Solucionario_Modelos Examen_ Inst. Solares Fotovoltaicas

Instalaciones solares fotovoltaicas Modelos de examen Solucionario

Miguel Moro Vallina © Ediciones Paraninfo

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CAPÍTULO 1. Las energías renovables Cuestiones teóricas

1. ¿Qué es el efecto i nvernadero? ¿Cómo se produce? ¿Se trata de un efecto perjudicial? Respuesta: El efecto invernadero  es un efecto natural   según el cual parte de la energía

radiante de la luz del sol, al ser reflejada por la superficie de la Tierra con una longitud de onda diferente a la inicial, es retenida en la atmósfera gracias a la acción de ciertos gases (vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno). Como tal, es un proceso necesario para el mantenimiento de la vida en la Tierra, pues sin él la temperatura media en la superficie de nuestro planeta sería de -2ºC. 2. ¿A qué hacemos referencia cuando hablamos de cambio climático? Respuesta: A la elevación de las temperaturas medias de la superficie terrestre que se ha

producido por el aumento de la concentración de los gases de efecto invernadero, derivada del desarrollo industrial y la contaminación del aire. 3. ¿Cómo definirías una energía renovable? Respuesta: Renovable es un tipo de energía cuyos ciclos de reposición y consumo estén en la

misma escala de tiempo. Estas energías son sostenibles en la medida en que no comprometen el desarrollo de las generaciones futuras. 4. Describe el ciclo del carbono y dibuja un esquema indicando las principales fuentes y

sumideros de ese proceso. ¿Qué papel desempeña en él la fotosíntesis? Respuesta:  El ciclo del carbono describe los diversos intercambios que se producen en la

biosfera y que tienen como protagonista al carbono, ya sea en formas inorgánicas (CO 2, combustibles fósiles, etc.) como orgánicas (celulosa y otros compuestos). Si un sistema emite más carbono del que consume (un bosque) es denominado fuente; si ocurre lo contrario es denominado sumidero. La fotosíntesis es un proceso responsable de la transformación del CO 2 en compuestos carbonatados orgánicos, que da como resultado la emisión de oxígeno gaseoso (O2). Como ejemplo de esquema ilustrativo de este movimiento, puede considerarse el de la figura 1.1 de la página 3 del libro l ibro de texto.

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CAPÍTULO 1. Las energías renovables Cuestiones teóricas

1. ¿Qué es el efecto i nvernadero? ¿Cómo se produce? ¿Se trata de un efecto perjudicial? Respuesta: El efecto invernadero  es un efecto natural   según el cual parte de la energía

radiante de la luz del sol, al ser reflejada por la superficie de la Tierra con una longitud de onda diferente a la inicial, es retenida en la atmósfera gracias a la acción de ciertos gases (vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno). Como tal, es un proceso necesario para el mantenimiento de la vida en la Tierra, pues sin él la temperatura media en la superficie de nuestro planeta sería de -2ºC. 2. ¿A qué hacemos referencia cuando hablamos de cambio climático? Respuesta: A la elevación de las temperaturas medias de la superficie terrestre que se ha

producido por el aumento de la concentración de los gases de efecto invernadero, derivada del desarrollo industrial y la contaminación del aire. 3. ¿Cómo definirías una energía renovable? Respuesta: Renovable es un tipo de energía cuyos ciclos de reposición y consumo estén en la

misma escala de tiempo. Estas energías son sostenibles en la medida en que no comprometen el desarrollo de las generaciones futuras. 4. Describe el ciclo del carbono y dibuja un esquema indicando las principales fuentes y

sumideros de ese proceso. ¿Qué papel desempeña en él la fotosíntesis? Respuesta:  El ciclo del carbono describe los diversos intercambios que se producen en la

biosfera y que tienen como protagonista al carbono, ya sea en formas inorgánicas (CO 2, combustibles fósiles, etc.) como orgánicas (celulosa y otros compuestos). Si un sistema emite más carbono del que consume (un bosque) es denominado fuente; si ocurre lo contrario es denominado sumidero. La fotosíntesis es un proceso responsable de la transformación del CO 2 en compuestos carbonatados orgánicos, que da como resultado la emisión de oxígeno gaseoso (O2). Como ejemplo de esquema ilustrativo de este movimiento, puede considerarse el de la figura 1.1 de la página 3 del libro l ibro de texto.

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5. Enumera algunas prácticas con las que se puede lograr una disminución en el consumo

de energía en nuestra sociedad. Respuesta: La reducción del consumo eléctrico, por ejemplo, a través del uso de dispositivos

(lámparas, electrodomésticos, etc.) de bajo consumo, la limitación en la climatización del aire, el uso de energías pasivas, etc. En el ámbito del transporte, el uso de medios de transporte colectivos, la limitación en el uso del automóvil, la conducción eficiente, etcétera.

Ejercicios prácticos

1. Analiza la etiqueta energética que ves en la figura. ¿A qué electrodoméstico

corresponde? Describe toda la información que nos proporciona.

Respuesta:  Corresponde a una nevera de la marca Siemens. Las principales características

energéticas que podemos destacar de ella son: eficiencia elevada (A+) y consumo c onsumo anual de 285 kWh en condiciones de trabajo medias. 2. Una vivienda tiene cinco bombillas de 100 vatios y seis de 60 vatios, con un tiempo de

funcionamiento medio de cinco horas diarias. ¿Cuál sería el ahorro anual (en kWh) que se lograría si se sustituyen esas bombillas por otras de bajo consumo (fluorescentes compactas) de 17 y 11 vatios, respectivamente?

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Respuesta: El ahorro resultaría de multiplicar el ahorro en cada una de las bombillas (83 y 49

vatios, respectivamente, por el número de bombillas, el de horas de trabajo y el número de días del año:

3. El ciclo urbano del agua (el proceso de captación, potabilización, bombeo, depuración,

etcétera) es un gran consumidor de energía eléctrica. ¿Qué medidas de ahorro energético crees que se podrían implantar en este ámbito? Respuesta: El ahorro de agua se consigue, en primer lugar con el uso de cisternas de menor

capacidad, uso de perlizadores en los grifos y buenas prácticas como cerrar el grifo mientras nos lavamos los dientes; en el ámbito industrial existe la posibilidad de usar aguas de reciclaje, no potabilizadas, al igual que en el riego de zonas verdes o en el baldeo de las calles.

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CAPÍTULO 2. Introducción a la energía solar Cuestiones teóricas

1. Las reacciones nucleares que se producen en el interior del Sol son reacciones de  fusión. ¿En qué consisten exactamente? Respuesta: La atracción gravitatoria de las masas gaseosas que conforman el Sol comprime el

gas aumentando su presión y su temperatura e incrementando el número de colisiones entre los átomos de hidrógeno. En estas colisiones se producen reacciones de fusión en las que cuatro átomos de hidrógeno se transforman en uno de helio, lo que libera gran cantidad de energía. 2. ¿Qué es el plano de la eclíptica? Respuesta:  El plano de la eclíptica es el plano en el cual la Tierra describe su movimiento

elíptico de traslación. 3. ¿Cuáles son las coordenadas mediante las que se describe la posición del Sol en la

bóveda celeste? Dibuja un croquis indicando la situación y la definición gráfica de dichas coordenadas. Respuesta:  Se trata de dos coordenadas angulares, el azimut y la elevación. El azimut es el

ángulo formado por el meridiano del Sol y el meridiano de un lugar; se toma como referencia la dirección sur en el Hemisferio Norte y la dirección norte en el Sur. La elevación, por su parte, es el ángulo que forman los rayos del Sol con respecto a la horizontal. Como ejemplo de croquis explicativo se puede considerar el de la figura 2.7 del libro de texto (pág. 16). 4. ¿Qué es la irradiancia? ¿En qué se diferencia la irradiancia de la irradiación? Respuesta:  La irradiación mide la energía  por unidad de superficie de cualquier radiación

electromagnética; la irradiancia, por su parte, la  potencia por unidad de superficie. 5. Enumera los principales instrumentos que se emplean para medir la intensidad de la

radiación solar y escribe lo que sepas de cada uno de ellos. Respuesta: Los principales instrumentos de medida son l os siguientes:

-

Piranómetro: aparato de elevada precisión, compuesto por dos semiesferas y una

placa de absorción, con elementos termosensibles debajo de ella. Sirve para captar la radiación directa. © Ediciones Paraninfo

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-

Solarímetro: sensor menos preciso pero más barato que el piranómetro, dotado de

unos sensores de silicio cristalino. -

Pirheliómetro: aparato tubular que se enfoca directamente hacia la luz del Sol,

empleando seguidores de precisión. -

 Albedómetros: Sirven para medir la radiación de albedo y consisten en dos

piranómetros dispuestos hacia arriba y hacia abajo.

Ejercicios prácticos

1. Júpiter está situado a una distancia del Sol de 5,2034 ua. ¿Cuál es la distancia en kilómetros entre el “gigante rojo” y nuest ra estrella? (Dato: 1 ua = 149.597.870

kilómetros.) Respuesta: Puesto que nuestro planeta está, por definición, a una distancia media de 1 ua del

Sol, la distancia entre la Tierra y Júpiter será de 4,2034 ua, es decir,

2. Fíjate en la carta solar de la figura. ¿Cuáles son los valores de acimut y elevación del Sol

en Gijón el 20 de abril a las 10 AM? ¿Cuál es el valor mínimo de la elevación solar a lo largo del año?

Respuesta: A las 10 AM el valor de la elevación es de aproximadamente 59º. El valor mínimo

de la elevación al mediodía se produce, obviamente, el 21 de diciembre y es de aproximadamente 21,5º.

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3. Fíjate en las gráficas de irradiación que proporciona el PVGIS para Oviedo. ¿Cuál es la

irradiación horizontal diaria media en junio? ¿Y la irradiación diaria a 90º de inclinación? ¿Por qué es mayor el primer valor que el segundo? ¿Por qué en invierno ambos valores tienden a igualarse?

Respuesta:  La irradiación horizontal diaria media en junio es de aproximadamente 5,3 2

2

kWh/m . A 90º, sin embargo, su valor es de aproximadamente 2,4 kWh/m . La irradiación sobre un plano horizontal será mayor en verano puesto que el Sol está más elevado sobre el horizonte. Justo lo contrario acontece en invierno: al tener menos elevación, un plano situado perpendicular al suelo captaría más energía procedente de la radiación solar y los valores de la irradiación horizontal y vertical se aproximarían. 4. Calcula el factor de masa aire (AM) para los siguientes ángulos de elevación del sol: (a)

16º; (b) 45º; (c) 70º. Respuesta: Emplearemos la fórmula que hemos introducido en el libro de texto con cada uno

de los ángulos de inclinación: a)

;

b)

;

c)

;

5. A la vista de los valores anteriores, el aumento del factor AM, ¿supone un aumento o

una reducción de la energía recibida? ¿Para qué ángulo de elevación solar AM toma el valor mínimo? Respuesta:  Un aumento del factor AM se corresponde con una reducción en el valor de la

elevación solar, que conlleva una menor captación de energía radiante (debido, entre otros factores, a que la luz experimenta un mayor grado de difusión como consecuencia de su paso por la atmósfera. El valor mínimo de AM se produce para un ángulo de 90º, cuando el Sol incide perpendicularmente en la superficie terrestre.

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CAPÍTULO 3. Células y módulos fotovoltaicos Cuestiones teóricas

1. ¿Qué son los materiales semiconductores? Describe brevemente su estructura atómica

ayudándote de un croquis. Respuesta:  Los

materiales semiconductores son materiales cuyas propiedades de

conductividad eléctrica se hallan a medio camino entre las de los conductores y las de los aislantes. Sus átomos forman una red cristalina; la aportación de energía externa a esta hace que algunos electrones rompan sus enlaces, po r lo que pueden moverse libremente por l a red. Como ilustración de la red cristalina de un elemento semiconductor (el silicio) puede tomarse la figura 3.2 del libro de texto (pág. 32). 2. ¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico? Respuesta: El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando se ilumina un

material. Una de sus aplicaciones prácticas es el efecto fotovoltaico, que permite producir energía eléctrica a partir de la luz. 3. Enumera los tres tipos principales de células fotovoltaicas que se pueden encontrar en

el mercado. ¿Qué diferencias existen entre ellas? Respuesta: Las principales clases o tipos de células fotovoltaicas que podemos encontrar en el

mercado son las siguientes: -

Células de silicio monocristalino:  poseen una estructura muy uniforme; se fabrican en

cilindros que se cortan posteriormente. Tradicionalmente, sus costes de fabricación y su precio han sido más elevados que los de las de silicio policristalino, aunque los precios de ambas clases se han ido aproximando paulatinamente. -

Células de silicio policristalino:  tienen una estructura no uniforme. Se fabrican en

moldes rectangulares y su coste de fabricación es menor, con lo que acaparan la mayor parte del mercado. -

Células de silicio amorfo:   poseen una estructura no cristalina y una eficiencia menor

que las de los anteriores tipos, con la peculiaridad de que dicha eficiencia se degrada y estabiliza en un valor inferior al inicial. Poseen un coste de fabricación bajo.

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4. Las células de un módulo o panel fotovoltaico, ¿se conectan en serie o en paralelo?

¿Por qué? Respuesta:  Las células de un módulo o panel fotovoltaico se conectan en serie porque la

tensión de una sola célula es excesivamente baja, del orden de 0,5 V. La conexión en serie permite obtener en el módulo valores de tensión más elevados, que dependerán, lógicamente, del número de células conectadas. 5. ¿Qué es el Punto de Máxima Potencia de una célula fotovoltaica? Respuesta: Es el punto de la curva característica de la célula en la que esta entrega la máxima

potencia.

Ejercicios prácticos

1. Dibuja el esquema de conexiones que emplearías para medir la tensión de circuito

abierto de una célula fotovoltaica. ¿En qué escala habría que situar el voltímetro para medir adecuadamente dicha tensión? Respuesta:  Se trataría de conectar los polos del voltímetro a los conectores de la célula. Al

tratarse de un simple dipolo, el esquema de conexión de amperímetro y voltímetro es el mismo. La escala debería situarse en el valor indicado para poder medir tensiones de décimas de voltio (notemos que la tensión de vacío de una célula posee valores en el entorno de 0,5 V). 2. Si la tensión de circuito abierto de un panel es de 28,4 V, su corriente de cortocircuito

es de 7,92 A y posee 48 células solares, ¿cuál será la corriente de cortocircuito de cada una de ellas? Respuesta:  Suponiendo que la conexión de las 48 células sea en serie, la corriente de

cortocircuito de cada una será igual a la corriente de cortocircuito del propio módulo, esto es ., 7,92 A. 3. La potencia máxima de una célula fotovoltaica es de 4,02 W, su corriente de

cortocircuito es de 7,85 A y su tensión de circuito abierto es de 642 mV. ¿Cuál es su factor de forma? Respuesta:  Recordemos la definición de factor de forma (FF), cociente entre la potencia

máxima y el productor de tensión de circuito abierto por corriente de cortocircuito:

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4. Un módulo fotovoltaico posee una NOTC de 47ºC. ¿Cuál será la temperatura de

trabajo de cualquiera de sus células si la temperatura ambiente es de 21ºC y el valor 2

de la irradiancia es de 950 W/m ? Respuesta:  Emplearemos la fórmula introducida en el texto para calcular la temperatura de

trabajo de la célula:

5. Fíjate en la curva característica de la figura. ¿Cuáles son los valores de I SC, VOC, IMPP, VMPP

y PMPP de la célula?

Respuesta: Los valores son aproximadamente los sig uientes:

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VOC

0,6 V

ISC

3A

IMPP

2,75 A

VMPP

0,49 V

PMPP

1,35 W

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CAPÍTULO 4. Instalaciones aisladas Cuestiones teóricas

1. Enumera algunas aplicaciones de las instalaciones fotovoltaicas aisladas de red. Respuesta: Posibles aplicaciones son la electrificación de zonas rurales, la de viviendas aisladas

o en condiciones en las que resulta cara la conexión a la red de distribución. 2. ¿Cuáles son los elementos que componen una instalación fotovoltaica autónoma o

aislada? Respuesta: El generador fotovoltaico, el regulador de carga, el acumulador, el inversor y la red

de consumo. Opcionalmente, puede haber también un generador de apoyo (un motor de gasolina o diésel conectado a un alternador) o bien un aerogenerador que alimente la batería  junto con el generador fotovoltaico. 3. ¿Qué es un inversor híbrido? Respuesta:  Es un inversor bidireccional, es decir, que no solamente convierte la corriente

continua procedente del acumulador en alterna para la red de consumo, sino que permite cargar el acumulador a partir de la energía alterna proporcionada por un grupo electrógeno. 4. ¿Cómo almacenan la energía eléctrica las baterías de una instalación solar? Comenta

su principio de funcionamiento. Respuesta: Se almacenan en acumuladores o baterías. En la mayor parte de los casos, se trata

de baterías de plomo-ácido. Cuando la batería está cargada, las placas positivas están recubiertas de óxido de plomo y las negativas de plomo metálico. Con la descarga de la batería se producen reacciones de intercambio de electrones (redox) que generan sulfato de plomo y permiten establecer un flujo de electrones entre los bornes de la batería; al cargarse, la reacción se revierte y se produce de nuevo ácido sulfúrico. 5. ¿Qué funciones desempeña el regulador en una instalación aislada? Respuesta: Por una parte, el regulador controla la carga de la batería e interrumpe la conexión

con el generador fotovoltaico cuando está completamente cargada. Cuando el nivel de carga de la batería desciende por debajo de cierto nivel, se corta la conexión con la red de consumo para evitar descargas excesivamente profundas. Además, la mayor parte de los reguladores

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vienen equipados con un seguidor del punto de máxima potencia para lograr que los paneles trabajen lo más cerca posible del MPP.

Ejercicios prácticos

1. Fíjate en la curva de trabajo (número de ciclos vs.  profundidad de descarga) de una

batería que muestra la figura. Supongamos que en una instalación aislada consideramos que la batería queda inservible cuando su capacidad descienda por debajo del 70%. ¿Cuántos ciclos soportará la batería si la sometemos habitualmente a profundidades de descarga del 25%? ¿Y si la sometemos a profundidades del 50%?

Respuesta: Si sometemos la batería a profundidades de descarga del 25%, esta soportará algo

menos de 1800 ciclos de descarga antes de que su capacidad restante caiga por debajo del 70%; si la sometemos a descargas del 50%, soportará aproximadamente 700 ciclos de descarga. 2. ¿Qué cantidad de energía (en kWh) podemos extraer de una batería de 120 Ah a 24 V

si efectuamos una descarga del 40%? Respuesta: El ejercicio es similar al caso práctico 4. 2 del libro de texto. Calculamos en primer

lugar la energía almacenada por la batería:

La multiplicación de los Ah por los V nos proporciona el resultado en Wh. Si solo descargamos el 40% de dicha energía, el resultado sería 0,4 · 2880 = 1152 Wh = 1,152 kWh. 3. ¿Qué capacidad deberán tener los acumuladores de una instalación fotovoltaica

aislada si el consumo previsto es de 1.650 Wh y se precisa una autonomía de 3 días, con una profundidad máxima de descarga del 55%?

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Respuesta: Emplearemos la fórmula de la capacidad de la batería para resolver el ejercicio:

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4. Calcula la resistencia de un cable de cobre (ρ=0,018 Ω· mm /m a 20ºC) de 20 metros de 2

longitud y 6 mm   de sección. ¿Qué caída de tensión se produce en él si circula una corriente de 7,90 A? Respuesta: La resistencia de un conductor resulta de multiplicar su resistividad por su longitud

y dividirla entre su sección. De este modo:

La caída de tensión en el conductor se calcula multiplicando la corriente por la resistencia del mismo. Si por el cable circula una co rriente de 7,90 A, tendremos una caída de 0,474 V. 5. Una instalación aislada está compuesta por un string  de 10 módulos fotovoltaicos,

cada uno de ellos con una tensión en el punto de máxima potencia de 29,90 V. Si la distancia entre el string  y el regulador de la instalación es de 10 metros, ¿crees que podemos emplear el cable del ejercicio anterior para conectar ambos elementos cumpliendo con los requisitos del pliego de condiciones del IDAE?

Respuesta: La tensión de referencia en la caja de conexiones del string será de 299,0 V, dado

que los módulos están conectados en serie. En el cable podrían producirse unas pérdidas iguales, como máximo, al 1,5% de dicha tensión de referencia para cumplir con el pliego de condiciones del IDAE. Si la distancia entre la caja de conexiones y el regulador es de 10 metros, la corriente deberá recorrer el doble de dicha distancia (polos positivo y negativo) y deberemos considerar 20 m en total. El 1,5% de la tensión de referencia sería:

con lo que las pérdidas calculadas en el cable son sustancialmente inferiores a dicho valor; efectivamente, podríamos emplear dicho cable como conductor.

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CAPÍTULO 5. Instalaciones conectadas a red Cuestiones teóricas

1. Enumera los elementos que componen una instalación conectada a red. ¿Cuál es la

función de cada uno de ellos? Respuesta: Los principales elementos de una instalación fotovoltaica conectada a la red son las

siguientes: -

Generador fotovoltaico, en el que se produce la electricidad.

-

Caja de conexiones, donde se conectan los strings del generador.

-

Inversor, donde se convierte la corriente continua en alterna.

-

Estación de transformación , en la que se incrementa la tensión de la corriente eléctrica

para adecuarla a la de la red de distribución. -

 Junto con todo ello,  debe mencionarse también el cableado de conexión entre los

diversos elementos de la red. 2. ¿Qué funciones desempeña el inversor de una instalación fotovoltaica? Respuesta: Por una parte, el inversor convierte la corriente continua generada por los módulos

fotovoltaicos en corriente alterna para verterla a la red y sincroniza su frecuencia con la de la red eléctrica. Además, suele venir equipado con uno o varios seguidores del punto de máxima potencia, para tratar de que los módulos del generador trabajen tan cerca del MPP como sea posible. 3. ¿Cuál es el efecto perjudicial de las sombras en una instalación fotovoltaica? ¿Cómo se

puede evitar este efecto? Respuesta: Cuando un módulo queda sombreado, las células dejan de comportarse como un

generador eléctrico y comienzan a comportarse como una resistencia, consumiendo parte de la energía producida por el resto de módulos del string. Para evitarlo, las cajas de conexión de los módulos vienen equipadas con diodos de paso ( bypass), que hacen que, cuando un módulo queda en penumbra, la corriente deje de circular por él y lo haga por el diodo. 4. ¿Qué es el aislamiento galvánico? ¿Cómo se logra? Respuesta:  El aislamiento galvánico evita que entre dos partes de un circuito se transfiera

directamente corriente eléctrica (intercambio de electrones). En muchas instalaciones los propios inversores vienen equipados con un transformador 1:1 para proporcionarlo; en otras,

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es el propio transformador de elevación de tensión el que garantiza el aislamiento galvánico con respecto a la red de distribución. 5. ¿Para qué sirve un seguidor ? ¿Qué tipos de seguidores existen? ¿Cuáles son sus

ventajas? ¿Y sus inconvenientes? Respuesta: Los seguidores orientan los módulos fotovoltaicos al compás del movimiento del

Sol. Existen seguidores de uno y dos ejes; los de un eje siguen al Sol en su movimiento acimutal o en su inclinación cambiante a lo largo del año. Los de dos ejes siguen al Sol exactamente en su movimiento en la bóveda celeste, asegurando una orientación óptima con respecto a la fuente de radiación.

Ejercicios prácticos

1. Supongamos que conectamos seis strings  a un inversor trifásico. Cada uno de los strings está formado por 18 módulos de 205 Wp, con una corriente de cortocircuito de

7,80 A y una tensión de circuito abierto de 35,20 V. ¿Qué potencia deberá tener el inversor? ¿Cuál será la tensión máxima de entrada? ¿Y la corriente máxima? Respuesta: La tensión máxima de entrada será igual a la tensión de circuito abierto de uno de

los strings, que calcularemos multiplicando la tensión de circuito abierto de uno de los módulos por el número de paneles de la cadena, es decir:

La corriente máxima habrá de ser la suma de las corrientes de cortocircuito de cada uno de los strings, igual a la de uno de los módulos. Así:

La potencia máxima de entrada del inversor habrá de ser igual al producto de la potencia pico de uno de los paneles por el número total de módulos:

2. Fíjate en las curvas de rendimiento del inversor Helios Power 10065, de Riello. ¿Cuál es

su rendimiento para una tensión de entrada de 700 V y una potencia de salida de 7.000 W? ¿Qué potencia de entrada habrá que proporcionar en ese caso para lograr la mencionada potencia de salida?

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Respuesta:  Para los valores señalados, el rendimiento del inversor es de aproximadamente

96,6%. Calcularemos la potencia de entrada dividiendo la potencia de salida entre el rendimiento:

3. ¿Cuál sería la inclinación óptima de una instalación conectada a red emplazada en la

cordillera del Atlas, a una latitud de 33,5º N? Respuesta:  Como sabemos, si de lo que se trata es de optimizar en la energía total anual

producida por la instalación, para calcular l a inclinación de los módulos se puede seguir la regla de restar 10º a la latitud del emplazamiento. De este modo, la inclinación óptima sería de 23,5º. 4. Supongamos que debemos configurar un generador fotovoltaico para lograr una

potencia pico de 11 kW empleando módulos fotovoltaicos con las siguientes características: Pmáx

230 W

VMPP

29,70 V

IMPP

7,75 A

VOC

36,90 V

ISC

8,35 A

¿Cuántos módulos emplearemos en el generador fotovoltaico de la instalación? Si empleamos un inversor con una corriente máxima de entrada de 34 A, ¿cuántos strings puede tener como máximo la instalación?

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Respuesta: Calcularemos el número de módulos dividiendo la potencia pico necesaria entre la

de cada uno de los módulos fotovoltaicos. Si la potencia pico debe ser de 11 kWp, deberemos emplear:

Habida cuenta de los límites en la tensión de entrada del inversor, el número máximo de strings será cuatro para que la suma de las corrientes de cortocircuito no supere dicho valor. 5. En el anterior inversor, el rango de tensión del seguidor de MPP es de 333 V hasta 500 V. Teniendo en cuenta que el ΔV  de los módulos es de -0,38%/ºC, calcula el número

máximo y mínimo de paneles que podemos conectar en serie en cada string. Respuesta: Supondremos que la temperatura de trabajo de la célula puede variar entre -5º y

50º. De este modo, calcularemos las tensiones máxima y mínima de cada módulo:

De esta suerte, a partir de los datos de tensiones máxima y mínima del seguidor calcularemos el número de módulos: a. Por una parte, la tensión máxima no debería sobrepasar los 500 V, con lo que el número de módulos deberá ser inferior a:

b. Por otra, la tensión mínima no puede ser inferior a los 333 V, con lo que el número de módulos deberá ser superior a:

Como podemos observar, los límites del seguidor restringen considerablemente las posibilidades de elección. En la práctica, podríamos tomar 12 o 13 módulos en cada string; sería preferible este último valor ya que será poco frecuente que se la tensión proporcionada por los módulos llegue a los 41,10 V mencionados. Notemos, en todo caso, que la elección de 13 módulos por string  conduciría a un cierto sobredimensionamiento del generador con respecto a lo calculado en el ejercicio anterior.

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CAPÍTULO 6. Montaje y mantenimiento Cuestiones teóricas

1. ¿Cuáles son las fases en el montaje de una instalación fotovoltaica? Respuesta: Las fases que comprende el montaje de una instalación fotovoltaica aislada son las

siguientes: -

Montaje de las estructuras de soporte y colocación de los módulos fotovoltaicos.

-

Conexión eléctrica de los módulos.

-

Montaje de la batería de acumuladores.

-

Montaje del regulador de carga y el inversor, junto con los accesorios necesarios.

-

Montaje de las protecciones, interruptores, fusibles, cajas de protección y conexiones a tierra.

-

Pruebas y verificación y puesta en marcha de la instalación.

2. ¿Cuáles de los métodos de fijación en el suelo de las estructuras de soporte de una

instalación fotovoltaica te parecen más adecuados? ¿Por qué? Respuesta:  Actualmente, uno de los más empleados es el hincado de los postes de fijación,

que minimiza la obra civil necesaria, acelerando y abaratando el montaje. 3. Explica brevemente (ayúdate de un croquis si es necesario) cómo se fija una instalación

fotovoltaica en una cubierta de teja cerámica. Respuesta: El montaje sobre una cubierta de teja cerámica consta de los siguientes pasos:

-

Fijar la posición de los soportes transversales de los módulos.

-

Colocar los ganchos de soporte (“salvatejas”), en los lugares en los que corresponda

según la posición de las vigas transversales de la cubierta. Los ganchos deben atornillarse a las vigas o cerchas de madera. -

Se rebaja la teja con la amoladora o radial para que asiente de nuevo correctamente y se coloca.

4. ¿Qué aspectos es necesario tener en cuenta en el montaje del regulador y el

acumulador de una instalación aislada? Respuesta: Deberían tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

-

Las baterías deben situarse lo más cerca posible de los módulos.

-

Los locales deben contar con ventilación suficiente para evitar la acumulación de gases producidos durante la carga.

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-

Las baterías deben colocarse sobre una estructura de soporte que las aísle de la humedad del suelo.

-

Todas las celdas de los acumuladores deben ser del mismo tipo y su conexión debe efectuarse siguiendo las especificaciones del fabricante.

-

En cuanto al regulador, si se coloca en el mismo local que las baterías, no debe situarse sobre ellas para evitar que los gases desprendidos lo dañen.

-

En la colocación y la conexión del regulador es necesario seguir las instrucciones proporcionadas por el fabricante.

5. ¿En qué se diferencia el mantenimiento preventivo del mantenimiento correctivo? Respuesta:  El mantenimiento preventivo está destinado a evitar que se produzcan averías,

comprobando los diversos elementos de la i nstalación. El mantenimiento correctivo incluye las acciones que deben llevarse a cabo si se detecta alguna anomalía en el funcionamiento de la instalación o en el mantenimiento preventivo.

Ejercicios prácticos

1. Describe la secuencia de operaciones que se precisarían para fijar una estructura de

soporte de una pequeña instalación fotovoltaica a una pared de hormigón. Respuesta:  La estructura deberá atornillarse a la pared practicando una serie de orificios

profundos con un taladro y, generalmente, fijar la estructura mediante taco químico: antes de la introducción del taco se introduce en el orificio un producto que le proporcionará mayor solidez, resistencia y adherencia a l a pared. 2. Describe la secuencia de operaciones necesaria para fijar una estructura de soporte en

una cubierta de chapa metálica. Respuesta:  Existen varias posibilidades para fijar la estructura de soporte a una cubierta de

chapa metálica. En unas se fija la estructura de la instalación a la propia estructura de soporte de la cubierta, en cuyo caso deberán practicarse los orificios correspondientes, atornillar la estructura y sellar correctamente los mismos para evitar infiltraciones de agua. Si la chapa es capaz de soportar el peso de la instalación y las fuerzas a las que podrá verse sometida por la acción del viento, se puede fijar la estructura a la propia chapa mediante piezas trapezoidales y tornillos autotaladrantes. 3. ¿Cómo podemos obtener una batería de acumuladores de 24 V y C 120=2.450 A·h o

superior con celdas de acumuladores de 2 V y C 120=420 A·h? Respuesta: Para lograr una tensión de 24 V deberemos conectar 12 celdas en serie. ¿Cuántas

ramas en paralelo habremos de colocar? Dividiremos la capacidad que, como mínimo, debe tener el acumulador entre la capacidad de cada una de las celdas:

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Por tanto, con 6 ramas en paralelo de 12 celdas cada una   obtendremos un acumulador de capacidad ligeramente superior a la solicitada (2520 Ah). 4. Supón que eres la persona encargada del montaje de una instalación fotovoltaica

aislada de 5 kW de potencia, con un coeficiente de seguridad del acumulador de 3 días, un inversor híbrido y apoyo de un grupo electrógeno de gasolina. Detalla qué pruebas de puesta en marcha sería necesario efectuar en esa instalación. Respuesta: Sería necesario efectuar las siguientes pruebas:

-

Funcionamiento de los módulos fotovoltaicos,   que en un día soleado deberán

proporcionar una tensión de circuito abierto cercana a los valores de la hoja de características. -

Funcionamiento de la batería: la tensión y la intensidad de los elementos de la batería

debe ser la adecuada. -

Comprobación del regulador y del seguidor del punto de máxima potencia.

-

Comprobación del funcionamiento del inversor,  tanto en su conversión de continua a

alterna como en la conversión inversa cuando el grupo electrógeno funciona para cargar la batería. -

Comprobación de los elementos auxiliares y de protección.

5. En la instalación anterior, ¿qué pruebas de vigilancia y mantenimiento preventivo será

necesario efectuar? ¿Con qué periodicidad? En principio, las pruebas necesarias serían las siguientes: -

Módulos: inspección de limpieza y de posibles daños cada 6 meses.

-

Carcasa de los módulos: inspección de deformaciones, oscilaciones y estado de la

conexión a tierra cada 12 meses. -

Conexiones:  inspección y reapriete de bornes y conexiones; estado de los diodos de

paso; inspección cada 12 meses. -

Estructura:  estado general, indicios de corrosión y reapriete de tornillos cada 12

meses. -

Batería:  este constituye, como es lógico, un aspecto fundamental en la instalación

aislada. Cada 6 meses será necesario comprobar la densidad del electrolito; cada 12 habrá que inspeccionar los terminales y el estado de las conexiones; cada 24, por último, será preciso comprobar el nivel del electrolito. -

Regulador: cada 12 meses habrá que inspeccionar su estado y su funcionamiento, así

como sus terminales de conexión. -

Inversor: inspección de su estado cada 12 meses.

-

Cableado: cada 12 meses será preciso comprobar la estanqueidad y la protección de

las cajas de conexión.

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-

Elementos de protección:  cada 12 meses habrá que comprobar el funcionamiento y la

actuación de los elementos de seguridad y las protecciones de la instalación.

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CAPÍTULO 7. Normativa y seguridad Cuestiones teóricas

1. Al estudiar el marco normativo de la energía solar fotovoltaica se hace referencia a

normativas y a recomendaciones. ¿Cuál es la diferencia entre ambas? Respuesta: Las normativas son de obligado cumplimiento y son dictadas a través de diversos mecanismos legales; las recomendaciones actúan como “criterios de buenas prácticas”. 2. Los pliegos de condiciones del IDAE, ¿proporcionan normas o recomendaciones? ¿Cuál

es su principal utilidad? Respuesta:  Los pliegos del IDAE son pliegos de recomendaciones; plantean una serie de

requisitos que deberían cumplir las instalaciones fotovoltaicas. La instalación debe adecuarse a ellos si se quiere optar a algún tipo de subvención pública. 3. Explica, en pocas palabras, en qué consiste el Régimen Especial de Producción

Eléctrica. Respuesta:  El Régimen Especial, aplicable a todas las energías renovables hasta ciertos

máximos de potencia, plantea una serie de incentivos (de carácter temporal) para las instalaciones que lo necesiten, para situarse en posición de competencia en un mercado libre, teniendo en cuenta que sus mayores costes de generación no les permitirían dicha posición. 4. ¿En qué consiste el riesgo eléctrico? ¿Está causado por la intensidad o la tensión? ¿A

partir de qué valores supone un peligro mortal? Respuesta:  El riesgo eléctrico se deriva de que, cuando una corriente circula por el cuerpo

humano, altera las funciones básicas del sistema vegetativo. A partir de los 30 mA se produce una parálisis respiratoria; a los 75 mA, una fibrilación cardíaca irreversible; a partir de 1 A se produce el paro cardíaco y la muerte. 5. Enumera algunos de los elementos de protección e indumentaria con los que debe

contar el personal encargado del montaje de una instalación fotovoltaica. Respuesta: Entre la indumentaria necesaria puede destacarse la siguiente:

-

Casco protector de la cabeza.

-

Guantes para manejar material eléctrico.

-

Calzado de seguridad.

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-

Cinturón o arnés de seguridad.

-

Gafas protectoras.

Ejercicios prácticos

1. Supón que eres la persona encargada de montar y poner en marcha una instalación

fotovoltaica conectada a red de 11 kW nominales. ¿Qué normativa deberíamos aplicar? ¿Qué recomendaciones seguirías? Respuesta: La normativa aplicable es el REBT y, particularmente, la ITC-BT-040 (Instalaciones

Generadoras). Las recomendaciones que deberían seguirse son el pliego de condiciones del IDAE y las diversas Normas Técnicas de AENOR y otros organismos de certificación. 2. ¿En qué tipo de instalación (y, por tanto, de tarifa eléctrica) se encuadraría la

instalación mencionada según el Real Decreto 1578/2008? Respuesta: Si la instalación está situada en una cubierta, se encuadraría en el Tipo I y subtipo

A, al ser inferior a 11 kW. 3. ¿Sería de utilidad consultar el Código Técnico de la Edificación en esta instalación?

¿Por qué? Respuesta: Sí, sería de utilidad en aspectos como el cálculo de la estructura de soporte y las

cargas máximas admisibles. En el caso de que la instalación forme parte de un edificio público, deberá consultarse también el Código Técnico, que establece el porcentaje mínimo de la demanda eléctrica del edificio que debe cubrirse con generación fotovoltaica. 4. Detalla todas las medidas de seguridad que se deberían aplicar en las diversas fases del

montaje de la instalación del ejercicio 1. Respuesta:  Por un lado, se precisarían medidas de seguridad para evitar el riesgo eléctrico:

señalización de peligro de contactos eléctricos en las inmediaciones del generador y en los lugares en los que exista riesgo de contacto, configuración flotante en la parte de continua y neutro a tierra en la de alterna, interruptores diferenciales, etc. En el montaje de la instalación el personal debería contar con la indumentaria y las protecciones preceptivas (casco, guantes, calzado de seguridad, arnés, gafas protectoras…). Al tratarse de una instalación en cubierta,

por otra parte, se aplicará también la normativa de trabajos en altura, para evitar caídas y desplomes. 5. ¿Necesitaría la instalación un estudio de seguridad y salud? ¿Qué aspectos

comprendería?

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Respuesta: Sí, al tratarse de una instalación de más de 10 kW necesitaría un Proyecto Técnico

que comprenda un estudio básico de seguridad y salud. Este debe comprender los siguientes aspectos: -

En la introducción debe incluirse información general sobre el estudio, justificando la existencia de un mero estudio básico y especificando los datos de la obra.

-

Deben indicarse las normas de seguridad aplicables en la obra.

-

El aspecto más importante del estudio debe ser la identificación de los riesgos y las medidas para su prevención: caída al vacío, caída de objetos sobre los operarios, lesiones, etcétera.

-

Deben especificarse aspectos tales como las medidas de formación que recibirá el personal, así como las medidas de primeros auxilios disponibles in situ.

-

Deberán señalarse las obligaciones del promotor de la obra, así como las tareas del Coordinador de Seguridad y Salud.

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CAPÍTULO 8. La energía eólica Cuestiones teóricas

1. En las zonas costeras, el aire experimenta una circulación cíclica a lo largo del día.

¿Cómo se produce esta circulación? ¿A qué causas se debe? Respuesta: Durante el día, la capa de la atmósfera en contacto con el agua de los océanos se

encuentra más fría que la de la superficie terrestre, con lo que las capas de aire en contacto con la tierra aumentan de temperatura, se dilatan y pierden presión; ello origina un movimiento de aire fresco del mar hacia la costa. Durante la noche, el proceso se invierte, puesto que la capa en contacto con el agua está ahora más cálida que la de la superficie, con lo que se produce un movimiento de brisa hacia el mar. 2. Explica brevemente cómo se produce la fuerza de sustentación que hace que se

muevan las palas de un aerogenerador. Respuesta: Debido a la forma del perfil de la pala, la velocidad del aire que circula por la parte

superior de la pala es mayor que la velocidad del que circula por la parte inferior. Con ello se genera una depresión en la parte superior y una sobrepresión en la inferior que da lugar a una fuerza resultante. 3. ¿Cuáles son las principales técnicas de regulación de potencia que se emplean en los

aerogeneradores de pequeño tamaño? ¿Y en los grandes aerogeneradores? Respuesta:  Los aerogeneradores de pequeño tamaño emplean mecanismos pasivos como la

regulación por puesta en bandera y el cabeceo; los de mayor tamaño emplean la entrada en pérdidas y la variación del ángulo de ataque de las palas. 4. ¿Qué factores limitan el rendimiento de un aerogenerador? Respuesta: Los principales factores limitantes son los siguientes:

-

El límite impuesto por la ley de Betz.

-

Las pérdidas por fricción en las palas de la turbina.

-

Las pérdidas mecánicas en los rodamientos.

-

Las pérdidas en la conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.

-

Las pérdidas derivadas de la conversión de potencia y el cableado.

-

Los efectos derivados de la desorientación del rotor y de la “sombra” generada por

otros aerogeneradores u obstáculos.

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5. ¿Cuáles son los principales impactos ambientales que genera un parque eólico? Respuesta: Pueden citarse los siguientes impactos:

-

La obra civil necesaria para la entrada de vehículos de transporte y colocación.

-

Los efectos sobre las aves y sus vías de movimiento y migraciones.

-

El ruido que producen las palas del rotor al chocar contra el viento.

-

El impacto visual generado por los aerogeneradores.

Ejercicios prácticos

1. Para una velocidad del viento de 13 m/s, el aerogenerador G90, de Gamesa, con un

rotor de 90 metros de diámetro, proporciona una potencia nominal de 2,0 MW. ¿Cuál es el rendimiento global del aerogenerador para esa potencia? Supón que la densidad 3

del aire es de 1,225 kg/m . Respuesta: La energía cinética de la masa de aire que atraviesa el círculo descrito por las palas

del rotor es la siguiente:

Por tanto, el rendimiento global del generador sería de

2. Supón que eres la persona encargada del montaje de una instalación fotovoltaica

aislada de 10 kW nominales y te encargan complementar el generador fotovoltaico con un aerogenerador de pequeño tamaño. ¿Qué características (regulación, orientación, estructura de soporte) debería tener ese aerogenerador? Respuesta:  La estructura de soporte puede ser un mástil o bien, al tratarse de un

aerogenerador de pequeño tamaño, de soportes atirantados. La regulación y la orientación puede efectuarse mediante métodos pasivos: por ejemplo, la o rientación mediante una simple veleta y la regulación mediante puesta en bandera o cabeceo. 3. Fíjate en la curva de potencia de un aerogenerador que se muestra en la figura. ¿Qué

podríamos decir de su curva de rendimiento? ¿Aproximadamente, para qué velocidad crees que el rendimiento de la máquina será máximo?

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Respuesta:  La potencia generada crece con la velocidad del viento hasta estabilizarse para

velocidades situadas entre los 11 y los 21 m/s, para, a continuación, decrecer por entrada en pérdidas o variación del ángulo de ataque. El máximo rendimiento global de la máquina, por tanto, tiene lugar para una velocidad del viento de aproximadamente 12 m/s, porque a partir de ella, aunque la energía cinética del viento crece (al aumentar la velocidad), la potencia producida por el aerogenerador sigue siendo la misma.

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CAPÍTULO 9. La energía solar térmica y termoeléctrica Cuestiones teóricas

1. Cita todas las aplicaciones que conozcas de la energía solar térmica. Respuesta: Aplicaciones usuales de la energía solar térmica son: la obtención de agua caliente

sanitaria, la calefacción o el apoyo a sistemas de calefacción, el calentamiento de piscinas y diversas aplicaciones industriales, tanto en el ámbito de las bajas como de las medias y las altas temperaturas. Además, en los sistemas de refrigeración por absorción, la energía solar térmica puede emplearse también para producir frío, tanto doméstico como industrial. 2. Explica las diferencias entre los sistemas de energía solar térmica de termosifón y los

de circulación forzada. Respuesta: En un sistema por termosifón, el fluido caloportador se mueve de modo natural ,

aprovechando las diferencias de densidad originadas por las diferencias de temperatura. Este tipo de equipos, al no necesitar energía eléctrica para bombear agua, son menos costosos y más fáciles de mantener, aunque el acumulador debe situarse por encima de los colectores y hay que diseñar mecanismos para evitar el efecto de termosifón inverso. En los sistemas de circulación forzada hay una o más bombas que hacen circular el agua entre los colectores y el sistema de acumulación. Son instalaciones más caras y de mayor mantenimiento pero más versátiles; se usan principalmente en las instalaciones de mediano y gran tamaño (aplicaciones industriales, calentamiento de piscinas, calefacción, etc.) 3. ¿Qué función cumplen los colectores  de una instalación solar térmica? Explícalo en

breves palabras. Respuesta: Cumplen la función de captar la energía radiante de la luz solar y transformarla en

energía térmica, principalmente aprovechando las propiedades de captación de una o varias superficies de color negro. Posteriormente dicha energía se trasmite a un fluido caloportador, fluido que entrará en el circuito de consumo de la instalación o que pasará por un intercambiador. 4. ¿Qué se entiende por energía solar termoeléctrica? Respuesta:  La energía solar termoeléctrica es la utilización de la energía solar térmica para

producir energía eléctrica, principalmente mediante la producción de vapor de agua a presión y temperaturas elevadas que se emplea para alimentar una turbina conectada a un alternador.

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5. ¿En qué se diferencia el sistema de captación de una instalación de baja temperatura y

una de media o alta temperatura? ¿Cómo se produce, en estas últimas, la concentración de la energía solar? Respuesta: El sistema de captación de una instalación de baja temperatura suele ser plano y

emplea la radiación solar tal como incide sobre él, sin concentración alguna; ello limita el rango de temperaturas alcanzables en el fluido a menos de 100ºC. En los sistemas de captación de las instalaciones de media y alta temperatura se efectúa una concentración de los rayos solares, ya sea mediante concentradores cilindro-parabólicos o mediante helióstatos que dirigen los rayos hacia una torre central.

Ejercicios prácticos

1. Un establecimiento consume una media de 5.000 litros de agua al día, que se toma de

un acuífero con una temperatura casi constante durante todo el año de 12ºC ¿Cuánta energía aporta la instalación si eleva la temperatura a 40ºC? [Dato: para elevar la temperatura de 1 kilogramo (1 litro) de agua en 1ºC se necesitan aproximadamente 4,18 KJ de energía.] Respuesta: Resolveremos el ejercicio de modo similar a como hemos efectuado en el ejercicio

práctico 9.1, teniendo en cuenta que el incremento térmico que debe experimentar el agua es de 28ºC:

2. Si en lugar de la instalación solar antes mencionada se emplease una caldera de gasoil

con una eficiencia del 85%, ¿cuánto combustible se gastaría al día? ¿Y al año? [Dato: La energía que aporta la combustión del gasoil (poder calorífico) es de aproximadamente 42.275 kJ/kg.] Respuesta: A la luz de los datos proporcionados, la cantidad de combustible que se gasta en un

día es la siguiente:

La cantidad consumida durante el año resultará de multiplicar esta cantidad por los 365 días:

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