ES2777749A1 - Procedimiento para almacenar energia solar fotovoltaica en forma de calor - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para almacenar energía fotovoltaica en forma de calor, caracterizado por que la energía captada por el campo fotovoltaico (1) es tratada por un convertidor (2) con control de par constante, que alimenta un motor eléctrico (3), que acciona el compresor (4) de una bomba de calor no reversible, transfiriendo energía calorífica entre dos grandes depósitos llenos de agua (6) y (8), que actuando como acumuladores térmicos, almacenan energía calorífica, generando simultáneamente un foco caliente y otro frío, de los que se extraerá mediante intercambiadores (9) y (10) calor y/o frío y mediante tuberías de aluminio aleteadas (12) agua/aire a la demanda.

Description

DESCRIPCIÓN
PROCEDIMIENTO PARA ALMACENAR ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN FORMA DE CALOR
OBJETO DE LA INVENCION
La nueva invención, tal y como expresa su enunciado, se refiere a un procedimiento para almacenar energía solar fotovoltaica en forma de calor, cuyo objeto es una nueva manera de almacenar energía solar fotovoltaica, que en este caso es en forma de calor a baja temperatura, mediante la generación simultánea de un foco caliente y otro frío, ambos de gran inercia térmica, de los que se podrá extraer individual o simultáneamente calor y/o frío a la demanda.
CAMPO DE APLICACION
El campo de aplicación de la presente patente, afecta a la industria dedicada a la climatización, en especial los recintos ocupados por seres vivos, como es el caso de invernaderos, granjas, edificios, etc. en los que las condiciones ambientales de confort, producción o sanitarias están dentro de un estrecho rango. Es más recomendable su aplicación en aquellos recintos que sean de baja inercia térmica, y por tanto muy sensibles ante los cambios de las condiciones ambientales entre el día y la noche.
Esta solución es también aplicable al control de procesos de fermentación o conservación de alimentos, etc. que operen dentro de estos rangos de temperaturas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Debemos señalar que el inventor desconoce la existencia de ningún otro procedimiento de acumulación en forma de calor, de la energía fotovoltaica, que presente unas características técnicas y de configuración semejante a las que presenta la invención que aquí se preconiza.
Diversos procedimientos buscan el aprovechamiento en forma de calor de la energía solar. La energía solar térmica utiliza paneles térmicos a baja temperatura y/o espejos concentradores, etc. y acumuladores, que permiten alargar la generación de electricidad. La energía solar fotovoltaica, se acumula en baterías para ser usada como energía eléctrica a la demanda.
Nuestro procedimiento utiliza la energía solar fotovoltaica, para acumularla en forma de calor a baja temperatura, representando una solución innovadora, de características y desconocido hasta ahora que unidas a su utilidad práctica le dotan de fundamento para obtener el carácter de novedad que se solicita.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Competir en producción animal o vegetal intensiva supone, además de otros requisitos, tener el control de las condiciones ambientales del recinto. Temperatura y humedad relativa son los parámetros fundamentales a controlar.
Dadas unas condiciones de confort, el sistema debe reaccionar para mantenerlas a pesar de las variaciones ambientales exteriores, como sucede a través de las diferentes estaciones del año y en particular entre el día y la noche. Estas variaciones ambientales son más acusadas en recintos de baja inercia térmica, como es el caso de invernaderos y granjas.
La solución pasa por acumular importantes cantidades de calor y frío, dentro o cerca del recinto a partir de la energía solar disponible y disponer de sistemas de aportación rápidos al recinto .
Por tanto se necesitarán dos focos, uno frío y otro caliente, que tengan gran inercia térmica (alto producto masa x calor específico), para poder calentar y/o enfriar a la demanda.
Como consecuencia de lo explicado, vemos que la bomba de calor, cuya función es transferir calor entre dos focos, generando uno caliente y otro frío, es la maquina ideal para este cometido, ya que genera ambos de forma simultánea, con alto rendimiento. Si bien su forma habitual de funcionamiento es la obtención de calor o bien de frío, pero no de forma simultánea como es en el caso que nos ocupa.
Ahora bien, para acumular calor, nada mejor que grandes depósitos de agua, convenientemente aislados y mejor aún enterrados, que puedan almacenar, a bajo rango de temperatura (50 °C / 5 °C) , cantidades importantes de calor y frío con saltos térmicos entre focos de unos 45 °C, suficientes para ser utilizados en climatizar directamente.
Para ello, la bomba de calor consumirá energía mecánica en el compresor. Esta energía mecánica será demandada en forma de par x revoluciones en su eje. Por ser el compresor una máquina de desplazamiento positivo, que trabaja a presión prácticamente constante, demandará un par constante.
El compresor como máquina de desplazamiento positivo, se caracteriza por su cilindrada (dm3 / vuelta) y por tanto, el caudal de gas comprimido a la presión requerida, y la potencia absorbida, serán función directa de las revoluciones a las que opera en cada momento, teniendo un amplio rango de operación entre las revoluciones mínimas y máximas, lo que la dota de gran flexibilidad de operación.
Estas condiciones son adecuadas para que la bomba de calor sea operada por energía solar fotovoltaica, que se manifiesta de forma fluctuante, pudiendo ser tratada por un convertidor con control de par constante, de tal forma que el motor eléctrico de accionamiento del compresor, adapte sus revoluciones a la energía solar disponible en cada momento, sin merma de su rendimiento.
Así pues por este procedimiento, la energía solar fotovoltaica puede almacenarse en forma de calor, generando a través de la bomba de calor y de forma simultánea, un foco frío y otro caliente de los que se podrá extraer calor a la demanda.
La presente invención utiliza la energía solar fotovoltaica captada, para una vez tratada por un convertidor de par constante, accionar un motor eléctrico, generalmente de imanes permanentes, para que transformada en energía mecánica, ataque al compresor de una bomba de calor, que transferirá energía térmica entre dos grandes depósitos acumuladores de agua, generando un foco frío y otro caliente de forma simultánea, de los que se extraerá calor o frío a la demanda.
Así pues, el nuevo procedimiento de acumular en forma de calor la energía fotovoltaica, representa una solución innovadora, de características y funcionamiento desconocidos hasta ahora, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de novedad y exclusividad que se solicita.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mayor claridad y comprensión de las características de la patente de invención, acompañando a la presente memoria descriptiva como parte integrante de la misma, se adjuntan e ilustra con dos figuras en las que ha sido representado en una de sus formas preferidas de realización, todo a simple título de ejemplo ilustrativo, no limitativo.
La Figura número 1.- Muestra un esquema del procedimiento en el que se representa de arriba hacia abajo los componentes que la integran.
La Figura número 2.- Muestra en sección un ejemplo práctico para climatización tanto del aire de renovación como de calefacción por suelo radiante.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las comentadas figuras y de acuerdo con la numeración adaptada, donde los mismos números indican componentes iguales o correspondientes, se puede observar en las mismas un ejemplo de realización preferente del procedimiento para almacenar energía solar fotovoltaica en forma de calor, el cual comprende los componentes que se indican a continuación:
- 1. Campo fotovoltaico
- 2 . Convertidor
- 3. Motor
- 4 . compresor
- 5. Condensador
- 6. Depósito acumulador (foco frio)
- 7 . Evaporador
- 8 . Deposito acumulador (foco caliente)
- 9. Intercambiador agua/agua (calor)
- 10. Intercambiador agua/agua (frio)
- 11. Recinto
- 12 . Tuberías de aluminio aleteadas
- 14. Válvula selectora
- 15. Ventilador
- 16. Tomas filtrantes
- 17. Bomba de agua
En la figura 1, se describe de arriba a abajo, el campo fotovoltaico (1) conectado al convertidor (2) que energiza al motor (3) cuyo eje acciona mecánicamente al compresor (4) de una bomba de calor no reversible, cuyo condensador (5) opera dentro de un gran depósito acumulador (6) lleno de agua (foco caliente), al que cede calor. El evaporador (7) ubicado en el interior de un segundo depósito acumulador (8) lleno de agua (foco frio) absorbe calor, enfriándolo. Dentro de cada uno de los depósitos acumuladores, existen sendos intercambiadores agua/agua (9) (calor) y (10) (frio), generalmente en circuito cerrado, mediante los cuales se extraerá calor o frío a la demanda. Cuando se utilice aire de renovación o ventilación en circuito abierto, el aspirador (15) succionará aire del ambiente a través de tomas filtrantes (16) cuyas tuberías de aluminio aleteadas (12) atraviesan longitudinalmente, a modo de intercambiadores aire/agua, el depósito acumulador (6) (foco caliente) y depósito acumulador (8) (foco frio) convergiendo en forma de "T" invertida, donde se ubica la válvula selectora (14) que determinará el camino a seguir por el aire aspirado por el ventilador (15) para su incorporación al recinto.
En la figura 2, se representa en sección un ejemplo práctico para climatización tanto del aire de renovación de un recinto (11) tal como una granja como de calefacción por suelo radiante. A partir de un campo fotovoltaico (1) sobre seguidor a dos ejes se capta la energía que alimenta a un convertidor (2) ubicado en el interior de la columna del seguidor solar. El motor (3) que acciona el compresor (4) de la bomba de calor. En la parte inferior del dibujo se aprecia un gran depósito acumulador (6) (foco caliente) y otro gran depósito acumulador (8)(foco frio), aislados y enterrados, cuyo interior es atravesado por sendas tuberías de aluminio aleteadas (12), que a modo de intercambiadores aire/agua, convergen en forma de "T" invertida, donde se ubica la válvula selectora (14) que determinará el camino a seguir por el aire aspirado por el ventilador (15) sito aguas arriba de la válvula selectora (14) para su incorporación como aire de renovación climatizado a la gran ja .
Tomando como ejemplo un recinto (11) que tal como hemos indicado puede ser una granja de producción intensiva de cerdos, considerando que la temperatura óptima sea 22 °C /- 5 °C y la humedad relativa máxima sea d 70%, determinaremos las condiciones de equilibrio térmico en la nave para temperaturas exteriores extremas de 35 °C en verano y 0 °C en invierno.
En invierno habrá que aportar calor para compensar las pérdidas a través del cerramiento, teniendo en cuenta las aportaciones del calor animal, según:
Q animal Q aportado = Q perdido
En esta ecuación no incluiremos las pérdidas por renovación del aire, ya que éste se aportará atemperado a la temperatura de consigna (22 °C)
En verano, el ventilador (15) introducirá el aire de renovación previamente enfriado, atravesando el depósito acumulador (8) (foco frío) para equilibrar el balance térmico, extrayendo el exceso de calor aportado al recinto, tanto por los animales, como por la ganancia del alojamiento estando la válvula selectora (14) (mirando a las 10 h). El aire aspirado entrará por la toma filtrante (16) sita a la derecha de la figura 1.
En invierno, el ventilador (15) introducirá el aire de renovación previamente calentado estando la válvula selectora (14) (mirando a las 2 h). El aire aspirado entrará por la toma filtrante (16) sita a la izquierda de la figura 1, atravesando el depósito acumulador (6) (foco caliente).
En el caso de cerdas reproductoras se necesitarán dos ambientes, uno más cálido para los lechones recién nacidos, proporcionándoles cama caliente a través de un pequeño espacio con suelo radiante, y otro espacio a menor temperatura para la madre; estos requisitos podemos conseguirlos a través de los intercambiadores (9) agua/agua, y/o agua/aire tuberías de aluminio aleteadas (12) que extraerán calor y/o frío de cada depósito acumulador (6) (foco caliente) y (8) (foco frio) .
Tomando como ejemplo de cálculo de necesidades los expresados en los ejemplos 1 y 2 páginas 196 a 202 del libro "Diseño de alojamientos e instalaciones" editorial Servet ISBN-978-84-92569-07-6, vamos a determinar el grado de cumplimiento de las mismas para una granja de 2.500 cerdos de hasta 20 kg/canal, a partir de un campo fotovoltaico (1) de 63 kWp, formado por 16 series de 12 paneles fotovoltaicos de 327 wp, de la firma Sun Power, modelo E327 cuya disposición se aprecia en la figura 2, 1.
Sobre la potencia instalada (63 kWp), habrá que descontar las pérdidas por suciedad en paneles, temperatura, convertidor, etc, que llegan a totalizar un 22% en verano, resultando en las mejores condiciones de irradiación, una potencia máxima disponible de 63 x 0,78 = 49 kW netos. Por lo que teniendo en cuenta otros consumos diarios como ventiladores (15), bomba de agua (17), iluminación, etc, aplicando coeficientes de uso y simultaneidad, reservaremos para el motor (3) de la bomba de calor, una potencia neta en su eje de 40 kW.
Sabemos que el rendimiento (C.O.P.) de una bomba de calor agua/agua es de al menos 4,5 en lado del condensador (5) y de 3,3 en el lado del evaporador (7), resultando que:
a) La potencia calorífica acumulable será: 40 x 4,5 = 180 kW b) La potencia frigorífica acumulable será: 40 x 3,3 = 132 kW Estas potencias, generadas de forma simultánea durante las horas solares para cada periodo del año, producirán energía térmica que se acumulará, a través del condensador (5) y del evaporador (7), en sus respectivos depósitos acumuladores (6) y (8) .
Como interesa tener gran capacidad de almacenamiento, seleccionaremos los depósitos acumuladores (6)(foco caliente) y (8) (foco frio) de las máximas capacidades transportables por carretera con permiso especial. Estos depósitos fabricados en fibra de vidrio, con resinas especiales para temperaturas de hasta 70 °C, por el fabricante SIMOP, son cilindricos, de 200 m de capacidad y miden 4 x 4,2 x 16,6 m, pudiendo instalarse enterrados, apoyados sobre 9 patas.
Por tanto, la capacidad neta de los depósitos, deducidos los volúmenes ocupados por las tuberías de aluminio aleteado (12), que los atraviesan longitudinalmente y que actúan como intercambiadores agua/aire y el ocupado por el condensador (5) y el evaporador (7), así como los intercambiadores de agua caliente (9) y agua fría (10), que están en su interior, será de 190 m3'
Por tanto la cantidad de energía almacenable en forma de calor o frío en cada uno de ellos, para un salto térmico de 25 °C en el caliente y de 20 °C en el frío será, aplicando:
Q = M x C x At
Q = cantidad de calor en J
M = masa en kg
C = capacidad térmica específica J / kg x °C (4.180 para el agua y 994 para el aire)
At = salto térmico en °C
y sabiendo que 1 kWh = 3,6 MJ = 860 Kcal/h, tendremos:
Qc = 190.000 x 4.180 x 25 = 19.855 MJ = 5.515 kWh acumulados en el depósito (6) (foco caliente)
Qf = 190.000 x 4.180 x 20 = 15.884 MJ = 4.412 kWh acumulados en el depósito (8) (foco frío)
Lo que supone una capacidad de almacenamiento equivalente a: - de calor 5.515 / 180 = 30, 6 horas a potencia nominal del campo fotovoltaico
- de frío 4.412 / 132 = 33,4 horas a potencia nominal del campo fotovoltaico que a razón de 8 horas/día equivalentes en verano y 6 horas/día equivalentes en invierno, obtenidas por el campo fotovoltaico (1) sobre seguidor a dos ejes, suponen una acumulación de la producción fotovoltaica equivalente a 30,6 / 8 = 3,82 días de verano y de 33,4 / 6 = 5,56 días de invierno, suponiendo un buen aislamiento de los depósitos acumuladores (6) (foco caliente) y (8) (foco frio).
Para conocer el grado de cumplimiento de esta instalación, compararemos los datos de producción de calor/frío con la demanda, expresada en los ejemplos 1 y 2 del libro referenciado:
- Pérdida de calor sensible en la nave (pag. 199) 12.053 Kcal/h = 14 kWh en condiciones extremas.
- El caudal de ventilación (14.605 m3/h) será aportado por el ventilador (15) axial, modelo HC 71-4, motor de 1,5 kW, a 1.420 r.p.m. de la firma SODECA capaz de proporcionar el caudal referido y vencer una presión total de 30 mmca necesarios para recorrer el circuito completo. La cantidad de calor aportada por el intercambiador aire/agua formado por una tubería de aluminio aleteada (12), de diámetro 0,8 m, que atraviesa longitudinalmente el depósito acumulador (6) (foco caliente) y (8) (foco frio) para un salto térmico de At = 15°C y una densidad del aire de 1,22 Kg/m3 será:
14 .605 x 1,22 x 994 x 15 = 26S,6MJ = 73,79kWh
- Por tanto, las necesidades totales de energía, a extraer de los depósitos acumuladores serán: 14 73,79 = 87,79 kWh, que deberán ser repuestas por la producción del campo fotovoltaico a razón de: 180 kWh en calor y 132 kWh en frío, durante las horas disponibles solares, por tanto que se trata de una instalación termicamente equilibrada.
Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más amplia su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su especialidad, podrá ser llevada a cabo en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (2)

  1. R E I V I N D I C A C I O N E S
    1 Procedimiento para almacenar energía solar fotovoltaica en forma de calor, caracterizado por disponer de un campo fotovoltaico (1) cuya energía captada es tratada por un convertidor (2) con control de par constante, que alimenta a un motor eléctrico (3) que acciona al compresor (4) de una bomba de calor no reversible, que transfiere energía térmica entre dos depósitos acumuladores (6) y (8) generando simultáneamente un foco caliente y otro frío, de los que se extraerá calor y/o frío mediante intercambiadores (9) y (10) y tuberías de aluminio aletadas (12) a modo de intercambiadores agua/aire a la demanda.
  2. 2.- Procedimiento para almacenar energía fotovoltaica en forma de calor, según reivindicación primera, caracterizado por que en una disposición preferente, los depósitos acumuladores (6) (foco caliente) y (8) (foco frio) están enterrados y atravesados longitudinalmente por tuberías de aluminio aleteadas (12) que actuando como intercambiadores aire/agua, convergen formando una "T" invertida, en el punto donde se ubica la válvula selectora (14) que determina el sentido del aire aspirado por el ventilador (15), sito aguas arriba de la válvula selectora (14) climatizándolo antes de su aportación al recinto, como aire de renovación y/o ventilación.
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