Evaluación de un sistema de energía solar térmica basado en colectores de tubos de vacío para suministro de agua a alta temperatura

Esta tesis pretende contribuir al fomento y utilización de la energía solar como alternativa para la producción de agua caliente en el sector agroindustrial. La demanda de agua caliente es un aspecto clave en un gran número de agroindustrias y explotaciones agrarias. Esta demanda presenta una gran variabilidad, tanto en los horarios en que se solicita como en la temperatura del agua del depósito requerida (TADr), difiriendo del perfil de demanda habitual para uso doméstico. Existe una necesidad de profundizar en la influencia que tiene la variación de la TADr en la eficiencia y viabilidad de estos sistemas. El objetivo principal de esta tesis es caracterizar el funcionamiento de un sistema solar térmico (SST) con captador de tubos de vacío (CTV) para producir agua a temperaturas superiores a las habituales en estos sistemas. Se pretende determinar la influencia que la TADr tiene sobre la eficiencia energética del sistema, cuantificar el volumen de agua caliente que es capaz de suministrar en función de la TADr y determinar la rentabilidad del SST como sistema complementario de suministro. Para ello, se ha diseñado, instalado y puesto a punto un sistema experimental de calentamiento de agua, monitorizando su funcionamiento a diferentes TADr bajo condiciones ambientales reales. Los resultados cuantifican cómo el aumento de la TADr provoca una disminución de la energía suministrada al depósito, pudiendo superar diferencias de 1000 Wh m-2 d-1 entre 40 ºC y 80 ºC, para valores de irradiación solar próximos a 8000 Wh m-2 d-1 (la eficiencia del sistema oscila entre 73% y 56%). Esta reducción es consecuencia de la disminución de la eficiencia del captador y del aumento de las pérdidas de calor en las tuberías del circuito. En cuanto al agua suministrada, cuanto mayor es la TADr, mayor es la irradiación solar requerida para que tenga lugar la primera descarga de agua, aumentando el tiempo entre descargas y disminuyendo el número de éstas a lo largo del día. A medida que se incrementa la TADr, se produce una reducción del volumen de agua suministrado a la TADr, por factores como la pérdida de eficiencia del captador, las pérdidas en las tuberías, la energía acumulada en el agua que no alcanza la TADr y la mayor energía extraída del sistema en el agua producida. Para una TADr de 80 ºC, una parte importante de la energía permanece acumulada en el depósito sin alcanzar la TADr al final del día. Para aprovechar esta energía sería necesario disponer de un sistema complementario de suministro, ya que las pérdidas de calor nocturnas en el depósito pueden reducir considerablemente la energía útil disponible al día siguiente. La utilización del sistema solar como sistema único de suministro es inviable en la mayoría de los casos, especialmente a TADr elevadas, al no ajustarse la demanda de agua caliente a la estacionalidad de la producción del sistema solar, y al existir muchos días sin producción de agua caliente por la ausencia de irradiación mínima. Por el contrario, la inversión del sistema solar como sistema complementario para suministrar parte de la demanda térmica de una instalación es altamente recomendable. La energía útil anual del sistema solar estimada oscila entre 1322 kWh m-2 y 1084 kWh m-2. La mayor rentabilidad se obtendría suponiendo la existencia de una caldera eléctrica, donde la inversión se recuperaría en pocos años -entre 5.7 años a 40 ºC y 7.2 años a 80 ºC -. La rentabilidad también es elevada suponiendo la existencia de una caldera de gasóleo, con periodos de recuperación inferiores a 10 años. En una industria ficticia con demanda de 100 kWh d-1 y caldera de gasóleo existente, la inversión en una instalación solar optimizada sería rentable a cualquier TADr, con valores de VAN cercanos a la inversión realizada -12000 € a 80 ºC y 15000€ a 40 ºC- y un plazo de recuperación de la inversión entre 8 y 10 años. Los resultados de este estudio pueden ser de gran utilidad a la hora de determinar la viabilidad de utilización de sistemas similares para suministrar la demanda de agua caliente de agroindustrias y explotaciones agropecuarias, o para otras aplicaciones en las que se demande agua a temperaturas distintas de la habitual en uso doméstico (60 ºC). En cada caso, los rendimientos y la rentabilidad vendrán determinados por la irradiación de la zona, la temperatura del agua requerida y la curva de demanda de los procesos específicos. ABSTRACT The aim of this thesis is to contribute to the development and use of solar energy as an alternative for producing hot water in the agribusiness sector. Hot water supply is a key issue for a great many agribusinesses and agricultural holdings. Both hot water demand times and required tank water temperature (rTWT) are highly variable, where the demand profile tends to differ from domestic use. Further research is needed on how differences in rTWT influence the performance and feasibility of these systems. The main objective of this thesis is to characterize the performance and test the feasibility of an evacuated tube collector (ETC) solar water heating (SWH) system providing water at a higher temperature than is usual for such systems. The aim is to determine what influence the rTWT has on the system’s energy efficiency, quantify the volume of hot water that the system is capable of supplying at the respective rTWT and establish whether SWH is feasible as a booster supply system for the different analysed rTWTs. To do this, a prototype water heating system has been designed, installed and commissioned and its performance monitored at different rTWTs under real operating conditions. The quantitative results show that a higher rTWT results in a lower energy supply to the tank, where the differences may be greater than 1000 Wh m-2 d-1 from 40 ºC to 80 ºC for insolation values of around 8000 Wh m-2 d-1 (system efficiency ranges from 73% to 56%). The drop in supply is due to lower collector efficiency and greater heat losses from the pipe system. As regards water supplied at the rTWT, the insolation required for the first withdrawal of water to take place is greater at higher rTWTs, where the time between withdrawals increases and the number of withdrawals decreases throughout the day. As rTWT increases, the volume of water supplied at the rTWT decreases due to factors such as lower collector efficiency, pipe system heat losses, energy stored in the water at below the rTWT and more energy being extracted from the system by water heating. For a rTWT of 80 ºC, much of the energy is stored in the tank at below the rTWT at the end of the day. A booster supply system would be required to take advantage of this energy, as overnight tank heat losses may significantly reduce the usable energy available on the following day. It is often not feasible to use the solar system as a single supply system, especially at high rTWTs, as, unlike the supply from the solar heating system which does not produce hot water on many days of the year because insolation is below the required minimum, hot water demand is not seasonal. On the other hand, investment in a solar system as a booster system to meet part of a plant’s heat energy demand is highly recommended. The solar system’s estimated annual usable energy ranges from 1322 kWh m-2 to 1084 kWh m-2. Cost efficiency would be greatest if there were an existing electric boiler, where the payback period would be just a few years —from 5.7 years at 40 ºC to 7.2 years at 80 ºC—. Cost efficiency is also high if there is an existing diesel boiler with payback periods of under 10 years. In a fictitious industry with a demand of 100 kWh day-1 and an existing diesel boiler, the investment in the solar plant would be highly recommended at any rTWT, with a net present value similar to investment costs —12000 € at 80 ºC and 15000 € at 40 ºC— and a payback period of 10 years. The results of this study are potentially very useful for determining the feasibility of using similar systems for meeting the hot water demand of agribusinesses and arable and livestock farms or for other applications demanding water at temperatures not typical of domestic demand (60ºC). Performance and cost efficiency will be determined by the regional insolation, the required water temperature and the demand curve of the specific processes in each case.