSTRUYE UNA CELDA SOLAR CASERA)

Estaría demás citar razones de por qué es importante el Sol para los seres vivos, o por qué el aprovechamiento de su energía ha concitado tan inusitado interés en los últimos tiempos al punto de convertirse en una suerte de “moda”. Lo que sí cabe resaltar, para nuestros fines, son las formas de cómo es que dicho “aprovechamiento” se manifiesta y que pueden ser directa o indirecta:
La primera de ellas está más vinculada a la producción de calor y electricidad (por citar un ejemplo están los calentadores de agua para múltiples propósitos), mientras que la segunda lo está a procesos como la fotosíntesis y conversión microbiológica de materia orgánica en algunos combustibles líquidos.
Otro aspecto importante es el rango de luz solar emitida que se absorbe en la superficie terrestre, la cual es hasta 35% menor que en la estratósfera. A nivel del suelo tenemos un potencial aproximado (en promedio) de 1000 Watt por metro cuadrado.

No obstante las limitaciones (a nivel de rendimiento en la producción y en los procesos), en muchos países han habido logros notables a lo largo de los últimos 3 siglos, desde el motor solar de Auguste Mouchout hasta las celdas fotovoltaicas de los laboratorios Bell y los sistemas combinados (celda solar-celda de combustible).

El presente artículo será el primero de una serie destinada a divulgar las bondades de la energía solar a través de sus diversas aplicaciones, con datos técnico-económicos para el óptimo diseño de equipos y sistemas.
A modo de introducción quiero compartir con los lectores amantes de los experimentos científicos (en especial los profesores y estudiantes que me formulan sus inquietudes por correo electrónico), la técnica para elaborar una “celda solar casera”, el más interesante ejemplo que he podido encontrar en mis andanzas por el ciberespacio.
Esta celda se construye a partir de dos láminas de cobre. Una de ellas es calentada a fuego por media hora aproximadamente y enfriada de manera espontánea hasta la temperatura ambiente. Para el montaje, necesitaremos un recipiente de plástico (puede ser un trozo de botella, como se ve en las figuras) donde quepa medio litro de agua en la que se disolverán dos cucharadas de sal común. Las láminas de cobre (nótese que no están completamente sumergidas) se instalan en el depósito tal como se aprecia y se conectan mediante bornes o cocodrilos a un microamperímetro.

Puede observarse el incremento en la lectura del microamperímetro cuando la celda es expuesta a la luz solar directa.

La lámina calentada ya no es cobre únicamente, sinó “óxido cuproso” que es un material “semiconductor”. Precisamente la luz solar, al incidir sobre dicha lámina, crea las condiciones requeridas para “facilitar” la conducción del flujo de electrones al que nosotros llamamos “corriente eléctrica”. Muy interesante será perfeccionar y dar aplicaciones específicas a nuestra celda. Podría comenzarse iluminando diodos LED o haciendo funcionar relojes digitales.
Agradezco nuevamente la atención brindada. El blog ya superó las 10000 visitas, además tenemos nuevas herramientas para formular inquietudes como son los vínculos directos con Facebook y Twitter, por lo que espero una participación más activa del público lector. Hasta el mes que viene.

Referencias:

1) Integration of Alternative Sources of Energy - FELIX A. FARRET & M. GODOY SIMOES

2) Make a solar cell in your kitchen-

http://www.scitoys.com/scitoys/scitoys/echem/echem2.html

EL ONDOL, LA INGENIOSA CALEFACCIÓN DOMÉSTICA COREANA .

Hace algunos años leí en cierta revista un artículo referido a este curioso y antiguo medio de calefacción doméstico, típico de Corea: El “Ondol” (que en español significa “piedra caliente”). Ciertamente dicho artículo despertó mi deseo de conocer mayores detalles respecto a su diseño. He aquí pues, un resumen de cuanto he podido averiguar:
Este ingenioso sistema consiste básicamente en el “re-uso” del calor proveniente de los fogones utilizados para cocinar. El humo o aire caliente recorre una serie de “conductos subterráneos” que elevan la temperatura del piso antes de dirigirse hacia la chimenea. Véase las figuras siguientes:

El Ondol tradicional está constituido por bloques de granito o ladrillo con un espesor promedio de 5 cm., soportados a su vez por pequeñas columnas de los mismos materiales, y que dan origen a los “ductos” por donde circulará el aire caliente a régimen turbulento gracias a las “trampas de flujo” (montículos y cavidades en el terreno), esto último garantizará el máximo aprovechamiento energético durante el “recorrido” del aire. La parte superior del piso se recubre con papel aceitado.

El calor se desplaza por radiación y conducción a través de las paredes del piso hacia los puntos de menor temperatura. Este se mantiene en un promedio de 31°C (pudiendo llegar hasta aproximadamente 40 en el mejor de los casos) mientras que el aire en los compartimientos de la casa puede oscilar entre 18 y 25°C. cuando el exterior está a temperaturas entre -3 y 5°C, típicas del invierno en esas regiones.

El Ondol moderno está constituido por ductos de cobre con apenas 1,5 cm de diámetro e instalados en serpentines, que ya no conducen aire sino vapor de agua a alta temperatura suministrado por calderas. De este modo se puede proveer de calor a más de un hogar.
Compárese las secciones transversales de los sistemas clásico y moderno.

La presencia de ventiladores (que introducen aire frio del exterior a los recintos) ayuda a regular la temperatura, según la comodidad del usuario.

La arquitectura de los hogares actuales (como edificios de departamentos) influye en el rendimiento del Ondol. La normatividad coreana para las edificaciones es muy puntual en este sentido al recomendar espesores y materiales de paredes, según la función que desempeñen.

Un aspecto que tienen en común el sistema antiguo y el moderno, es la fluctuación de la temperatura. En el caso del primero será mayor debido a que los tiempos muertos (donde no hay suministro de aire caliente) son más amplios. En cambio el sistema moderno reduce dichos tiempos, pues la caldera de vapor puede estar encendida más horas que un simple fogón, aunque el gasto de combustibles sea también mayor.

Si bien el Ondol moderno ha incorporado dispositivos (además del soporte técnico-científico que acompaña al diseño) con el fin de hacer más eficiente y duradero el efecto calefactor, el sistema antiguo sigue utilizándose y supera a otros “métodos clásicos” empleados, como es el caso de las chimeneas o fogatas que conocemos universalmente.

El Ondol tradicional, sin lugar a dudas, es una alternativa interesante para calefacción de hogares y preservación de ganado en zonas pobres de Latinoamérica, como es el caso de la región andina del Sur Peruano, víctima de climas muy fríos durante los últimos años.

Todo parece indicar que este blog superará las 10000 visitas antes de finalizar este año y ello me motiva no sólo a continuar escribiendo artículos, sino también a ir mejorando la presentación y los contenidos. Muchas gracias por acompañarme nuevamente. Dios mediante, estaremos con un nuevo tema el mes que viene. Cordiales saludos para todos.

REFERENCIAS:

ANALYZING THERMAL ENVIRONMENT EFFICIENCY OF RAISED-FLOOR ONDOL WITH VENTILATION Jea-Ho Sung†, Sang-Min Han, Yu-Min Kim and Jang-Yeul Sohn - Hanyang University, Seoul, Korea.

A STUDY ON THE THERMAL PERFORMANCE SIMULATION TO EVALUATE THE PREFABRICATED RADIANT FLOOR WITH HEATHING PANELS Myoung Soug Yeo - Departament of Architecture - Seoul National University - South Korea.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (CUARTA PARTE –ESPECIFICACIONES COMPLEMENTARIAS)

El biogas, como bien sabemos, no está constituido únicamente por metano. Los componentes “indeseables” del biogas son el vapor húmedo, el ácido sulfhídrico (causante de malos olores) y dióxido de carbono. Estos influyen negativamente en el rendimiento de la producción en las plantas y también (al menos los dos últimos) son nocivos para la salud humana y animal.
Hemos anotado en el artículo anterior cómo extraer el condensado (parte húmeda del biogas).
Para la reducción del ácido sulfhídrico hay 3 técnicas básicas: La primera ha sido utilizada exitosamente en Pakistán y consiste en colocar una “camisa exterior” de agua en la cámara colectora de gas. Esta alternativa se utiliza además para reducir las pérdidas, pero tiene la desventaja de ser relativamente costosa en pequeñas instalaciones. Otra alternativa es la de inyectar pequeñas dosis de aire en la cámara mencionada. Véase la reacción en la figura mostrada: (Éste es el proceso más utilizado en plantas grandes, del tipo industrial)

La tercera alternativa (más viable en plantas pequeñas) es la colocación de filtros de óxido u hidróxido de hierro. La reacción en este caso viene dada por :

FeO + H2S → FeS + H2O ; 2FeS + O2 → FeO + 2S↓

En el caso del hidróxido, la reacción es reversible y exotérmica y es posible regenerarlo exponiendo el sulfuro resultante al aire, pero con las debidas precauciones pues se producen liberaciones de energía superiores a los 600 J. Véanse un ejemplo de estos filtros (podría ser un tanque auxiliar); para el diseño se considera un tiempo de residencia de al menos 1 minuto del flujo de biogas.

Unidad de filtrado de biogas. Este dispositivo retiene el H2S y lo oxida.

Calidad del biogas

La composición del biogas (% CH4, % CO2, % N2, % O2, % H2S) es un parámetro útil cuando se hace balance de energía y masa, pero sobre todo para tener monitoreada la “salud” del proceso de fermentación. Es además útil para el diseño y selección de quemadores, inclusive para el óptimo funcionamiento de motores que sean alimentados por la planta. La medición se realiza por métodos muy conocidos para el análisis de gases: Cromatógrafos, Espectrómetros de masa, Tubos de difusión, etc.


Seguridad biológica

En la fermentación anaeróbica (sin aire) intervienen bacterias altamente peligrosas como son la Cryptosporidium y la conocidísima Salmonella, por ello es conveniente que la mano humana tenga la menor intervención posible tanto en el manejo del sustrato fresco como de los efluentes. El análisis y control biológico es además muy importante en todas las etapas.
El impacto ambiental (a la postre resulta idílico pensar que la producción y uso de biogas son 100% ecológicos) que involucra tanto la instalación de una planta de biogas, como el uso de las productos derivados de ella (emisiones de óxido de nitrógeno y gases de combustión, etc.) es un factor que debe también ser considerado. En EE-UU, Canadá, y muchos países europeos ya existe, desde hace buen tiempo, legislación correspondiente. Bueno sería que nuestro país siguiera el ejemplo.

Cogeneración Energética:

La cogeneración, en caso de utilizar el biogas para la producción de energía eléctrica es una alternativa interesante. Ya se indicó que ésta consiste en el aprovechamiento de calor desechado, tanto para mantener constante la temperatura del biodigestor como para ser utilizado en procesos de manufactura. Ver figura de abajo:

Maximizar la producción de biogas en una planta no necesariamente implica minimizar costos energéticos, pero en el caso de optar por la cogeneración es muy factible el ahorro, no sólo en función del tiempo sino también de la potencia que se produce.

Por último, y dada la cercanía de un proceso electoral municipal en nuestra ciudad, me llama la atención que ningún candidato haya puesto sobre el tapete la idea de construir plantas de biogas. Una ciudad como Lima pide a gritos proyectos de aprovechamiento de desperdicios en aquellos distritos donde hay mayores niveles de producción de los mismos. Son los gobiernos locales (con el apoyo de los gobiernos centrales) quienes deben tomar la iniciativa en este sentido según mi concepto.

Quiero agradecer nuevamente la cordial acogida a este espacio, a todas aquellas personas que me acompañan con sus comentarios aquí, en Facebook o compartiendo sus inquietudes via correo electrónico. El mes que viene empezaremos con un nuevo tema. Hasta entonces.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (TERCERA PARTE – REDES DE TUBERIA PARA BIOMASA Y GAS)

Otro aspecto importante a considerar en el diseño de una planta de biogas, es el referente al dimensionado y selección de materiales de los sistemas de tubería y accesorios tanto para manejo de biomasa como para la conducción de gas. Para el primer caso veamos un esquema de cómo se mueven, en una planta de biogas completa, los residuos orgánicos, desde su fuente primaria hasta el tanque de almacenamiento final.

Aquí hay un excelente ejemplo de cómo ejecutar una instalación completa para una planta de biogas (con cámara de agitación independiente del biodigestor) pero le hace falta implementar un sistema de salida para efluentes.
Esta es otra planta (modelo comercial) de la que sólo se muestra el biodigestor, pero nos ilustra claramente cómo es el movimiento de biomasa y gas al interior de la cámara, tanto de entrada como de salida.

Debe tenerse presente que el efluente del biodigestor es un poderoso abono agrícola, con alto contenido de nitrógeno, y que no tendría sentido descartar. Pero el tema de fondo en este momento es el “transporte” de residuos y los criterios para la selección y dimensionado de los elementos necesarios con dicho fin son:
• Viscosidad
• Tipo, tamaño y proporción de sólidos.
• Contenido de sólidos totales.
• Proporción de agua pura.
• Caudales requeridos.
Los tres primeros deben, necesariamente, ser investigados y determinados experimentalmente, según el tipo de residuos empleados. La viscosidad, por citar un ejemplo, pocas veces puede ser comparada con la del agua (como se indicó en el artículo anterior) pues las biomasas entran en el campo de los fluidos no newtonianos. Un modelo interesante (referencial) es la aproximación al de un fluido Bingham, donde la viscosidad es una función con doble regla de correspondencia:
A 37ºC por ejemplo uo = 0,016 Pa. s y to = 20 N/m2 ; un = 10000 Pa.s

Ya sabemos cómo determinar aproximadamente la proporción de agua pura necesaria para el proceso en la cámara digestora. Para el cálculo de los caudales, es necesario conocer uno de los factores consignados en el artículo de mayo: La carga del biodigestor “Ld” (kg. de sólidos totales por dia / volumen de la cámara en metros cúbicos) como base para estimar la “velocidad de flujo”.
Los tubos empleados para el transporte de sustrato, por lo general son recomendados en acero inoxidable (cédula 40). El diámetro debe seleccionarse considerando los caudales requeridos, así como también las pérdidas por unidad de longitud debidas a la fricción. Una referencia (aunque limitada) son las gráficas siguientes (el diámetro que se indica es el interno):

Tubos para estiércol de vacuno líquido con 10% de sólidos totales

Tubos para estiércol de porcino líquido con 7% de sólidos totales

Para calcular la potencia de bombeo se necesita conocer la altura manométrica a vencer y la sumatoria de las pérdidas por fricción menores (longitud de los tubos) y mayores (tees, codos angulares, etc. No se recomiendan codos a 90°). La altura de bomba se calcula así:

Hb (en metros).= Altura geométrica a vencer + pérdidas (mayores) por fricción en tubos + pérdidas (menores) por fricción en accesorios.

En caso de utilizar las gráficas mostradas arriba, conociendo la velocidad, caudal y diámetro del tubo, proyectamos la abcisa (caudal) hacia el punto en que coincidan la velocidad “v” y el diámetro “” deseados, y de allí hacia la ordenada correspondiente ∆P. Para el caso de las pérdidas mayores, se multiplica el correspondiente ∆P por la longitud de tubos empleada; mientras que para el caso de las pérdidas menores, se multiplicará el mismo ∆P por 5 metros y por el número de accesorios empleados.

En caso de utilizar otros tipos de residuos, si no se encuentran gráficas como la indicada arriba, dado que se conoce la viscosidad del producto, es posible utilizar el diagrama de Moody para determinar aproximadamente el coeficiente de fricción, calculando previamente el Número de Reynolds aproximado para el flujo. La altura de bomba se calculará entonces mediante la expresión siguiente:

“f” es el coeficiente de fricción, “L” es la longitud total de tubería, Le = 5 m , “n” es el número de accesorios, “D” y “A” el diámetro interno del tubo y su área, respectivamente;
g = gravedad local; “Q” es el caudal.
Finalmente, la potencia (en Watts) se calcula así:

Potencia de bombeo = ρ x g x Hb x Q

Siendo “ρ” la densidad.

Respecto al tipo de bomba sugerido para impulsar residuos, son 4 las más comunes: rotatorias (rotary pumps), de espiral excéntrico, de pistón rotatorio y centrífugas (chopper pumps). Las 3 primeras son también llamadas “bombas desplazamiento positivo”, y, dentro de las rotatorias, se recomiendan más de “lóbulos”. Para una elección preliminar, puede ayudar la tabla de abajo (en inglés) que nos ilustra la conveniencia respecto a las características de los residuos, la potencia de entrada, si debe ser succionante (sucking) o no, y el costo, todo en forma comparativa.

Tuberías y accesorios para el gas.

La tuberías para la conducción de biogas podemos encontrarlas en plástico del tipo PVC (incluso mangueras de caucho), de acero o bien de cobre. Las únicas ventajas de los primeros materiales son la facilidad de instalación y los costos, pero en cuanto a seguridad para prevenir fugas o incendios fortuitos, dejan mucho que desear.
Las tablas siguientes nos ayudarán a determinar el diámetro óptimo en función del caudal de gas requerido para consumo y de la longitud de tubería para el acero y el PVC.

Los tubos de cobre pueden dimensionarse utilizando criterios similares que para las instalaciones de gas natural. A saber, el diámetro interior (en cm.) de la tubería se determina utilizando la expresión siguiente:

“L” es la longitud del tramo a dimensionar (en metros), “Q” el consumo en metros cúbicos por hora.
∆P = (Pérdida de presión promedio en mbar) x Longitud de tramo a dimensionar / Longitud total de tubería.

La pérdida de presión promedio pude considerarse 1,2 mbar, aproximadamente.
El diámetro a la salida de la cámara digestora no deberá ser inferior a ¾” . Para todos los demás segmentos el diámetro nunca será inferior a ½”. Puede utilizarse tubos tipo L ó K.

La presión en plantas de biogas comunes debe estar alrededor de 7 kPa (0,07 mbar ó 1 Psig). En cambio, si se utiliza compresores (caso de agitación), puede alcanzar hasta 3,5 MPa (500 Psig). En el primer caso se tiene el inconveniente de que el gas resultante aparece en forma de vapor húmedo, motivo por el cual se hace necesario eliminar la parte líquida del gas. Inmediatamente a la salida de la cámara de almacenamiento de biogas se sugiere instalar dispositivos (trampas de vapor) como los que se indican:

Espero que esta nueva entrega sea de mucha utilidad, al igual que las anteriores, para quienes estén proyectando instalaciones de biogas o estén realizando trabajos de investigación afines. Agradezco muy de veras a quienes visitan este humilde rincón del ciberespacio, a quienes formulan sus comentarios o inquietudes (sea aquí, en Facebook o por correo electrónico). El próximo (y último) artículo relativo a plantas de biogas será estructurado en base a las sugerencias que se me han hecho o me hagan llegar en el transcurso de estas semanas y a los inevitables “vacíos” que han habido, dado que es un tema bastante amplio. Gracias nuevamente y hasta el mes que viene.

Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Biogas – Application and Product Development – Werner Kossmann – Information and Advisory Service on Appropiate Technology (ISAT) – Germany.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Biogas Utilization Handbook – The Environment, Health & Safety Division – Georgia Tech Research Institute – USA.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• A complete guide to Liquids Handlig – Revista “Chemical Engineering” – Mc. Graw Hill - USA
• The Copper Tube Handbook – Copper Development Association – USA.

DISEÑO DE PLANTAS DE BIOGAS (SEGUNDA PARTE – AGITACIÓN Y CALEFACCIÓN)

La plantas de biogas pueden estar o no sumergidas en el suelo (donde la temperatura, como se indicó es mayor a la del aire y no varía tan drásticamente, dependiendo de la región y de la profundidad). Pero en ámbos casos es posible “optimizar” el proceso de obtención de metano en sus respectivos biodigestores. Para ello es que se añaden dos ingredientes muy importantes: la AGITACIÓN y la CALEFACCIÓN.
El primero permitirá “uniformar” la densidad bacteriana en el sustrato favoreciendo positivamente su acción, evitará la formación tanto de costras al interior del biodigestor como de “espacios muertos” sin actividad biológica. El segundo contrarrestará el efecto de las variaciones bruscas de temperatura que inhiban la acción bacteriana, problema crónico en las plantas artesanales cuyos diseños circulan libremente en el ciberespacio.
En el caso de los biodigestores que están sobre la superficie del suelo, como los industriales, esta necesidad se hace más fuerte. La figuras siguientes nos muestran las 3 disposiciones básicas de dichos biodigestores, teniendo en cuenta los sistemas agitadores y calentadores, según su volumen:.

AGITACIÓN:
La agitación puede realizarse mediante "rodetes" o también por inyección de aire comprimido o recirculación del biogas (que producen burbujas en el sustrato), pero estas dos últimas alternativas tienen la desventaja, además del mayor costo, de elevar considerablemente la presión interna de la cámara digestora, obligándonos a un diseño más meticuloso de la misma.

Esto puede resultar práctico, pero es más peligroso

En el caso de los "rodetes", independientemente del tipo de biodigestor, no se considera importante la velocidad con la cual deben operar los agitadores, puede trabajarse con un elevado rpm (superior a 1000), no obstante debe tenerse presente que muy altas velocidades pueden influir negativamente en la actividad biológica al interior del biodigestor. El “Manual de Producción de biogas” del Ing. Jorge Hilbert, refiriéndose a este punto cita lo siguiente: “En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de gas”.
Ya hemos discutido los criterios de diseño de agitadores el año pasado, por lo que sólo nos centraremos en especificaciones. En lo que sí hay consenso en la mayoría de documentos revisados por mí, es en el tipo de agitador recomendado: AGITADORES DE HÉLICE, de los cuales, los pequeños (menos de 1m de diámetro) giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; mientras que los mayores (más de 1m de diámetro) giran de 400 a 800 rpm.
La figurita de abajo nos muestra la disposición básica que debe tener un sistema de agitación en tanques para líquidos viscosos. Las placas deflectoras (baffles) se hacen innecesarias si se trabaja a régimen turbulento (alto número de Reynolds), dado que pueden resultar contraproducentes. Obsérvese la relación de diámetros agitador / diámetro de tanque : d / D. Podemos asumir con bastante comodidad una relación d / D = 0,4 ó 0,5.
Una vez conocido el diámetro que debe tener nuestro agitador y las RPM, determinaremos la potencia motriz requerida por el agitador.

Calculando previamente el número de Reynolds por medio de la expresión siguiente (exclusiva para recipientes con agitador):

La viscosidad μ y la densidad ρ, deben ser determinados experimentalmente, pero con fines prácticos podemos utlizar una viscosidad promedio 1 cPaS y densidad 1000 kg por metro cúbico (datos del agua).
Con el número de Reynolds y el tipo de agitador en mente, entraremos a la curva siguiente, que nos brindará el número de potencia Np (También está disponible en FACEBOOK si no está muy visible aquí).

Y luego calculamos la potencia requerida o de servicio P(servicio)(en watts) a régimen turbulento:
Pero como la potencia de arranque de los motores suele ser mayor, especificaremos que:

P(arranque) = 2,5 x P (de servicio)

El tiempo de funcionamiento del agitador (en minutos) lo determinamos ayudándonos con el número de Reynolds y la siguiente curva (N es el rpm del agitador)

Sin embargo el tiempo debe considerarse con cada nuevo ingreso de sustrato al biodigestor.

CALEFACCIÓN:

En la temperatura es importante conocer no solamente las variaciones que se producen durante las épocas del año y el rango dentro del cual “operan” los diferentes tipos de bacterias presentes en el proceso, ver tabla:
El calor necesario para mantener la temperatura en un márgen aceptable se puede calcular mediante la siguiente expresión:

El calor específico Cp es función del tipo de biomasa, pero con fines prácticos puede asumirse un promedio (Cp ≈ 4 KJ/Kg°C). La eficiencia es también difícil de determinar si consideramos las pérdidas térmicas, pero puede especificarse un rango entre 0,2 y 0,5.
Desde este punto de vista, los requerimientos energéticos para calefacción no son altos. Por ello es conveniente la llamada “Cogeneración”, esto es, el aprovechamiento de una fracción de la energía térmica total producida por la planta, exclusivamente con la finalidad de mantener las “condiciones ambientales” en estado óptimo al interior del biodigestor. Bien pueden aprovecharse el gas quemado por un motor o turbina de funcionamiento contínuo. Véase el interesante ejemplo que brinda esta planta de biogas existente en el norte de nuestro país.

El mes que viene continuaremos exponiendo criterios útiles para el diseño para estas plantas de biogas. Las imágenes menos visibles están ahora disponibles en FACEBOOK. Gracias nuevamente por su atención. Espero sus preguntas y/o comentarios.

Referencias:
• Manual de Producción de biogas - Ing. Jorge Hilbert – Instituto de Ingeniería rural – Castelar.
• Process design of agricultural digesters – Arthur Wellinger – Nova Energie Gmbh – Ettenhausen.
• Diseño de una Planta de Producción de Biogas – Dr. José Antonio Fabelo Falcón – Universidad Central Marta Abreu de las Villas.
• Mixing and Agitation – R. S. Brodkey - Revista “Chemical Engineering”.
• Heath Transfer Processes in a Biogas Reactor – Liliana Sashkova, Nina Penkova, Rositza Karamfilowa – Departament of Silicate Technology – University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia Bulgaria. (zashkova@uctm.edu).
• Generación de Energía con Biogas de Residuos Agrícolas en Plantas Agroidustriales de La Libertad – Perú – Raúl Paredes Rosario – Universidad Privada del Norte (rparedes_rosario@yahoo.es).