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    Sistemas solares en los Andes peruanos II

    el 2015/03/30 en Bioclimatismo, Blog, Calefacción y Refrigeración, Consejos en línea, Ingeniería / Consultoría, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

    Cámaras Calientes 

    Según comunicación del profesor Dr.Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro de Perú  [1], “el Grupo de Energía Solar de la UNCP realizo una investigación con el objetico de determinar cuál es la configuración del sistema de calefacción que influye eficientemente en reducir el friaje en viviendas del alto-andinas [1].

    El frío impacta con mayor fuerza en los pobladores del alto-andinos, y con mayor razón en poblaciones pobres. Sin embargo, durante los meses de intenso frío el cielo es despejado con una relativa alta radiación solar que podría almacenaje para utilizarse durante las noches que es el momento donde las temperaturas bajan en extremo”.

    Beneficiados

    La cantidad de viviendas beneficiadas en este proyecto con la instalación de Muro Trombe o Cámaras Calientes para la calefacción son 31 vivendas ubicadas en los ditritos de San José de Quero y Yanacancha de las provincias de Concepción y Chupaca de la regón de Junín en el Perú.

    El muro Trombe 

    ¿Qué es un muro Trombe?

    Es un captador-acumulador-emisor de la energía solar cuya función es calentar espacios, cámaras, habitaciones durante la noche. En la Figura 1 se muestra en esquemas detalles de un muro Trombe y de la cámara caliente

    Muro Trombe y cámara caliente solar

    Fig. 1. Muro Trombe con pared y lecho de piedras.

    El muro Trombe está compuesto por una superficie transparente, de vidrio o de plástico, una cámara de aire y un acumulador másico de calor por calor sensible que puede ser una pared (muro) o un lecho de piedras, que permite durante el día solar  acumular la energía solar en forma de calor sensible para disipar este calor durante la noche.

    Detalles constructivos de la cámara caliente

    En las Figuras 2 y 3 se muestran detalles constructivos de las cámaras calientes del muro Trombe.

    Lecho de piedras de muro TrombeFig. 2. Lecho de piedras de las cámaras calientes.

    Cubierta transparente de muro Trombe

    Fig. 3. Cubierta transparente del muro Trombe.

    Condiciones ambientales y actinométricas

    En [1] se selecciono 6 viviendas de las 31 para realizar un estudio de su comportamiento térmico. Estas viviendas se encuentran ubicadas entre los 3652 msnm y 3900 msnm. Las horas de sol que recibe la cámara caliente varía en función de su orientación geográfica, este número oscilo entre 6 y 8 horas al día.

    Alturas solares en hemisferio surAl encontrarse las viviendas ubicadas en el hemisferio Sur de nuestro planeta, la menor altura solar de 54°se alcanza el 21 de junio y la mayor altura soalr de 101° el 21 de diciembre como se muestra en la Fig.4.

    Fig. 4. Alturas solares en Hemisferio Sur [1].

    Registro de temperaturas

    Según [1], el registro de las mediciones de las temperaturas de la cámara, habitación se realizó entre las 11:00 h y las 13:00 h medios a intervalos de 15 minutos. Durante la medición los conductos de aire estaban abiertas.

    Temperaturas en viviendas con muro TrombeEl promedio de las temperaturas se muestra en la Tabla 1. Estos resultados muestran que los muros Trombe con cámaras calientes mejoran las condiciones de vida de sus pobladores y por consiguiente su salud.

    Ejemplos de viviendas muro Trombe y cámaras caliente

    Muro Trombe_cámara caliente solar_Andés peruanos

    Referencias

    1. Espinoza Montes, C.A. “Sistema de calefacción solar para reducir el friaje en viviendas alto andinas”. Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro de Perú, 2014.
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    por Marcos

    CFD para el estudio y optimización del comportamiento térmico de paneles fotovoltaicos integrados en cubierta

    el 2015/02/23 en Blog, Energía Solar Fotovoltaica, I & D / Innovación, Ingeniería / Consultoría

    1. Introducción

    Por regla general se distinguen dos modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos (FV): integrados y no integrados. La elección de uno u otro modelo depende de muchos factores, como pueden ser: criterios de diseño arquitectónico, optimización de espacios físicos disponibles en la instalación, búsqueda de la máxima eficiencia de conversión fotovoltaica, etc. Son ejemplos de modelos no integrados (Fig. 1a) los paneles fotovoltaicos instalados en viviendas unifamiliares, escuelas, hospitales, estacionamientos, etc., mientras que los modelos integrados (Fig. 1b) los podemos encontrar en cubiertas de edificios, caballerizas, almacenes, etc.

    fig01

    Figura 1. Ejemplos de modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos: (a) No integrado, (b) Integrado.

    En las instalaciones integradas en cubierta, los paneles fotovoltaicos deben instalarse juntos herméticamente, sin dejar espacio entre ellos. Para conseguir el enfriamiento de dichos paneles se utiliza un canal de ventilación de aire ubicado debajo de ellos, con circulación natural o forzada. En este caso, las temperaturas máximas de los paneles son más elevadas respecto a las instalaciones no integradas, al haber menos espacio para la circulación del aire. Se conoce que temperaturas elevadas en los paneles fotovoltaicos afectan negativamente a la eficiencia de conversión fotovoltaica y por consiguiente a la generación de electricidad. Por ejemplo, en el caso de los paneles de silicio cristalino se reporta una caída de la potencia generada de hasta 0,5% por cada grado centígrado de aumento en su temperatura. En algunos casos, si el diseño es inapropiado, las altas temperaturas pueden incluso dañar la integridad física de la planta FV, afectando los propios paneles fotovoltaicos, así como sus conexiones y componentes eléctricos anexos. Los máximos valores de temperatura que alcanzan los sistemas integrados se convierten en la variable térmica más crítica del diseño. Está reportado que las temperaturas de los paneles fotovoltaicos deben mantenerse por debajo de 70 ºC (Wen I-Jyh et al, 2008).

    Otra desventaja de los modelos integrados respecto a los no integrados es la inevitable aparición de elevados gradientes de temperatura entre los paneles, a lo largo del canal de ventilación. Se conoce que las diferencias elevadas de temperatura entre cadenas de módulos FV, conectadas en paralelo, pueden provocar gradientes de voltaje que agravan aún más los problemas térmicos, generando nuevas fuentes de disipación de calor en puntos localizados.

    El diseño apropiado del canal de ventilación de aire depende de muchos factores como: el espesor del canal, la forma de su entrada y salida, su inclinación, su longitud, la forma de los marcos y separadores, las propiedades físicas de los materiales, etc. (Alain Guiavarch et al, 2006).

    La disipación de calor en los paneles fotovoltaicos combina mecanismos complejos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación, cuya fenomenología difícilmente puede ser abordada con métodos de cálculo convencionales. Estudios de este tipo necesitan el uso de técnicas avanzadas de análisis, como son las simulaciones numéricas de alto nivel CFD (Computational Fluid Dynamics) (John David Anderson, 1995). En base a estas técnicas, en el presente trabajo se estudia el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos, integrados sobre la cubierta, con el fin de proponer diseños óptimos de los sistemas de enfriamiento por aire, con convección natural o forzada, que nos permitan evitar valores críticos de temperaturas en los paneles y, por consiguiente, mejorar su rendimiento y garantizar la fiabilidad técnica del sistema.

    Las simulaciones numéricas CFD nos permiten obtener una descripción detallada de la distribución de las variables del fluido (temperaturas, velocidades y presiones). La ventaja de este tipo de estudio es que los diseños propuestos pueden ser simulados en una fracción muy reducida de tiempo, comparado al caso de tener que construir montajes experimentales, con el costo añadido que ello conlleva.

    2. Modelos de estudio

    2.1 Descripción de los casos

    fig02

    Figura 2. Modelo geométrico bidimensional, conformado por una habitáculo, sobre cuya cubierta se dispone de una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos.

    En la Fig. 2 se representa el modelo geométrico estudiado. El caso corresponde a un habitáculo bidimensional en el plano x – y, cuya cubierta está inclinada 19 grados respecto del plano horizontal. El modelo bidimensional está justificado debido a que se considera que la tercera dimensión es mucho mayor en longitud respecto a las otras dos dimensiones, tal y como se presenta en aplicaciones reales. Por encima de la cubierta se ha colocado una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos, que mantienen una separación de 13 cm respecto de la cubierta; dicho espacio actúa como canal de ventilación de aire.

    Tomando como referencia el modelo general de la Fig. 2, en el presente trabajo se han simulado numéricamente seis casos, que corresponden a la combinación de cuatro tipos de canales, distintos geométricamente entre sí, y a su condición de sistema solar activo o pasivo. En las Fig. 3 a 8 se describen los principales detalles de cada uno de los casos.

    fig03

    Figura 3. Caso A: Canal de ventilación con separador de aluminio de sección 3 x 3,7 cm.

    fig04

    Figura 4. Caso B: Canal de ventilación con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig05

    Figura 5. Caso C: Canal de ventilación con obstáculos periódicos de sección 3,7 x 3,7 cm, ubicados en su base, y con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig06

    Figura 6. Caso D: Inclusión de un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos están separados mediante un material aislante térmico. La longitud del nuevo canal es de 300 cm y su ancho es 3,7 cm. Se han practicado dos aperturas adicionales en el material aislante de 3,7 cm para el paso del aire. La sección del separador de aluminio reducido es 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig07

    Figura 7. Caso E: Geometría similar al caso B, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    fig08

    Figura 8. Caso F: Geometría similar al caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    Las principales características de cada uno de los casos se describen a continuación:

    • Caso A (Fig. 3): Sistema pasivo, cuya cubierta está inclinada 19º respecto de la horizontal. Se considera una cadena de cinco paneles fotovoltaicos, de 75 cm de longitud cada uno y de espesor 3,85 mm. Todos ellos están integrados sobre la cubierta, unidos entre sí mediante separadores de aluminio de sección 3 x 3,7 cm. Se asume una separación de 13 cm entre los paneles fotovoltaicos y la cubierta del habitáculo.
    • Caso B (Fig. 4): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso A, excepto en el tipo de separador de aluminio, que en este caso es reducido, con sección 3,7 cm x 7,7 mm.
    • Caso C (Fig. 5): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso B, excepto en la forma de la base del canal de ventilación. Con la finalidad de estudiar los efectos de turbulencias en el aire, se han agregado obstáculos periódicos en la base del canal (de sección 3,7 x 3,7 cm), separados entre sí por una distancia de 33,8 cm.
    • Caso D (Fig. 6): Sistema pasivo, basado en la geometría del caso B, sobre la cual se ha incluido un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos separados mediante un material aislante térmico. La longitud de este nuevo canal cubre la distancia de los primeros cuatro paneles fotovoltaicos, siendo su longitud total de 300 cm y su ancho de 3,7 cm. Con la finalidad de dar paso al aire de ventilación, se han practicado dos aperturas en el material aislante de 3,7 cm, ubicadas en las partes central y final del canal de ventilación paralelo. El objetivo del nuevo canal es obtener aire de refrigeración en las zonas finales de la cadena de paneles, bajo condiciones de temperatura de aire a la entrada.
    • Caso E (Fig. 7): Sistema activo, en este caso se repiten las características geométricas del caso B, siendo la diferencia principal la inclusión de un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.
    • Caso F (Fig. 8): Sistema activo, basado en la geometría del caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.

    2.2     Condiciones de modelización

    Los casos estudiados están gobernados por las ecuaciones de Navier – Stokes (conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía). Para llevar a cabo el análisis numérico se ha hecho uso del código comercial CFD FLOTRAN, componente del software de uso general ANSYS.

    Como condiciones principales de simulación se han considerado flujo incompresible en régimen permanente, laminar o turbulento según el caso, propiedades físicas variables y geometrías bidimensionales. Todos los casos han sido validados numéricamente mediante un estudio de densificación de la malla. El estudio de validación nos ha permitido obtener los resultados asintóticos de las variables de interés: los campos de velocidad y temperatura.

    Para la partes sólidas del modelo: panel fotovoltaico, separadores de aluminio y material aislante, se han considerado las conductividades térmicas: 0,16; 209 y 0,065 W/mK, respectivamente.

    Para las condiciones de ambiente exterior lejano se considera que la velocidad media es de 1 m/s y la temperatura ambiental igual a 24ºC. Para las condiciones de irradiación, se considera que el valor medio de la potencia superficial exterior es igual a 1000 W/m2. Como valor práctico se estima que el 54,7% de la potencia superficial exterior es la cantidad que debe disipar en forma de calor cada panel fotovoltaico. Este es el valor de la radiación solar que en el panel se convierte en energía térmica, descontando las cantidades de radiación solar que se pierden por reflexión y la que se transforma en energía eléctrica.

    3. Resultados

    Para el caso A se ha obtenido el peor comportamiento desde el punto de vista térmico. El pico de temperatura se ubica en la parte final del primer panel fotovoltaico, con una valor de 109,6 ºC (Fig. 9), dato muy por encima del valor recomendado (Wen I-Jyh et al, 2008). En este panel también se obtiene el máximo gradiente de temperatura: 78,3 ºC (Fig 10). Los resultados obtenidos del mapa de velocidades (Fig. 11) nos permiten apreciar que los órdenes de magnitud de esta variable son muy bajos en la parte inferior inmediata de los paneles fotovoltaicos respecto de otras zonas, lo que repercute negativamente en el proceso de transferencia de calor y por consiguiente empeora la disipación calor. La causa principal de este comportamiento es el modelo de separador de aluminio, cuyas dimensiones obstaculizan el flujo de aire y generan zonas de estancamiento “aguas abajo” de su posición. Evaluando las zonas de aire en la parte superior del canal, expuestas al ambiente, se obtiene velocidades bajas en los primeros paneles, lo que agrava aún más la disipación de calor y condiciona a que el primer panel tenga el peor comportamiento térmico. Esto depende fundamentalmente del perfil aerodinámico del panel en la entrada del canal y de la dirección de impacto de los vectores de velocidad del aire.

    Los resultados del caso B mejoran sustancialmente los obtenidos en el caso anterior. La causa principal de esta diferencia es la modificación de la geometría del separador de aluminio. En este caso el separador ejerce una mínima obstrucción al paso del aire, desapareciendo las zonas de estancamiento de aire que se presentaban en el caso A. Es decir, con esta modificación se ha conseguido optimizar el proceso de disipación de calor. La temperatura máxima obtenida en el caso B es de 84,1 ºC (Fig. 12), mientras que el máximo gradiente de temperatura es de 46,4 ºC (Fig. 13). En la Fig. 14 se puede apreciar el flujo ininterrumpido del aire dentro del canal de ventilación, con valores bajos del campo de velocidades cerca de las partes sólidas, debido al comportamiento natural de zona de capa límite.

    En la configuración propuesta para el caso C, con obstáculos periódicos ubicados en la base del canal, el objetivo es romper las zonas de capa límite y crear movimientos turbulentos del aire, buscando mejorar el proceso de transferencia de calor. No se ha obtenido una diferencia significativa en los picos de temperatura con respecto al caso anterior, debido fundamentalmente a que el movimiento del fluido está basado en un sistema pasivo. La máxima temperatura obtenida fue de 83,9 ºC (Fig. 15), mientras que el máximo gradiente de temperaturas es 47,5 ºC (Fig. 16), obtenido en el primer panel, como en el caso anterior.

    La configuración propuesta para el caso D, con un canal de ventilación paralelo al canal principal, tiene como objetivo aportar aire en condiciones de temperatura de entrada hacia los paneles fotovoltaicos, próximos a la salida del canal de ventilación. Los resultados térmicos obtenidos no presentan grandes diferencias respecto de los casos B y C. La máxima temperatura obtenida fue 83,4 ºC (Fig. 18).

    El caso E corresponde a un sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso B. Esta solución implica colocar algún mecanismo que condicione la convección forzada en la entrada del canal, manteniendo una velocidad media del aire en 3 m/s. Tal y como se esperaba, se aprecia una reducción importante de temperatura respecto de los casos anteriores. La temperatura máxima obtenida es 72,3 ºC (Fig. 20).

    El caso F es otra variante de sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso C. Se impone para esta caso que la velocidad media del aire en la entrada del canal se mantenga en 3 m/s, a través de algún mecanismo de ventilación forzada. Este caso mejora sustancialmente las prestaciones de los sistemas pasivos anteriores, e incluso mejora moderadamente los valores obtenidos en el caso E. La temperatura máxima del caso F fue de 69,2ºC (Fig. 22).

    fig09

    Figura 9. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig10

    Figura 10. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig11

    Figura 11. Caso A: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig12

    Figura 12. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig13

    Figura 13. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig14

    Figura 14. Caso B: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig15

    Figura 15. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig16

    Figura 16. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig17

    Figura 17. Caso C: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig18

    Figura 18. Caso D: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del tercer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig19

    Figura 19. Caso D: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig20

    Figura 20. Caso E: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig21

    Figura 21. Caso E: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig22

    Figura 22. Caso F: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del quinto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

     fig23

    Figura 23. Caso F: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en las proximidades de la parte final del cuarto panel del canal de ventilación.

    4. Conclusiones

    a) Comparando entre si los sistemas pasivos, se obtiene una mejor prestación de diseño en el caso B (Tab. 1). Si bien los valores de temperatura de los casos C y D son algo menores, sin embargo ambos necesitarían un proceso constructivo más complejo que en el caso B.

    b) La modificación propuesta para la geometría del separador de aluminio del caso A al caso B tiene un notable impacto en el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos: se obtiene una reducción considerable en el pico de temperatura de 25,5 ºC.

    c) Como era de esperar, los resultados obtenidos en los sistemas activos (casos E y F) son mejores a los resultados de los sistemas pasivos. Se obtiene una reducción promedio del pico de temperatura del orden de 12 ºC. El uso de sistemas pasivos implica asumir los requerimientos económicos de los sistemas de ventilación forzada.

    d) Las temperaturas del caso F son moderadamente menores a las del caso E. La diferencia entre sus valores máximos de temperatura es de 3 ºC. Esta diferencia podría incrementarse, investigando otros modelos de obstáculos, alternativos al que se ha propuesto en este estudio.

    Tabla 1. Resumen de valores máximos de temperatura y velocidad para cada caso.

    Caso

    Sistema

    TMAX (ºC)

    VMAX (m/s)

    A

    Pasivo

    109,6

    2,1

    B

    Pasivo

    84,1

    2,4

    C

    Pasivo

    83,9

    2,1

    D

    Pasivo

    83,4

    2,2

    E

    Activo

    72,3

    3,2

    F

    Activo

    69,2

    3,2

    REFERENCIAS

    Alain Guiavarch, Bruno Peuportier, 2006. Photovoltaic collectors efficiency according to their integration in buildings. Solar Energy 80, 65–77

    ANSYS. www.ansys.com

    John David Anderson, 1995. Computational Fluid Dynamics. Kindle Edition.

    Wen I-Jyh, Chang Pei-Chi, Chiang Che-Ming, Lai Chi-Ming, 2008. Performance Assessment of Ventilated BIPV Roofs Collocating With Outdoor and Indoor Openings. Journal of Applied Sciences 8 (20): 3572 – 3582.

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    Optima Renovables empieza a comercializar un extractor solar

    el 2013/04/10 en Blog, Calefacción y Refrigeración, Destacados, Dispositivos Eléctricos, Energía Solar Fotovoltaica, Ingeniería / Consultoría

    Nuestra empresa ha empezado recientemente a comercializar un nuevo producto. Se trata de un extractor solar (IGSUN), un sistema de ventilación forzada mediante energía fotovoltaica.

    Este sistema patentado de extracción, nos permite la renovación de aire de un habitáculo, ya sean naves industriales o ventilación doméstica en edificios de viviendas, todo ello sin coste energético.

    Estos extractores de tejado funcionan mediante un módulo fotovoltaico que provee de energía al ventilador axial. De esta manera mediante estos extractores industriales conseguimos una correcta ventilación forzada, aprovechándonos de la energía que nos ofrece el sol, lo cual se podría denominar una ventilación ecológica.

    Estos ventiladores industriales son modulables, por lo tanto podemos adecuar las renovaciones de aire en función de necesidades, maquinaria, cantidad de personal, sector, etc.…

    A partir de hoy nos oiréis a menudo hablar de él en nuestra web corporativa y en nuestras redes sociales.

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    Energia Alternativa Rural?

    el 2012/10/01 en Biocarburantes, Bioclimatismo, Biogas, Biomasa, Blog, Calefacción y Refrigeración, Consejos en línea, Conservación Agro-alimentos, Destacados, Dispositivos Eléctricos, Energía Eólica, Energía Hidroeléctrica, Energía Solar Fotovoltaica, Financiación / Crowdfunding, Formación / eLearning, Geotérmica, Gestión del agua, I & D / Innovación, Iluminación Rural, Ingeniería / Consultoría, Instalación / Mantenimiento, Maquinaria Agrícola Móvil, Otras Energías, Otros Eficiencia Energética, Otros Servicios Energía naRural, Procesado de Alimentos, Solar Térmica, Venta Productos Energía

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