PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS

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  PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS Autor: Luis Víctor Estébanez García Director: Luis Manuel Mochón Castro Madrid Junio 2017 AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN
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PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS Autor: Luis Víctor Estébanez García Director: Luis Manuel Mochón Castro Madrid Junio 2017 AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE BACHILLERATO 1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma. El autor D._Luis Víctor Estébanez García DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual. 2º. Objeto y fines de la cesión. Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado siguiente. 3º. Condiciones de la cesión y acceso Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia habilita para: a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar marcas de agua o cualquier otro sistema de seguridad o de protección. b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo libre y gratuito a través de internet. d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse expresamente y obedecer a causas justificadas. e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons. f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente). 4º. Derechos del autor. El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a: a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio. c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella. 5º. Deberes del autor. El autor se compromete a: a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro. b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros. c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión. 6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional. La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades: La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas. La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras. La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro. La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros. Madrid, a 25.. de JUNIO... de ACEPTA Fdo Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio Institucional: Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el curso académico 2016/2017. es de mi autoría, original e inédito y no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es plagio de otro, ni total ni parcialmente y la información que ha sido tomada de otros documentos está debidamente referenciada. Fdo.: Luis Víctor Estébanez García Fecha: 30/6/2017 Autorizada la entrega del proyecto EL DIRECTOR DEL PROYECTO Fdo.: Luis Manuel Mochón Castro Fecha: 30/6/2017 PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS Autor: Luis Víctor Estébanez García Director: Luis Manuel Mochón Castro Madrid Junio 2017 PANEL SOLAR INTELIGENTE DE BAJO COSTE PARA CALENTAR PISCINAS Autor: Estébanez García, Luis Víctor Director: Mochón Castro, Luis Manuel Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO 1 INTRODUCCIÓN En este proyecto se pretende diseñar un sistema completo de climatización solar para piscinas basado en un colector solar plano y un controlador inteligente que permita su monitorización y configuración a través de internet. Se establecen como consignas: Que el coste sea inferior a los productos comerciales que realizan la misma función. Y que la interfaz con el usuario sea totalmente a través de una web. El desarrollo del proyecto implica un estudio mecánico de materiales y de transferencia de calor. Y por otro lado el desarrollo de la instrumentación electrónica y sistema de comunicación para hacer el sistema inteligente. 1.1 Estado de la técnica Existe un variado número de tecnologías que se utilizan para la climatización de piscinas. Las más utilizadas en la actualidad por su rapidez y simplicidad son los calentadores de gas y eléctricos Pero cada vez más se está pasando a sistemas de energía renovable. Esto incluye las bombas de calor y la energía solar térmica. La primera es más simple y compacta, pero su precio y consumo es muy alto. En cuanto a la energía solar térmica para climatizar piscinas existen 2 tipos de colectores principales: paneles planos sin cubierta y paneles planos con cubierta. Los primeros se usan exclusivamente para climatización de piscinas. Suelen componerse de polietileno de baja densidad resistente a rayos UVA. Cuentan con la ventaja de ser de fácil instalación incluso siendo desmontables para épocas invernales. Sin embargo suele necesitarse una gran extensión porque al ir al descubierto tienen muchas pérdidas por convección. Además la durabilidad es menor al no ir protegido el material absorbedor por una cubierta. En los primeros pasos de este proyecto se decidió que merece la pena añadir una cubierta para reducir las pérdidas. En el caso del controlador inteligente también hay opciones comerciales, pero tienen costes del orden de Resumen de objetivos: Diseñar un panel solar plano con absorbedor de polietileno al estilo de los paneles para piscinas, pero añadiendo una cubierta que con poco incremento de coste aumente mucho la eficiencia. Minimizar el coste será una prioridad. Creación de un controlador inteligente interactivo, cuya interfaz de usuario sea a través de una web que permita monitorizar el sistema de climatización y su configuración. 2 METODOLOGÍA El proyecto tiene dos partes: Mecánica: Estudio termodinámico del sistema, modelado térmico y simulación. Dimensionamiento del sistema de acuerdo a los resultados de la simulación. Especificación del diseño del panel solar, materiales y tamaños elegidos. Electrónica: Instrumentación del sistema. Programación del controlador. Programación de la página web. Creación del sistema de comunicaciones para la interacción con usuario a través de la página web. 2.1 Parte termo-mecánica Modelado térmico del sistema y simulación Para la simulación se utiliza un programa llamado TRNSYS que se especializa en la simulación de sistemas solares térmicos. La configuración de los escenarios de simulación se realiza a través de una interfaz gráfica en que se colocan bloques con diferentes funciones que se interconectan. En este caso se utilizan 5 bloques que modelan: la piscina, el panel, la bomba, la base de datos ambientales y el plotter que registra las variables. Para configurar estos bloques el programa requiere la introducción de unos parámetros. En el caso de la piscina, se requieren las dimensiones y el coeficiente de pérdidas que recoge la energía perdida por convección, radiación, evaporación y conducción. Este coeficiente se calcula resolviendo el problema de transmisión de calor. En el caso del panel solar se requieren las dimensiones, la orientación y la curva característica. Esta curva característica representa la eficiencia del panel para cada punto T f T a G. Donde T f es la temperatura media del fluido [ºC] en el panel, T a es la temperatura ambiente [ºC] y G es la irradiación solar [W/m 2 ]. Esta curva no se puede curva no se puede calcular manualmente con medios matemáticos, sino que debe ser creada experimentalmente a través de ensayos. Para ello se fabrican dos prototipos. Para fabricar estos prototipos se hace un diseño preliminar utilizando dimensiones que se ajusten a la futura localización del panel y materiales que se ajusten a la consigna de bajo coste y que sean comerciales. Ante la duda de idoneidad de los materiales para construir el elemento absorbedor (tubo por el que circula el agua y debe absorber la irradiación solar), se crean dos prototipos utilizando dos materiales y lay-outs diferentes para el elemento absorbedor. Se ensayan los prototipos según el procedimiento que marca la norma UNE-EN Esto consiste en medir la temperatura de los flujos de agua de entrada y salida del panel para dos puntos de operación distintos. Con los resultados de estos ensayos se configura el bloque correspondiente del simulador TRNSYS. Con el sistema modelado en el programa se establecen varios escenarios para comparar resultados y poder tomar decisiones para dimensionar el sistema Dimensionamiento y Especificación del diseño del panel Viendo los resultados se llega a conclusiones sobre qué materiales, qué dimensiones, y qué patrón de funcionamiento de la bomba se debe utilizar. 2.2 Parte de electrónica y comunicaciones Diseño del circuito de control Para controlar el sistema se necesita conocer tres variables. Estas son: la temperatura del agua entrante al panel, la temperatura saliente, y la temperatura del panel. Para medir dichas temperaturas se utilizarán las correspondientes sondas de temperaturas. Para gestionar las lecturas de las sondas, controlar la bomba y comunicarse con el usuario a través de internet se elige un microcontrolador WeMos D1. Este microcontrolador es similar al Arduino Uno, pero lleva integrado el circuito ESP8266 que le hace capaz de conectarse a una red wifi y con ello a internet. Las sondas elegidas para medir las temperaturas son del tipo DS18B20. Estas sondas se comunican con el micro de forma digital mediante protocolo 1-wire. Esto permite comunicar la lectura sin pérdidas utilizando cables de más de 10 metros. Además este protocolo permite usar varias sondas conectadas a un mismo puerto de forma que no se ocupan demasiados pines del microcontrolador. Para comandar la bomba se utiliza un relé de 250V 10A Sistema de comunicaciones Para permitir al usuario monitorizar y configurar el sistema desde la web es necesario un sistema de comunicaciones. La tecnología seleccionada es PubNub. Esta es una red de transmisión de datos orientada a conectar dispositivos a través de internet (IOT). PubNub consiste en una API es del tipo publish/subscribe soportada por una red de streaming formada por 14 centros de datos repartidos por todo el mundo. PubNub permite el uso gratuito a pequeños desarrolladores con unos límites bastante amplios. Una API publish/subscribe consiste en que los dispositivos pueden publicar y leer datos en unos canales a los que se accede con un ID y una clave. En el caso de este proyecto el microcontrolador publica de forma constante la temperatura leída en cada una de las sondas. También retransmite si la bomba está activada y si el panel está caliente. La web se suscribe al mismo canal en el que el microcontrolador está publicando, recibe dicha información, y se la muestra al usuario. El usuario desde la web puede configurar el sistema, por ejemplo, cambiar la temperatura del panel a la que el sistema comienza a funcionar. Para ello en este caso la página publica los datos en un canal y el microcontrolador los lee. 3 RESULTADOS 3.1 Diseño del panel solar El objetivo era diseñar un panel con tubos de polietileno con cubierta. El objetivo se ha cumplido parcialmente. El prototipo con tubo de polietileno funcionó bien durante los primeros días y durante el ensayo, pero después de semanas comenzó a degradarse, reblandeciéndose hasta romperse y producirse fugas. El motivo fueron las altas temperaturas de la superficie metálica, donde se han medido temperaturas superiores a los 100ºC. Es decir, el tubo de polietileno puede ser un buen material como absorbedor solar, ya que el agua en su interior llega a unos 70ºC de máxima, pero no ir colocado sobre una base metálica que se caliente tanto. El prototipo con tubo de cobre continúa funcionando sin problemas varios meses después. 3.2 Controlador e interfaz de usuario El sistema electrónico de control funciona adecuadamente y el usuario puede monitorizar y configurar el sistema correctamente desde la web. 4 CONCLUSIONES Aunque no se han cumplido los objetivos de forma precisa sí que se ha conseguido diseñar un sistema integral de climatización de piscinas con energía solar térmica. Incluyendo el panel, el control y la interfaz de usuario vía web. La consigna de coste también se ha cumplido, pues sin incluir la mano de obra ronda los 716. En el futuro se deberá monitorizar el prototipo (con absorbedor de cobre) para ver su desempeño real. Habrá que realizar labores de mantenimiento que darán lugar a mejoras en el diseño viendo la evolución de los componentes a largo plazo. INTELLIGENT LOW-COST SOLAR PANEL TO HEAT SWIMMING POOLS Author: Estébanez García, Luis Víctor Director: Mochón Castro, Luis Manuel Collaborating Entity: ICAI-Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT 1 INTRODUCTION This project aims to design a complete solar system for swimming pools conditioning based on a flat solar collector and an intelligent controller that allows its monitoring and configuration through the internet. They are established as objectives: The cost must be lower than the commercial products that perform the same function. And that the interface with the user must be totally through a web. The development of the project involves a mechanical study of materials and heat transfer. And on the other hand, the development of electronic instrumentation and communication system to make the system intelligent. 1.1 Prior Art and objective of the Project There is a varied number of technologies that are used for the conditioning of swimming pools. The most widely used today for their speed and simplicity are gas and electric heaters but more and more are moving to renewable energy systems. This includes heat pumps and solar thermal power. The first one is simpler and more compact, but its price and consumption is very high. As for the thermal solar energy to air conditioning pools there are 2 types of main manifolds: flat panels without cover and flat panels with cover. The former is used exclusively for swimming pool conditioning. They are usually composed of low density polyethylene resistant to UV rays. They have the advantage of being easy to install even being removable for winter times. However, a large extension is usually necessary because when exposed they have many losses by convection. In addition, the durability is less as the absorber is not protected by a cover. In the first steps of this project it was decided that it is worth adding a cover to reduce the losses. In the case of the smart controller there are also commercial options, but they have costs of the order of Summary of objectives Design a flat panel solar panel with polyethylene absorber in the style of swimming pool panels, but adding a cover that with little cost increase greatly increases efficiency. Minimizing the cost will be a priority. Creation of an intelligent interactive controller, whose user interface is through a web that allows to monitor the system of air conditioning and its configuration. 2 METHODOLOGY The project has two parts: Mechanics: Thermodynamic study of the system, thermal modeling and simulation. Sizing of the system according to the results of the simulation. Specification of solar panel design, materials and chosen sizes. Electronics: Instrumentation of the system. Programming the controller. Programming of the web page. Creation of the communication system for interaction with the user through the web page. 2.1 Thermo-mechanical part Thermal system modeling and simulation To simulate a program called TRNSYS that specializes in the simulation of solar thermal systems is used. The configuration of the simulation scenarios is done through a graphical interface in which various functions blocks that are interconnected, in this case: pool, the panel, the pump, environmental database and the plotter. To configure these blocks the program requires input parameters. For the pool, it requires the size and the loss coefficient which reflects the energy lost by convection, radiation, conduction and evaporation. This coefficient was calculated by solving the problem of heat transfer. In the case of solar panel, it requires: dimensions, orientation and the characteristic curve. This characteristic curve represents the efficiency of the panel for each working point T f T a G. Where T f is the average fluid temperature [ºC] in the panel, T a is the ambient temperature [ºC] and G is the solar irradiance [W/m 2 ]. This curve cannot be calculated manually using mathematical means, but must be created experimentally by trial. For this, two prototypes are manufactured. To manufacture these prototypes a preliminary design is made using dimensions that fit the future location of the panel and materials that conform to the objectives of low cost and are commercial. Uncertain suitability of materials to build the absorber element (tube through which water flows and must absorb solar radiation), two prototypes using two materials and different layouts for the absorber element are created. prototypes are tested according t
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