capítulo 1

Universidad
Tecnologica
de Queretaro
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Tecnologica de Queretaro
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Queretaro, c=MX, o=Universidad
Tecnologica de Queretaro, ou=UTEQ,
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Date: 2007.03.21 16:08:37 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Voluntad, Conocimiento y Servicio
Reporte de Estadía para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
TECNOLOGÍA AMBIENTAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología
Avanzada del Instituto Politécnico Nacional
Unidad Querétaro
“DESARROLLO DE UN CALENTADOR SOLAR”
PRESENTA: SUSANA HURTADO RANGEL
SANTIAGO DE QUERÉTARO, QRO.
SEPTIEMBRE DE 2006
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE
QUERÉTARO
Voluntad, Conocimiento y Servicio
Reporte de Estadía para obtener el título de
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
TECNOLOGÍA AMBIENTAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología
Avanzada del Instituto Politécnico Nacional
Unidad Querétaro
“DESARROLLO DE UN CALENTADOR SOLAR”
PRESENTA: SUSANA HURTADO RANGEL
Dr. Roberto Hernández
Castellanos
ASESOR DE LA EMPRESA
SANTIAGO DE QUERÉTARO
Ing. Luz Elena Narváez
Hernández
ASESOR UTEQ
SEPTIEMBRE DE 2006
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero agradecerle a Dios por darme la fuerza, la energía, la
determinación de concluir con esta etapa de mi vida, en fin por todo lo que me
da día con día.
A mis padres por todo su amor y su apoyo.
A mi esposo quién siempre me ha brindado su apoyo incondicional tanto
económicamente como emocionalmente, para la terminación de la carrera y de
esta tesis.
A mis hermanos por su cariño y apoyo. En especial a Alma Nubia por
haberme impulsado a seguir estudiando y apoyado siempre que la necesité..
A mi cuñado Alberto de la Cruz Sánchez por su valiosa colaboración y
buena voluntad en la elaboración del proyecto.
A mí querida asesora de Tesis: Ing. Luz Elena Narváez Hernández por
su paciencia, enseñanza, disposición y sobre todo por haber confiado en mí.
A mi asesor externo, al Dr. Roberto Hernández Castellanos por su
asesoramiento científico y estímulo para seguir creciendo intelectualmente.
Agradezco al Lic. Juan Manuel Olivares, de la carrera de Mantenimiento
Industrial de la UTSJ. Por su asesoría en la elaboración del proyecto.
A mis amigos, por su gran apoyo.
INTRODUCCIÓN
La sociedad moderna se basa en la energía para satisfacer sus necesidades
de subsistencia cotidiana a partir de combustibles fósiles o convencionales,
tales como el petróleo y el gas. Estos combustibles se están acabando y su
uso está dañando la salud de los seres humanos y el ambiente.
La demanda mundial de energía se ha triplicado desde 1950 y volverá a
triplicarse durante los próximos 30 años. Sin embargo, las reservas naturales
son limitadas y existe una posibilidad real de que ocurra una crisis de energía
en unas décadas si persistimos en el uso de combustibles y tecnologías
convencionales.
Es por esto que el proyecto que hemos realizado va en función de resolver o
contribuir en la mejora de la calidad ambiental de nuestro país, promoviendo
el uso y aprovechamiento de las
energías alternativas, en este caso la
energía solar para el calentamiento del agua de nuestros hogares.
Este proyecto fue realizado en el Centro de Investigación en Ciencia Aplicada
y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional, unidad Querétaro.
En este centro se trabajó en diseñar y construir un calentador solar que tenga
aplicación para el suministro de energía térmica en casas habitación, para el
óptimo aprovechamiento de la energía solar y con ello lograr una preservación
y mejoramiento del medio ambiente.
Se logró hacer el diseño de un calentador solar para calentar 150 litros de
agua al día, aunque no se alcanzó a construir, por lo que se optó por realizar
un prototipo pequeño, siguiendo el mismo diseño y evaluando su desempeño.
En las pruebas realizadas se obtuvieron buenos resultados, ya que el
prototipo logró calentar el agua en promedio hasta los 60° C, como
temperatura máxima, está temperatura bajo después de las 6:00pm, y
después la temperatura del agua se conservó caliente hasta las 9:00pm.
Como parte de mi formación, aprendí que todos podemos jugar un papel muy
importante para la conservación de nuestros valiosos recursos naturales,
utilizando las nuevas tecnologías que aprovechan la energía gratuita del sol,
el viento, el agua y la tierra misma.
Es por esto que yo recomiendo a toda la gente que se atreva a instalar un
calentador solar en sus casas, ya que los beneficios son muchos para
nosotros mismos como a la sociedad y para el ambiente en general.
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS.......................................................................................iii
INTRODUCCIÓN............................................................................................ iv
CAPÍTULO 1
ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA.
1.1
Antecedentes de la empresa.................................................................2
1.2
Misión.....................................................................................................2
1.3
Visión......................................................................................................3
1.4
Políticas y Valores..................................................................................3
1.5
Ubicación ...............................................................................................4
CAPÍTULO 2
DEFINICIÓN DEL PROYECTO
2.1
Antecedentes.........................................................................................6
2.2
Definición del problema........................................................................13
2.3
Justificación..........................................................................................15
2.4
Objetivos...............................................................................................19
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
3.1
Definición de energía……………………………………………………..22
3.1.1
Formas de energía………………………………………………………..22
3.2
¿Cómo se aprovecha tanto el Sol?.....................................................31
3.4
Calentamiento solar de agua
3.4
Tipos de colectores solares………………………………………………34
3.4.1
Colectores solares sin concentración…………………………………...35
3.4.2
Colectores solares de concentración……………………………………38
…………………………………33
3.5
El colector solar de placa plana…………………………………………39
3.6
Funcionamiento de un calentador solar………………………………...49
3.7
Tanques de almacenamiento……………………………………………..50
3.8
Orientación e inclinación del calentador solar………………………….52
CAPÍTULO 4
DESARROLLLO DEL PROYECTO
4.1
Etapas del desarrollo del proyecto………………………………………..54
4.2
Desarrollo del proyecto.........................................................................54
CAPITULO 5
RESULTADOS Y CONCLUCIONES
1.1 Resultados y sus análisis .........................................................................61
1.2 Conclusiones ...........................................................................................63
1.3 Recomendaciones....................................................................................64
CAPITULO 6
GLOSARIOS, BIBLIOGRAFÍA Y ANEXOS
GLOSARIO......................................................................................................66
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................68
ANEXOS..........................................................................................................69
CAPÍTULO 1
ASPECTOS GENERALES DE LA
EMPRESA
CAPÍTULO 1
ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA.
1.1 Antecedentes de la empresa
CICATA-IPN Unidad Querétaro
La Unidad Querétaro del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y
Tecnología Avanzada (CICATA) es una institución federal dependiente del
Instituto Politécnico Nacional (IPN), creada por decreto presidencial el 2 de
septiembre de 1996, con el objetivo de servir de enlace entre la comunidad
científica
y
los
sectores
productivos
de
bienes
y
servicios.
Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA-IPN Unidad Querétaro,
desarrolla programas de investigación científica y tecnológica con un enfoque
interdisciplinario y, asimismo, atiende la formación de recursos humanos de
alto nivel contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la
competitividad nacional e internacional del aparato productivo en México.
1.2 Misión
Contribuir al desarrollo económico y social de nuestro país realizando
proyectos y servicios tecnológicos que incrementen la competitividad de
nuestros clientes, formando recursos humanos de alto nivel y fomentando en
la sociedad el entendimiento y aplicación de la ciencia y la tecnología.
1.3 Visión
Ser un centro reconocido internacionalmente como impulsor del desarrollo
nacional, a través de la investigación científica, el desarrollo tecnológico y la
formación de recursos humanos de excelencia, preferidos por la sociedad
para la realización de estudios estratégicos prioritarios, de interés nacional, y
de impacto mundial.
1.4 Políticas y Valores
Como principios y valores de su organización, CICATA-IPN Unidad
Querétaro, reconoce:
Integridad, en el compromiso de generar riqueza, productividad y
desarrollo social.
Responsabilidad, al ser congruente en el ámbito de la competencia
institucional.
Diligencia, por estar motivados hacia una acción bien definida en sus
alcances.
Perseverancia, en entender que el desarrollo del plan es a largo plazo.
Disciplina, en la descripción ordenada de las acciones apegadas a las
atribuciones institucionales.
1.5 Ubicación
Actualmente CICATA-IPN Unidad Querétaro se encuentran ubicado en:
•
Av. Cerro blanco # 141. Col. Colinas del Cimatario
•
Santiago de Querétaro, Qro.
•
CP. 76090
CICATA
CAPÍTULO 2
DEFINICIÓN DEL PROYECTO
CAPÍTULO II
DEFINICIÓN DEL PROYECTO
2.1 ANTECEDENTES
Este proyecto se realizó debido a la problemática que hoy en día vivimos
acerca del uso y el consumo inadecuado de la energía, el cual está
originando varios problemas, tales como:
La disminución (agotamiento) de las reservas de combustibles fósiles.
La contaminación del ambiente y cambio global del clima.
Dependencia con países extranjeros respecto al suministro e
combustibles
Dificultades económicas causadas por la necesidad de importación de
combustibles.
Por esta razón deberíamos voltear hacia las fuentes de energía renovable
(solar, eólica, biomasa, mar, etc.) En este caso el aprovechamiento de la
energía solar para convertir la radiación del sol en
energía foto-térmica,
mediante el uso de calentadores solares, los cuales convierten la radiación
solar en calor.
Actualmente estos dispositivos son aprovechados en forma intensiva en
países como Israel, Canadá, Estados Unidos, algunos países de Europa,
Japón, etc., en donde existen diversos programas que promueven su uso
tanto en el sector doméstico como industrial.
La tecnología solar para calentar agua no es nueva en México, sino todo lo
contrario: es una tecnología madura, apuntalada por más de treinta años de
desarrollo tecnológico industrial, Alemania, instala en un solo año más
calentadores solares que México en toda su historia, aunque el clima alemán
es mucho menos favorable para estas aplicaciones. En países como Israel, es
difícil encontrar una casa o un edificio sin calentamiento solar para agua. O
sea, México no hace bien lo que otros países sí hacen.
Por tales circunstancias, en México existen instituciones como el Consejo
Consultivo para el Fomento de las Energías Renovables (COFER), la
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE), conjuntamente
con la Asociación Nacional de Energía Solar, A.C. (ANES), las cuales
están haciendo un esfuerzo por promover la venta de calentadores solares
de agua en el sector doméstico, mostrando que es una opción viable para
contar con agua caliente en los hogares mexicanos, que disminuye la
contaminación ambiental y ayuda a preservar los recursos naturales como
el gas.
La importancia del aprovechamiento de estas energías radica en su
potencial para reducir el consumo de combustibles fósiles, lo que permite
conservar recursos no renovables y atenuar los impactos al ambiente que
resultan de las actividades relacionadas con la generación, distribución y
uso final de la energía.
Durante los últimos 20 años, se ha desarrollado en México una importante
labor en relación a las energías renovables, sin embargo, los esfuerzos han
sido aislados y muchos trabajos valiosos han quedado olvidados por falta
de canalización y promoción adecuada.
La mejor decisión de inversión para la sociedad consiste en permitir que el
Sol proporcione una parte importante del calor para el agua, con el fin de
recuperar los beneficios económicos al desplazar la combustión de gas.
Mediante este proceso, el agua se calienta confiablemente, pero con una
proporción mucho menor de energía convencional. El gas desplazado por
el recurso solar se recupera para ser utilizado en otras áreas más
importantes de la economía. El dinero que pudo haber sido gastado en
combustibles para el calentamiento de agua podría gastarse en otros
rubros, como en la creación de empleos productivos aplicados a la
instalación y mantenimiento de calentadores solares de agua. Estos
trabajos también refuerzan las economías locales. El valor social del
calentamiento solar del agua es, por lo tanto, mucho mayor que el que un
simple cálculo de rentabilidad podría sugerir.
El calentamiento solar de agua hace una contribución importante al logro
de los objetivos para la reducción de emisiones de CO2, misma que
constituye una obligación social no regida por la simple consideración del
rendimiento de la inversión.
El calentamiento solar de agua es una tecnología completamente madura.
2
Para finales del año 2002, cerca de 12,3 millones de m de calentadores
solares de agua habían sido instalados en los países miembros de Unión
2
Europea, con una tasa anual de instalación de cerca de 1,5 millones de m
2
en 2001, pero que bajó a 1,2 millones de m en 2002. Cerca del 60% de
éstos, sin embargo, se instaló en tres países –Alemania (con más del 50%
de las ventas de calentadores solares de la Unión Europea), Grecia y
Austria– los que tienen los mejores mercados desarrollados. Con
calentadores solares de agua instalados en 50% de sus hoteles,
localizados en el Mediterráneo, y en 92% de todos los hogares, Chipre, es
líder mundial en términos de metros cuadrados de calentadores solares de
2
agua instalados per-capita, con 0,8 m
por persona. En la Europa
continental, Grecia encabeza el grado de aceptación pública de esta
2
2
tecnología con 0,26 m per-capita, seguido por Austria con 0,20 m por
persona, y luego, en orden, Dinamarca, Alemania y Suiza. El promedio de
2
la Unión Europea a finales de 2002 fue de 0,26 m por persona.
La Unión Europea tiene un conjunto de metas para instalar 100 millones de
2
m de captadores solares para el 2010 en Austria, Bélgica, Gran Bretaña,
Dinamarca, Francia, Alemania, Grecia, Italia, Países Bajos y España, los
cuales podrían requerir una tasa de crecimiento de más del 35%
(referenciado al año 2000). La presente tasa de crecimiento en la UE
2
podría producir cerca de 80 millones de m , así que su objetivo demanda
una tasa más ambiciosa de instalación. Aún así, estas cifras palidecen en
comparación con su potencial nacional estimado en mil cuatrocientos
2
millones de m , los cuales podrían generar 683 TWh de energía térmica por
año.
En Alemania, Austria y Suiza la creciente popularidad del calentamiento
solar de agua para la calefacción activa de espacios, y la consideración
que se comienza a dar a la calefacción solar urbana, iniciada en Suecia,
pueden impulsar aún más las ventas de esta tecnología. Existen ya
reglamentos en algunas ciudades, tal como el adoptado en 1999 e
implementado en 2000 en Barcelona, que requiere sistemas solares para
generar el 60% del agua caliente en casas y negocios. Allí, en 18 meses, el
área de captadores solares térmicos se incrementó en un 750%, a 14 000
2
m . Las normas de esa ciudad están comenzando a ser introducidas en
Madrid, Sevilla y otras áreas. Por otra parte, para librar un estancamiento
en la industria del calentamiento solar de agua, en febrero de 2003 el
gobierno de Alemania aprobó un aumento en los incentivos para sistemas
de calentamiento solar de agua, de 92 euros a 125 euros por metro
cuadrado de superficie colectora, y la medida mejoró notablemente el
mercado Alemán en 2003.
Las cifras de Europa (y su población) son modestas en comparación con
2
las de China, país que ya había instalado 26 millones de m de
calentadores solares de agua para finales del año 2000, y tenía mil
fabricantes de componentes y sistemas de calentamiento solar de agua
para finales de 2001. La meta del gobierno chino es instalar 65 millones de
2
m de calentadores solares de agua para el 2005. Se especula que, si
continúa la construcción de viviendas, de acuerdo con las metas del
gobierno chino, y se presenta un uso modesto del calentamiento solar de
agua en estos nuevos hogares, China podría alcanzar los tres millones de
2
m por año para 2010. Esto es impulsado por la escasa disponibilidad de
gas destinado al calentamiento de agua, así que el calentamiento solar
compite con el calentamiento eléctrico, y resulta la opción más económica.
En México hace falta que se den a conocer este tipo de dispositivos para el
calentamiento de agua y que estos se instalen en todas las casas de
México.
Un calentador solar
El diseño básico de un calentador solar consiste en una caja que tiene una
tapa de vidrio, en cuyo interior se encuentra tubos firmemente adheridos a
una superficie metálica, todo pintado de color negro mate que tiene la
propiedad de absorber el calor y no reflejarla. El sol calienta la superficie
metálica y los tubos, los que a su vez transfieren el calor al agua que circula
en su interior, de tal manera que el agua fría que baja por gravedad desde un
tanque de almacenamiento, se va calentando y haciéndose menos densa,
fluyendo nuevamente hacia la parte superior del tanque. Debido a este
mecanismo, el tanque se llena por la parte superior con agua caliente y a
medida que el agua va enfriándose desciende hacia el "colector solar" para
ser recalentada. Como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Diseño básico de un calentador solar.
Efraín Alonso, Apuntes de Arquitectura
Bioclimática. (1995)
Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de
almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energía intermitente, se
requiere un tanque para que el calentador solar dé servicio continuo. La
ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiación difusa, esto
es, incluso cuando el cielo está nublado, aunque obviamente la potencia
disminuye
Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede
utilizarse un tanque cilíndrico de acero. El tanque debe colocarse arriba del
colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prácticos); debe tener dos
salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el
flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifón.
El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fría, que
va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua
fría es más densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que
es donde se calienta, tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque.
Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto
termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de
agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua
circule continuamente.
En sí los calentadores solares constan de tres partes principalmente:
COLECTOR SOLAR
TUBERÍAS
TERMOTANQUE
2.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Si seguimos basándonos en fuentes convencionales de energía, las cuales
son: DERROCHADORAS y con rendimiento muy bajo; CONTAMINANTES, lo
que conlleva a un desequilibrio térmico y químico del ambiente; SIN FUTURO,
por el agotamiento de los recursos y sin posibilidad de recuperación en el
corto plazo, nuestro planeta se deteriorará de forma rápida e irreversible.
En la actualidad, el 90% de la demanda mundial de energía es satisfecha por
combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón, etc.)
En México contamos sólo con una reserva probada de 25,425 millones de
barriles de petróleo, ocupando el noveno lugar mundial en reservas de
petróleo. Al ritmo de consumo actual, estas reservas sólo durarán para los
próximos
14 años. Como se muestra en la tabla 1. Por lo cual es
indispensable buscar nuevas fuentes alternas de energía que garanticen el
abasto energético y ecológico de las sociedades futuras.
Sin embargo México es uno de los países privilegiados en insolación durante,
podemos decir todo el año.
Necesitamos energía limpia para no seguir deteriorando el planeta por la
quema de combustibles fósiles, aunado a esto nuestras reservas de
combustibles fósiles se están agotando. Si no solucionamos este problema el
país caerá en una crisis energética, en consecuencia dependeremos de otros
países para resolver nuestros problemas energéticos.
Por lo que la energía que recibiremos será de un costo muy elevado.
Tabla 1, Reservas de petróleo crudo.
Fuente:www.inegi.gob.mx. 2006.
Es por esto que se debe apoyar e implementar el diseño y construcción de
calentadores solares, a nivel doméstico, en donde todas las familias cuenten
con uno, hasta niveles industriales y de servicios. Así no sólo resolveremos
los problemas de energía si no que también estabilizaremos la economía de
nuestro México.
2.3 JUSTIFICACIÓN
Nuestro país posee un potencial considerable de energías renovables, tanto
por su extensión territorial, como por su ubicación geográfica y sus recursos
naturales.
En general, estudios diversos arrojan el siguiente balance:
El país presenta altos niveles de insolación (5 kWh/m2-día en promedio en el
centro y sureste del país y 7 kWh/m2-día en el norte del país), teniendo un
potencial de transformación en energía eléctrica equivalente a la demanda
total de energía eléctrica del país, como lo muestra la figura 2.
Este potencial ha permitido la instalación de más de 500,000 m2 de
calentadores solares planos en todo el país, durante los últimos 10 años,
principalmente para el calentamiento de agua en el sector servicios, como se
muestra en la Tabla 2
Figura 2 que muestra la radiación solar en México. Irradiación media nacional
diaria anual: 5 kw/h/m2. Fuente 2006, www.conae.gob.mx
La tabla 2 muestra el balance nacional de fuentes con energía renovable.
FUENTE
TIPO
RADIACIÓN
CALENTADORES
SOLAR
PLANOS EN M2
MODULOS
TOTAL
INSTALADO
2002
2004
50,911
498,615
1.18
16.15 (*)
FOTOVOLTAICOS
(*) Equivalente a 129.2 m2
Tabla 2. Tecnologías instaladas al 2004 en México (Fuente: ANES 2005)
También cabe señalar el importante ritmo de crecimiento que ha registrado la
generación de electricidad en pequeña escala a través de los sistemas
fotovoltaicos, principalmente para la electrificación rural en zonas aisladas –
iluminación -, el bombeo de agua para actividades productivas y las
telecomunicaciones, alcanzando la cifra de más de 16.15 MWp, instalados en
los últimos 10 años, como se muestra en la Tabla 2.
El actual sistema energético, basado en los combustibles fósiles, es
insostenible. Es necesario transitar hacia el uso de las fuentes renovables de
energía.
El desarrollo de un calentador solar ofrece la oportunidad de aplicar
tecnología
la
basada en energía solar en nuestros hogares, en albercas,
hoteles, hospitales, procesos industriales, aplicaciones agropecuarias, rastros,
entre otras. Para aprovechar esta energía que es gratuita y la podemos
aplicar para calentar el agua.
El calentador es el segundo aparato que más gas consume (después de la
estufa). Es por esto que en este proyecto estamos proponiendo instalar un
calentador solar para el uso doméstico de nuestras casas.
Los beneficios del uso de los calentadores solares de agua para casahabitación los podemos clasificar en dos: económicos y ambientales.
Económicos.
Con la instalación de un sistema adecuado a nuestras necesidades,
podemos satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua
caliente de nuestra casa, sin tener que pagar combustible, pues utilizar
así el sol no nos cuesta. Aunque el costo inicial de un calentador solar
de agua es mayor que el de un “boiler”, con los ahorros que se
obtienen por dejar de consumir gas, podemos recuperar nuestra
inversión en un plazo razonable.
Reducción de costos de operación y
mantenimiento.
Cada metro cuadrado de calentador solar puede ahorrar anualmente
una cantidad de energía equivalente aproximadamente a la de 150 Kg.
de gas LP.
Ambientales.
El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante
nuestro
entorno
ambiental.
¿Cómo?
Los
problemas
de
la
contaminación en las zonas urbanas no sólo son provocados por los
combustibles utilizados en el transporte y en la industria, sino también
por el uso de gas LP en millones de hogares, lo cual contribuye en
conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de
efecto invernadero, con graves repercusiones locales, regionales y aun
globales.
Resumiendo dentro de los principales beneficios del uso de sistema solares
de calentamiento de agua son:
Ahorro anual de combustibles: 60 al 90%
Ahorro de energía eléctrica.
No producen contaminación,
Contribuyen
a
la
conservación
de
recursos
no
renovables
(combustibles fósiles y agua)
No emiten gases de efecto invernadero
Promueven el desarrollo regional
Elimina problemas de abastecimiento continuo de gas.
Fácil instalación, se colocan en la azotea para aprovechar áreas
muertas.
Ecotécnico, es una tecnología a favor del medio ambiente, un claro
ejemplo para su familia.
Confortable. Solo abra la llave y el agua caliente estará disponible en el
acto.
2.4 OBJETIVOS
2.4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un calentador solar que tenga aplicación para el suministro
de energía térmica en casas habitación, para el óptimo aprovechamiento de la
energía solar y con ello lograr una preservación y mejoramiento del medio
ambiente.
2.4.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Recopilar la información necesaria para realizar el proyecto por medio
de fuentes primarias y secundarias, expertos y constructores de
calentadores solares.
Analizar el diseño y materiales de los calentadores solares para un
mejor funcionamiento del mismo.
Diseñar y construir un prototipo de calentador solar para uso
doméstico.
Realizar las mediciones de temperatura alcanzada del agua por el
calentador solar.
Comprobar la eficiencia del calentador solar con respecto a los de la
literatura.
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
3.1 DEFINICIÓN DE ENERGÍA
La energía puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema
de realizar trabajo.
3.1.1 FORMAS DE ENERGÍA
La energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y químicas:
energía cinética y potencial, que en conjunto constituyen la energía
mecánica, energía calorífica, electromagnética (eléctrica y magnética),
nuclear y química.
Cuando hablamos de las formas de energía no nos estamos refiriendo al
origen de ésta, sino únicamente al tipo de energía; en cambio, cuando
aludimos a las fuentes de energía sí nos referimos a su origen, es decir, de
dónde se obtiene. Una fuente de energía como el petróleo produce una
forma de energía: calorífica, mecánica, química o eléctrica. También, cuando
hablamos de fuentes estamos diciendo implícitamente que se trata de
energía aprovechable, es decir, energía que el ser humano puede utilizar
para realizar todo tipo de actividades.
Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y
aprovechamiento:
1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en
calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de
energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, el gas o el carbón
se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a
través de las centrales termoeléctricas o Carbo-eléctricas. En el caso de los
transportes la energía se transforma en cinética o mecánica (pasando por la
energía calorífica o térmica) o bien en energía calorífica cuando se trata de
un calentador o una estufa.
2) Energía hidráulica. En ésta se aprovechan las caídas de agua que se
originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de
energía potencial.
La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial, cuando el
agua de un río es detenida por la cortina de una presa y se establece una
diferencia de altura, y después cinética, cuando se deja caer el agua de la
presa.
Dicha energía cinética
es la que se utiliza
para
mover
un
turbogenerador
y
producir
eléctrica
energía
en
las
centrales
hidroeléctricas.
Figura
3. Presa de Itaipú, Paraguay.
En esta fotografía aérea puede
observarse la presa de Itaipú, proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre
las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la
que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el
conjunto regional. Con una altura de 196 m y 8 km de largo, cuenta con 14
vertederos que actúan como cataratas artificiales. Fuente Internet 2006.
3) Energía geotérmica. Es la energía calorífica del interior de la Tierra, la
cual se transforma en energía mecánica y eléctrica a través de un
turbogenerador.
Figura 4. La energía geotérmica generada en varios lugares de la tierra.
Fuente, Internet 2006.
4) Energía nuclear. En ésta, la energía que une a los núcleos de los átomos
se transforma en energía calorífica, y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica.
Figura 5, que muestra una planta de energía nuclear.
Fuente Internet 2006.
5) Energía solar. La energía del Sol puede ser usada directamente para la
calefacción y la iluminación de edificios, así como para calentar el agua, tanto
en los países desarrollados como en los países en vías de desarrollo. La
energía radiante del Sol también puede proporcionar agua muy caliente o
vapor para procesos industriales; puede calentar fluidos a altas temperaturas,
por medio de la concentración solar para producir electricidad con plantas
termoeléctricas solares o directamente con máquinas térmicas, y también
resulta posible producir electricidad a través del efecto fotovoltaico. También
puede utilizarse directamente en dispositivos para la seguridad pública,
aportando luz y refrigeración para comidas y medicinas en el mundo a mil
ochocientos millones de personas que no tienen acceso a las redes de
energía eléctrica, y ofrecer comunicación para todas las regiones del planeta.
También se puede utilizar para producir agua dulce a partir del agua marina,
para sistemas de irrigación y bombeo de agua o para descontaminarla, y
resolver así las necesidades más críticas a escala mundial para la obtención
de agua limpia. También puede utilizarse para cocinar alimentos mediante
estufas solares, y así evitar la depredación constante de leña que destruye
los ecosistemas y contamina el aire en los asentamientos humanos de los
más pobres.
Figura 6. Imagen de Internet. Calentadores solares instalados en planta
industrial.
6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, que
puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad. Como
lo muestra la figura 7.
Figura 7.imagen que muestra los aerogeneradores de energía eléctrica.
Imagen 2006, fuente Internet.
7) Energía de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los
desechos orgánicos como combustibles, por lo tanto se trata de energía
química, que se pueden transformar en cualquier forma de energía.
El caso de la madera es un ejemplo.
Las
energías
primarias
se
transforman
en
energías
intermedias
(combustibles y electricidad) para finalmente consumirlas. Dicho proceso de
conversión requiere a su vez consumir energía, por lo que el consumo final
es muy pequeño con respecto a la cantidad disponible al principio de la
cadena.
Figura 9. Comparación de las energías primarias con la energía solar que se
recibe en la Tierra anualmente. Fuente Anes 2005.
En la figura 10, se muestran las reservas probadas de petróleo. Se observa
que los países arábigos son los que tienen la mayor cantidad (>60%), y que
en el resto del mundo estas reservas son menores al 40%, comparadas con
el Medio Este. En la figura 6 se muestran las reservas probadas de gas
natural. Aquí el Medio Este, Europa y Eurasia representan el 76% del total
existente en el mundo. La figura 7 considera que el carbón es la fuente más
extendida en el ámbito mundial, ya que más del 90% se encuentra en AsiaPacífico, Norteamérica y Europa-Eurasia.
El consumo de las energías primarias en el mundo se presenta en la figura
10, pero es interesante conocer cuál es el tipo de fuente energética primaria
más usado en cada región, tal y como lo muestra la figura 10. Se puede
apreciar que el consumo de todas las fuentes energéticas convencionales se
incrementó en el lapso de 1979 al 2004. Sin embargo, en la figura 11 se
aprecia que el consumo de gas natural es el que más ha aumentado por todo
el mundo.
Figura 10 Reservas probadas de petróleo. Fuente ANES 2005
Figura 11 Reservas probadas de gas natural. Fuente ANES 2005
Figura 12. Reservas probadas de carbón a nivel mundial. Fuente ANES
2005
Figura 13. Consumo de las energías primarias en el mundo. ANES 2005
Figura 14. Consumo de todas las fuentes energéticas convencionales. ANES
2005
¿Cuánta energía está disponible a partir de los recursos de energía
renovable?
El brillo del Sol puede entregar energía a una superficie de un metro
cuadrado en la Tierra orientada directamente a él a razón de unos 1 000
watts (1 kW –éste es el “estándar” usado para evaluar la eficiencia de los
sistemas de energía solar, los cuales son, por consiguiente, estimados en
2
términos de “watts-pico” bajo una irradiancia de 1 kW/m ó Wp). Si la
superficie del captador solar pudiese absorber el 100% de la radiación que
recibe del Sol, y pudiese convertir esa energía con un 100% de
rendimiento, entonces produciría 1 kWh de energía en cada hora pico. Por
supuesto, si no es perfectamente eficiente, la energía entregada por un
sistema solar es menor –usualmente en un intervalo de 5 a 15%. La
potencia que implica en un viento de 11 metros por segundo (25 millas por
2
hora) equivale también a alrededor de 1 kW por m perpendicular a la
dirección del viento, pero tampoco las turbinas eólicas pueden captar dicha
energía con total eficiencia, sino usualmente dentro de un intervalo de 0 a
45%. Y un Exajoule (EJ) de energía es aproximadamente equivalente a la
energía obtenida de la transformación de 52 millones de toneladas métricas
de biomasa de madera seca.
3.2 ¿CÓMO SE APROVECHA TANTO SOL?
Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse no sólo
como fototérmicos y fotovoltaicos, sino también conforme a su temperatura de
operación. En los fototérmicos, la temperatura puede ser baja, intermedia o
alta. También pueden clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas,
industrias, en el campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energía
del país o en comunidades rurales (sistemas de generación de energía
centralizados o descentralizados).
En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares
más utilizados de acuerdo con la clasificación anterior.
Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.
La energía termal del sol puede ser utilizada para calentar agua a
temperaturas inferiores a los 100ºC o para la calefacción de ambientes. El
agua caliente para consumo doméstico ocupa el segundo puesto en el
consumo de energía de una vivienda típica.
Las tecnologías solares termales de bajas temperaturas, y en especial las
tecnologías que no generan electricidad se basan en los principios científicos
del efecto invernadero para generar calor. La radiación electromagnética del
sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra dentro de un colector y es
absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez que la
radiación es absorbida por las superficies dentro del colector, la temperatura
aumenta. Este incremento en la temperatura puede ser utilizado para calentar
agua, secar comida y granos, desalinizar agua o cocinar comida.
3.3 CALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA
El calentamiento solar de agua difícilmente puede considerase como una
nueva
tecnología,
pero
aún
con
el
rápido
crecimiento
que
está
experimentando en Europa, Israel y China éste aún se halla corto de su pleno
potencial. Los calentadores de agua de gas y eléctricos son cómodos y
técnicamente simples, pero al utilizar un combustible fósil de alto grado y
temperatura, o energía eléctrica para sólo calentar agua, casi todo el potencial
de “trabajo” termodinámico de esos recursos se pierde, y bien podría ser
llevado a un uso económico más productivo. Para mucha gente en países
pobres, un calentador solar en la forma de una simple unidad de tanque tipo
pasivo, constituye la única fuente asequible de agua caliente para lavarse y
bañarse.
Aunque el agua caliente en los hogares no crea empleos ni tampoco impulsa
las industrias, el ahorro de ese combustible, utilizado ahora para calentar
agua, alternativamente podría crearlos e impulsarlas. Ya se prevé la escasez
de gas natural para producir energía eléctrica, y cuando se usa la electricidad
para calentar agua se hace un uso particularmente despilfarrador del gas
natural, pues toma dos veces más volumen de este combustible para una
unidad de calor en el agua, que cuando el gas se quema directamente en el
calentador. Además, al calentar agua con gas también se pierden los
beneficios derivados del potencial químico del gas natural, el cual
alternativamente podría tener aplicaciones con más alto valor agregado.
Fig. 13a: Calentamiento solar de agua en China.
Fuente: Li Hua, Revista RENEWABLE ENERGY WORLD, Julio-Agosto de
2002, p. 105
A continuación explicamos todo lo que se requiere conocer acerca de los
colectores solares.
3.4 TIPOS DE COLECTORES SOLARES
Los colectores solares térmicos son dispositivos capaces de captar la
radiación
solar
y
comunicársela
a
un
fluido,
aprovechamiento.
Los colectores solares se dividen en dos grandes grupos:
para
su
posterior
1. Los Colectores Solares sin concentración: Los cuales no son capaces de
alcanzar altas temperaturas (llegan aproximadamente a unos 70ºC) por lo que
son usados en las aplicaciones de la energía solar térmica de baja
temperatura. Un ejemplo de aplicación sería la producción de agua caliente
sanitaria.
2. Los Colectores Solares de Concentración: Los cuales haciendo uso de los
métodos de concentración de la óptica son capaces de elevar la temperatura
de fluido a más de 70ºC. Estos se aplican en la energía solar térmica de
media y alta temperatura. Un ejemplo lo podemos encontrar en la central solar
térmica de Almería.
3.4.1 COLECTORES SOLARES SIN CONCENTRACIÓN
Estos colectores se caracterizan por no poseer métodos de concentración,
por lo que la relación entre la superficie del colector y la superficie de
absorción es prácticamente la unidad.
Colector solar de Placa Plana: En general un colector de placa plana
actúa como un receptor que recoge la energía procedente del Sol y
caliente una placa, la energía almacenada en la placa es transferida al
fluido. Estos colectores, en general, poseen una cubierta transparente
de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero. Su aplicación
es la producción de agua caliente sanitaria, climatización de piscina y
calefacción.
Figura 14. Calentador solar de placa plana. Fuente, Anes 2006.
Colectores solares de caucho: Colector formado por una serie de tubos
de caucho, los cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se
la transmiten al fluido
que atraviesa su interior.
Su aplicación principal
es la climatización de
piscina debido a su bajo
rendimiento fuera de la
época veraniega.
Figura 15. Colecto solar
de Caucho, aplicado en
albercas. Fuente imagen de Internet 2006.
Colectores de aire: Son colectores de tipo plano cuya principal
característica es tener como fluido caloportador el aire. No tienen una
temperatura máxima límite (los procesos convectivos tienen una menor
influencia en el aire) y trabajan mejor en condiciones de circulación
normal, pero en contraposición poseen una baja capacidad calorífica y
el proceso de transferencia de calor entre placa y fluido es malo. Su
aplicación principal es la calefacción.
Colectores de Vacío: Van dotados de una doble cubierta envolvente,
herméticamente cerrada, aislada del interior y del exterior, y en la cual
se ha hecho el vacío. Su finalidad es la de reducir las pérdidas por
convección. Son más caros, además de perder el efecto del vacío con
el paso del tiempo. . Su aplicación principal es la producción de agua
calienta sanitaria y climatización de piscinas.
Tubos de Calor: Poseen una simetría cilíndrica, formados por dos
tubos concéntricos; uno exterior de vidrio y uno interior pintado de
negro o con pintura selectiva. El fluido circula por el tubo del interno. Su
aplicación principal es la calefacción.
Estos colectores se aprovechan al máximo en aplicaciones que requieren
temperaturas moderadas, entre 50 ºC y 95 ºC, y/o en climas muy fríos.
Figura 17. Calentador solar de tubos de calor. Fuente ANES, 2006.
Colectores cónicos o esféricos: Su principal característica es que
constituyen
simultáneamente
la
unidad
de
captación
y
de
almacenamiento. Su superficie de captación es cónica o esférica con
una cubierta de vidrio de la misma geometría. Con estas geometrías se
consigue que la superficie iluminada a lo largo del día, en ausencia de
sombra, sea constante, su instalación es sencilla, pero presentan
problemas de estratificación del agua y la superficie útil de captación es
pequeña.
Su aplicación principal es la
producción
de
agua
calienta
sanitaria.
Figura 18. Colector solar cónico.
Fuente ANES 2006.
3.4.2 COLECTORES SOLARES
DE CONCENTRACIÓN
Usan sistemas especiales con el
fin de aumentar la intensidad de la radiación sobre la superficie absorbente y
de este modo conseguir altas temperaturas en el fluido caloportador. La
principal complicación que presentan es la necesidad de un sistema de
seguimiento para conseguir que el colector esté permanentemente orientado
en dirección al Sol.
Concentradores cilíndricos: Su superficie reflectora es la mitad de un
cilindro. Su aplicación principal es la producción de vapor en una
central térmica.
Concentradores paraboloides: Su superficie reflectora presenta una
geometría de paraboloide de revolución. Su aplicación principal es la
producción de vapor en una central térmica.
Figura 19.
Concentrador
paraboloide.
Fuente Anes 2006.
3.5 COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA (C.P.P.)
El colector de placa plana se suele integrar en los llamados sistemas de
energía solar de baja temperatura los cuales se caracterizan por emplearlo
como elemento receptor de energía. Su uso principal es el calentamiento de
agua para uso sanitario, siendo el sistema activo más simple.
3.5.1 Elementos de un colector solar de placa plana
Para hacer una buena elección del tipo de colector hay que conocer las
características de los elementos que lo constituyen. Dicha información es útil
para poder evaluar la calidad de los colectores y saber elegir el más
adecuado para la instalación a realizar dependiendo de las condiciones
climatológicas a las que va estar sometido; la finalidad de la instalación; y al
presupuesto del que se dispone.
El colector de placa plana lo componen cuatro elementos principalmente: la
cubierta transparente, la placa captadora, el aislante y la carcasa.
1- Cubierta transparente
Es la encargada de producir el efecto invernadero, reducir las perdidas por
convección y asegurar la estanqueidad del colector al agua y al aire en unión
con la carcasa y las juntas. Ver tabla 3, en donde se muestran las
características de diferentes materiales para cubierta.
El efecto invernadero logrado por la cubierta consiste en que la radiación que
ha atravesado la cubierta y llega a la placa captadora, una parte es reflejada
hacia la cubierta transparente con una longitud de onda para la cual ésta es
opaca, con lo que se consigue retener la radiación en el interior. Este efecto
nos define las características de la cubierta:
Alto coeficiente de transmisión de la radiación de solar en la banda de
0.3 a 3 mm, el cual debe conservarse a lo largo de los años.
Bajo coeficiente de transmisión para las ondas largas, superiores a
3mm.
Bajo coeficiente de conductividad térmica, que dificulte el paso de calor
desde la superficie interior hacia la exterior, minimizando así las
pérdidas.
Debido a esto la cara interior de la cubierta estará más caliente que la
exterior, y por tanto se dilatará más, existiendo riesgo de rotura o
deformación, por lo que la cubierta transparente ha de tener un coeficiente de
dilatación pequeño.
Alto coeficiente de reflexión para la longitud de onda larga de la
radiación emitida por la placa captadora, a fin de que esta retorne a la
placa.
Se puede usar una doble cubierta o aumentar el espesor de la cubierta
transparente para tratar de minimizar las perdidas por convección, pero estas
soluciones aumentan las perdidas por absorción del flujo solar incidente,
además de encarecer el panel. En general se puede decir que la doble
cubierta es tanto más interesante cuanto más baja sea la temperatura exterior
y más fuerte sea el viento.
Los principales materiales utilizados son:
Vidrio: Son transparentes a la radiación de onda inferior a 3mm y
opacos a las radiaciones superiores. Existen numerosas variedades de
vidrio
que
se
distinguen
por
su
composición
química,
sus
características mecánicas y ópticas, etc. Se debe elegir los vidrios
recocidos o templados, ya que se mejoran sus propiedades mecánicas
sin alterar a las ópticas.
Materiales plásticos: Se presentan bajo la forma de películas flexibles
de algunas décimas de milímetros de espesor, o bajo forma de placa
rígida de algunos milímetros. Sus características principales son: baja
densidad, mala conductividad térmica, coeficiente de dilatación lineal
importante, mala resistencia a temperaturas elevadas, y sufren
deterioro físico e inestabilidad química bajo la acción de los elementos
exteriores.
Tratamientos especiales de la cubierta:
Tratamiento antirreflectante sobre la superficie exterior para disminuir
las pérdidas por reflexión de los rayos solares incidentes.
Tratamiento sobre la superficie interior para que refleje las radiaciones
de gran longitud de onda y no impida el paso de la radiación de corta
longitud.
El problema de estos tratamientos es el encarecimiento de los colectores
solares.
2- Placa Captadora:
Tiene por misión absorber de la forma más eficiente posible la radiación solar
y transformarla en energía térmica utilizable mediante su transferencia al
fluido caloportador. Generalmente es hecha de cobre, aluminio, acero y
plástico. En la superficie cuenta con un recubrimiento con la característica de
ser altamente absorbente.
Existen diferentes modelos, siendo los más usuales:
a) Dos placas metálicas separadas unos milímetros entre las cuales circula el
fluido caloportador.
b) Placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los
que circula el fluido caloportador. En lugar de una placa metálica se puede
dotar de unas aletas de aluminio a los tubos de cobre.
c) Dos láminas de metal unidas a gran presión excepto en los lugares que
forman el circuito del fluido caloportador, los cuales han sido abombados
mediante insuflación aire.
d) Placas de plásticos, usadas exclusivamente en climatización de piscinas.
La cara de la placa captadora que se expone al sol ha de estar protegida de
los rayos solares por medio de:
Pintura de color negro u oscuro que absorbe la radiación solar.
Presenta el inconveniente de tener un coeficiente de emisión sensiblemente
igual al de absorción, por lo que no es recomendable para altas temperaturas.
Superficies selectivas. Posee un coeficiente de absorción de radiación
solar alto y un bajo coeficiente de emisión. No existen materiales
simples que tengan esta propiedad, por lo que se consigue por medio
de superposición de capas o tratamientos especiales de la superficie.
Características de la placa captadora:
Tratamientos de la superficie: Las pinturas son más económicas que
los tratamientos selectivos pero se estropean antes.
Perdidas de carga: Si la instalación va a funcionar por medio de
termosifón estas no deben ser superiores a 3 mm de columna de agua
por 1 m2 de colector, para que la circulación sea la adecuada y no se
produzcan grandes saltos térmicos.
Corrosión interna: No se debe mezclar el cobre y el acero, para evitar
la corrosión de este último.
Inercia térmica de la placa captadora: Cantidad de calor necesaria para
elevar la temperatura de la placa y del fluido caloportador en un tiempo
determinado. La inercia térmica depende por lo tanto del volumen de
fluido que pueda contener, por lo que interesa reducirlo al mínimo para
mejorar el funcionamiento del panel.
Homogeneidad de la circulación del fluido caloportador por la placa,
con el fin de que el fluido tenga un reparto de temperas equilibrado.
Esto es vital para los paneles con doble placa, en los que el diseño del
circuito del fluido es de suma importancia para el rendimiento del panel.
Transmisión de calor: En los paneles con doble placa la transmisión de
calor es directa, no ocurriendo lo mismo para los que poseen los tubos
soldados o embutidos. En este último caso la transferencia de calor va
a depender de: la conductividad de la placa; la separación, diámetro y
espesor de los tubos; el rendimiento y régimen del líquido; y de la
buena ejecución de las soldaduras o de los acoplamientos a presión.
Entradas y salidas del fluido en la placa: Procurar que las pérdidas de
cargas en estos lugares sean bajas y que las soldaduras no estén
forzadas para impedir posibles fugas.
Puentes térmicos. Calorifugar bien las entradas y salidas para evitar
perdidas importantes debido a la creación de puentes térmicos entre la
placa y los elementos no aislados.
Resistencia a la presión: Debe ser capaz de soportar la presión de la
red. En caso de que los paneles se instalen con un circuito primario
aislado de la red se debe prever la subida de presión debido a:
La espontánea conexión de la placa a la red, debido a la pérdida de
carga y el necesario llenado del circuito primario desde la red.
La obstrucción del circuito primario debido a incrustaciones o por
tapones de hielo.
Por lo que hay que dotar a la instalación de los elementos necesarios que
eviten la producción de sobrepresiones.
En la Tabla 3 se muestran las características de algunos recubrimientos.
Tabla 3. Superficies absorbedoras. Fuente, Fernández Madrigal Arturo,
Colectorers solares planos. 2006.
Recubrimiento
CuO sobre cobre
Cromo negro sobre cobre
MnO2 sobre acero
inoxidable
NiS sobre níquel
CuO sobre níquel
Pintura negro mate
α
ε
0.89
0.92
0.85
0.17
0.12
0.20
0.91
0.81
0.92
0.11
0.17
0.90
3- Aislamiento:
La placa captadora está protegida en su parte posterior y lateral por medio de
un aislamiento para evitar las perdidas térmicas hacia el exterior.
Las características de estos aislantes han de ser:
Resistir altas temperaturas sin deteriorarse, lo que muchas veces se
consigue colocando entre la placa y el aislante una capa reflectante,
que impida que el aislante reciba directamente la radiación.
Desprender pocos vapores al descomponerse por el calor y en caso
de ocurrir que no se adhieran a la cubierta.
No degradarse por el envejecimiento u otro fenómeno a la temperatura
habitual de trabajo.
Soportar la humedad que se pueda producir en el interior de los
paneles sin perder sus cualidades.
Los materiales más usados son la fibra de vidrio, la espuma rígida de
poliuretano y el poliestireno expandido.
Cualquiera que sea el material escogido debe tener un coeficiente de
dilatación compatible con el de los demás componentes del panel solar. En la
siguiente Tabla 4 se muestran algunos materiales con sus propiedades.
Tabla 4. Características de materiales aislantes. Fuente Fernández Madrigal
Arturo 2006.
Material
Densidad
(kg/m3)
Fiberglass with organic
binder
11
16
24
48
24
48
Fiberglass with low binder
Ceramic fiber Blanket
Conductividad
Térmica a 95° C
(W/m k)
0.059
0.050
0.045
0.043
0.045 (at 200°C)
Temperatura
máxima
175
175
175
175
450
1450
Mineral fiber blanket
Calcium silicate
Urea-formaldehyde foam
Urethane foam
160
240
12
30-64
0.045
0.055 (at 250° C)
0.029
920
920
100
120-205
4- Carcasa:
Es la encargada de proteger y soportar los elementos que constituyen el
colector solar, además de servir de enlace con el edificio por medio de los
soportes.
Debe cumplir los siguientes requisitos:
Rigidez y resistencia estructural que asegure la estabilidad. Es de
suma importancia ya que debe resistir la presión del viento.
Resistencia de los elementos de fijación: mecánica para los esfuerzos
a transmitir; y química para soportar la corrosión.
Resistencia a la intemperie. A los efectos corrosivos de la atmósfera y
a la inestabilidad química debido a las inclemencias del tiempo.
Aireación del interior del colector para evitar la condensación del agua
en el interior del colector. Se realiza por medio de dos técnicas:
Vacío en el interior del colector cuando éste está frío, para que la
carcasa no esté sometida a una presión muy alta cuando el aire en su
interior se caliente.
Practicar unos orificios en la carcasa para permitir la aireación del
colector así como la evacuación de la condensación. Los orificios se
localizan en la parte posterior para evitar la entrada del agua de lluvia y
la perdida de aire caliente del interior del colector.
Evitar toda geometría que permita la acumulación de agua hielo o
nieve en el exterior del colector.
Facilitar el desmontaje de la cubierta para poder tener fácil acceso a la
placa captadora.
Figura 20. Imagen donde se muestran las partes del colector solar. La
carcasa que se encarga de proteger y soportar los elementos que constituyen
el colector solar, además de servir de enlace con el edificio por medio de los
soportes. Como se observa en la vista por sección. Fuente. Fernández
Madrigal Arturo, 2006.
5- Ductos.
Tienen la función de conducir al fluido de trabajo que remueve la energía
captada por la placa absorbedora. En los colectores más comunes estos
están integrados a la placa absorbedora.
3.6 FUNCIONAMIENTO DE UN COLECTOR SOLAR
Si se expone un colector al sol sin circulación de fluido en su interior, la
temperatura de la placa captadora o absorbedora irá aumentando
progresivamente.
Dicha placa irá almacenando el calor al mismo tiempo que tendrá unas
perdidas debido a los fenómenos de conducción, convección y radiación, las
cuales aumentan con la temperatura.
Llega un momento en que las perdidas se equiparan a la energía que recibe
la placa del sol y la temperatura se estabiliza alcanzándose la denominada
temperatura de equilibrio estática, que depende de las condiciones exteriores
a las que este sometida la placa (cuanto más frío sea el ambiente y más
viento haga más baja será esta).
Si ahora se hace circular un fluido por el colector, este recibe el calor de la
placa captadora e irá aumentando la temperatura, por el contrario la
temperatura de la placa disminuirá.
Manteniendo la circulación del fluido estacionario o constante, llegará un
momento en que se alcance una nueva temperatura de equilibrio llamada
temperatura de equilibrio dinámica, la cual es siempre inferior a la estática.
La máxima temperatura que un colector instalado puede alcanzar es la
temperatura de equilibrio estática, que es necesaria conocer por dos razones:
a) Será la temperatura que la instalación solar alcanzará cuando este parada.
b) La temperatura máxima teórica de utilización de la instalación será siempre
inferior a la temperatura de equilibrio estático
3.7 TANQUES DE ALMACENAMIENTO.
Existen varios tipos de tanques de almacenamiento para agua caliente. Los
utilizados más frecuentemente con colectores de placa plana en sistemas
nuevos son los sistemas integrados, donde los tanques de almacenamiento
son montados junto con los colectores, generalmente sobre el techo. Los
tanques son ubicados sobre los colectores para aprovechar el efecto de
termosifón. La densidad del agua varía según la temperatura. En general, el
agua es más densa a mayores temperaturas de lo que es a menor
temperatura. Los sistemas de termosifón hacen uso de este principio para
hacer circular agua a través del colector, el agua fría, proveniente de la
cañería, atraviesa el colector mientras el agua caliente es extraída del tanque
de almacenamiento. Para que el termosifón sea exitoso es esencial que los
caños tengan el diámetro adecuado.
Las principales ventajas del uso de sistemas con tanques de almacenamiento
integrados son que el sistema es más rentable para quienes lo instalen y el
agua caliente se suministra a la presión de las cañerías.
Los sistemas de alimentación por gravedad también pueden ser utilizados
para almacenar agua de los colectores de placa plana. En esta configuración,
el tanque es instalado en una cavidad en el techo, y únicamente el colector es
expuesto al sol. La posición de los colectores debe ser la adecuada para
permitir que se produzca termosifón en forma natural.
Figura 21. Tanque de almacenamiento de calentador solar de San Juan de
Río. Fuente imagen de AutoCad, UTESJ, 2006.
Aunque estos sistemas son generalmente más baratos al momento de su
compra, la cañería de la vivienda debe ser adecuada para alimentación por
gravedad, esto es caños más anchos.
Otros sistemas que se utilizan con colectores de placa plana, aunque menos
populares, son los sistemas forzados, en los cuales un tanque a la presión de
cañería es ubicado a nivel del suelo y el colector en el techo.
En estos sistemas una bomba de agua es activada cuando brilla el sol y el
agua fría circula atravesando el colector. Los sistemas forzados son más
caros que los sistemas integrados o de gravedad, y necesitan electricidad
para accionar la bomba de circulación de agua.
Lo importante de los tanques de almacenamiento es que estén perfectamente
aislados, para mantener el agua caliente por la noche.
3.9 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL CALENTADOR SOLAR.
La orientación del calentador solar debe ser hacia el sur, mientras que la
inclinación debe ser la misma a la de la latitud del lugar. En el caso de
Querétaro, la inclinación deberá ser de 20 °.
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL
PROYECTO
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1.
ETAPAS DEL DESARROLLO DEL PROYECTO
El proyecto consistió en cinco etapas fundamentales que se enlistan a
continuación en forma cronológica.
ETAPA
DESCRIPCIÓN
1
Definición del proyecto.
2
Diseño del calentador solar.
3
Construcción del calentador solar.
4
Realización de pruebas del calentador solar
4.2 DESARROLLO DEL PROYECTO
1. Definición del proyecto
En esta etapa se decidió el tipo de calentador solar que se realizaría, ya que,
existen diferentes tipos para diferentes usos. El asesor externo nos definió el
proyecto que consistió en el desarrollo de un tipo de calentador solar para uso
doméstico.
2. Diseño del calentador solar
Se diseñaron varios tipos de calentadores basándonos en los ya existentes, y
analizando cual sería el diseño del calentador que fuera más eficiente.
El diseño se llevó a cabo con el programa de ArchiCad 9. Véanse diferentes
imágenes del diseño en anexos. Para esto se tuvieron que analizar los
siguientes puntos: el material, dimensionamiento y costos, aunque para el
dimensionamiento no se siguieron los cálculos necesarios.
Figura. 23 Diseño del
colector solar.
2.1 Elección del material.
Para realizar el diseño se seleccionaron los materiales más adecuados que
cumplieran con los requerimientos del calentador solar, y que además, no
tengan un precio muy alto. Los materiales tenían que cubrir con las siguientes
necesidades para ser eficientes las cuales son:
Alto coeficiente de transmisión de la radiación de solar en la banda de
0.3 a 3 mm, el cual debe conservarse a lo largo de los años. (Cubierta).
Que tengan la capacidad de evitar las perdidas térmicas hacia el
exterior, (Aislante).
Capacidad de absorber la radiación solar. (Placa Captadora o
recubrimiento).
Resistencia a la intemperie. A los efectos corrosivos de la atmósfera y
a la inestabilidad química debido a las inclemencias del tiempo.
(Carcasa).
Los materiales elegidos fueron los siguientes:
Vidrio de 3 mm,
Lamina negra calibre 26,
Tubería, tes y codos de cobre de 2 pulgadas,
Pintura negra mate,
Lamina acanalada negra calibre 26,
Fibra de vidrio.
La justificación de estos materiales se encuentra en el capítulo 3 en donde se
estudian los elementos de un colector solar de placa plana. Ahí podemos
encontrar las características, funciones y ventajas de cada material.
2.2 Dimensionamiento del calentador solar
En esta etapa se determinaron las medidas del colector solar, de acuerdo al
uso que se le dará, el cual estuvo planeado para una casa habitación de tres
personas las cuales requieren de 150 litros de agua caliente al día.
Como ya mencionamos anteriormente, no se realizaron las ecuaciones que se
requieren para determinar las dimensiones del colector solar, así que los
cálculos necesarios se anexan en el capítulo sexto.
Ver anexos de las ecuaciones e imágenes del diseño final.
2.2.1 Colector solar de 80 cm de ancho x 110 cm alto x 10cm de
espesor.
Se decidió tomar estas medidas ya que la literatura nos menciona que con
estas dimensiones el colector puede alcanzar a calentar fácilmente 150 litros
de agua diarios.
En la siguiente figura se muestran las dimensiones del diseño que se realizó
del calentador solar.
10cm
110
Figura 24. Dimensiones del calentado solar.
2.2.2 Tanque de almacenamiento
El tanque de almacenamiento fue elegido de acuerdo a la capacidad
requerida, la cual debió de ser de 150 litros.
3. Construcción del calentador solar.
En esta etapa, estuvimos yendo a la Universidad Tecnológica de San Juan
del Río, ya que haya se cuenta con el equipo necesario para la construcción
del calentador.
Se construyó solamente una parte del colector solar, debido a diferentes
circunstancias que no hicieron posible la culminación como se planteó en un
principio del proyecto, por lo tanto, decidimos realizar un prototipo pequeño
de calentador solar para realizar las pruebas necesarias.
3.1 Construcción de prototipo representativa del diseño elegido del
calentador solar.
Se construyó una maqueta del calentador solar, basándonos en el diseño
original.
4. Realización de pruebas al prototipo de calentador solar (maqueta).
Se evaluó el rendimiento del prototipo, midiendo la temperatura alcanzada y el
tiempo que permanecía caliente el agua en el termotanque. Los resultados
que obtuvimos se presentan en el quinto capítulo.
En las siguientes imágenes podemos observar las pruebas realizadas al
prototipo.
Fig.25 Medición de temperatura del agua.
Fig.26 Evaluación del colector.
Fig.27 Imagen colector solar en funcionamiento
CAPÍTULO 5
RESULTADOS,
RECOMENDACIONES Y
CONCLUSIONES
CAPÍTULO 5
5.1 RESULTADOS
El resultado a esperar fue planteado en los objetivos antes mencionados,
como resultado se debe esperar teóricamente un resultado entre los 40 y
65°C de temperatura alcanzada por el colector solar.
Se esperaba construir un calentador solar grande para capacidad de calentar
150 litros de agua, y no se pudo concluir debido a diferentes circunstancias,
por lo que tuvimos que construir de manera alternativa un pequeño prototipo,
el cual nos dio resultados muy satisfactorios ya que, eran los que se
esperaban del calentador diseñado en un principio.
En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos en cinco ensayos,
realizados entre dos días.
PROTOTIPO
DE UN
CALENTADOR
SOLAR
RESULTADOS OBTENIDOS
Inclinación
Radiación
T ambiente
T
T salida
entrada
2
T
media
Ensayo
Fecha
Hora
(deg)
(w / m )
ºC
ºC
ºC
ºC
1
19-09-06
11:00
20
965,87
20,5
20,4
29,9
25,15
2
19-09-06
13:00
20
954,86
21,38
30.6
39.8
35,2
3
20-09-06
14:00
20
939,58
22,2
38,4
46,9
42,65
4
20-09-06
15:00
20
908,66
23.1
49.5
57,2
53,35
5
20-09-06
16:00
20
968,36
23,5
57,1
63.7
60.4
Tabla 5. Resultados obtenidos.
61
Se realizaron cinco ensayos completos, midiendo la temperatura de entrada y
salida del agua en su recorrido por el colector solar y presentando la
temperatura media alcanzada.
Es importante mencionar que el calentador requirió de dos horas para
empezar a funcionar, ya que el primer día de pruebas lo instalamos a las 9:00
am y esperamos hasta las 11.00 cuando la temperatura del agua ya estaba
comenzando a subir y entonces en ese momento decidimos realizar el primer
ensayo. Continuamos con las mediciones después de dos horas, en el que se
observó que la temperatura ya había aumentado diez grados centígrados.
Las siguientes mediciones fueron al siguiente día, debido a que uno de los
tanques tenía fugas y se tuvo que sellar mejor.
Las siguientes mediciones se realizaron por la tarde, en este día se dejó
expuesto al sol el colector por hora y media solamente. A las dos de la tarde
ya nos estaba dando temperaturas de 46.7 grados centígrados, a la siguiente
hora aumentó la temperatura a los 57 grados centígrados y en la última
medición la cual fue a las cuatro de la tarde, el agua alcanzó los 63,7 grados
centígrados.
En la tabla 5 se puede apreciar que el
prototipo que construimos fue eficiente,
ya que alcanzó temperaturas de hasta 60
° C, en un día templado a 23 °C de
temperatura ambiente, a las cuatro de la
tarde. Como podemos apreciar en la
siguiente imagen, donde se muestra el
registro de temperatura del agua.
Imagen 28. Registro de temperatura a 60°C.
Por último medimos el tiempo en que el agua almacenada en el termo tanque
permanecía caliente, hasta las 7:00pm, ya que de las ocho en adelante baja
la temperatura hasta los 25 grados centígrados. Estos resultados se dieron
debido al deficiente aislamiento que se le dio al termo tanque, ya que no se
concluyó como se planeó, construirlo debido a que se le dio mayor
importancia al colector plano. En cuanto al tanque nos faltó aislarlo con fibra
de vidrio y envolverlo con una lamina negra.
Obsérvese la siguiente tabla en donde se muestra el comportamiento de las
temperaturas en el termotanque.
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
Hora (hrs)
Temperatura °C
18:00
45
19:00
37
20:00
25
21:00
20
Tabla 6, mediciones al tanque de almacenamiento.
5.2 CONCLUSIONES
Para cumplir con el objetivo teníamos que realizar el diseño de un calentador
solar para uso doméstico y construirlo. Así que realizamos un prototipo
pequeño para poder experimentar con él y cubrir el objetivo y
logramos
excelentes resultados.
Los resultados obtenidos en las diferentes evaluaciones del prototipo del
calentador
solar
fueron
satisfactorios,
alcanzamos
las
temperaturas
esperadas y logramos probar con éxito el funcionamiento del sistema
completo (calentador solar), dejando así más parámetros para el desarrollo de
nuevos diseños de colectores solares.
Como conclusión final estoy convencida que la mejor decisión de inversión
para la sociedad consiste en permitir que el Sol nos de su energía para el
calentamiento del agua de nuestras casas, con el fin de recuperar los
beneficios económicos al desplazar la combustión de gas y lo más importante
dejar de contaminar por este medio.
5.3 RECOMENDACIONES.
Terminar el calentador solar que fue diseñado, para evaluar su
rendimiento y eficiencia.
Recomiendo que se le preste especial importancia a la hora de
construir el termotanque ya que de este dependerá la conservación del
agua caliente por la noche.
Incluir al colector solar, medias parábolas de espejos para alcanzar
mayores temperaturas.
Construir la Carcasa con material de acero inoxidable (0,6 mm de
espesor) soldado y sellado con silicona.
La siguiente recomendación va para la sociedad en general: atrévase a
instalar un calentador solar de agua en su casa: ahorrará gas y, por
ende, dinero. Además, contribuirá a mejorar el aire que todos
respiramos.
CAPITULO 6
GLOSARIO,
BIBLIOGRAFÍA Y
ANEXOS
CAPÍTULO VI
6.1 GLOSARIO
Biogás
Gas combustible, mezcla de metano con otras moléculas, formado en
reacciones de descomposición de la materia orgánica (biomasa).
Clima
Es una media de los tiempos meteorológicos de una zona a lo largo de varios
años. Para definir un clima se suelen usar medias de temperatura,
precipitación, etc. de veinte o treinta años. Un clima es, por ejemplo, el
mediterráneo, caracterizado por veranos cálidos y secos, inviernos tibios y
lluvias, a veces torrenciales, en otoño y primavera.
Contaminación
Cualquier alteración física, química o biológica del aire, el agua o la tierra que
produce daños a los organismos vivos.
Contaminante primario
Sustancias producidas en las actividades humanas o en la naturaleza que
entran directamente en el aire alterando su composición normal.
Contaminante secundario
Substancia que se forma en la atmósfera cuando algún contaminante primario
reacciona con otros componentes del aire.
Convección
Corrientes circulares que transportan calor y materia que se forman en un
fluido cuando hay diferencias de temperatura.
Células fotovoltaicas
Dispositivos formados por metales sensibles a la luz que des prenden
electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía
luminosa en energía eléctrica.
Efecto invernadero. Calentamiento de la atmósfera de la tierra porque el
calor queda atrapado por los gases del aire. Estos gases suelen ser bióxido
de carbono, metano y ozono.
Radiación solar. La radiación recibida en la superficie de la tierra es un
porcentaje del total de la radiación que incide sobre la atmósfera terrestre,
debido a los procesos de absorción, reflexión y difusión que sufren los rayos
solares al incidir sobre los componentes de la atmósfera; una tercera parte de
la energía solar interceptada por la Tierra es devuelta al espacio exterior por
reflexión, difusión y refracción, mientras que las dos terceras partes restantes
son absorbidas y posteriormente enviadas, en su mayor parte, al espacio
exterior en forma de radiación de onda larga.
6.2. BIBLIOGRAFÍA.
•
Alonso Marbán Efraín.
Apuntes de Arquitectura Bioclimática.
México 1999
•
Bedoya, F.; Neila, Javier.
Acondicionamiento y Energía Solar en Arquitectura.
Colegio de Arquitectos de Madrid, 1986.
•
Fernández Madrigal Arturo.
Colectores Solares planos.
México: Sagarpa, Firco 2006.
•
Hansen James.
El calentamiento global
Scientific American latinoamericana
2004.
•
Lacomba, Ruth (Comp.).
Manual de Arquitectura Solar.
México: Trillas, 1991.
•
Walisiewicz, Marek.
Energía alternativa.
Guía básica sobre el futuro de la tecnología energética.
Edit. Planeta. Primera edición, México 2004
•
Revista Solar número 55, ANES,
Publicación 2005.
•
www.anes.org/
•
www.monografías.com
6.3 ANEXOS
6.3.1 DISEÑOS DEL CALENTADOR SOLAR
Imagen 1. Isométrico del colector solar.
Imagen 2. Isométrico de uno de los primeros diseños, en donde en vez de
tubería de cobre, lleva dos placas de lamina acanalada para formar los
canales por donde circularía el agua.
En estas imágenes se muestra el diseño del calentador solar para casa –
habitación, el cual fue realizado en el programa de ArchiCad.
Imagen
acanaladas
3.
Laminas
formando
tubos.
Imagen1. Estructura de la tubería de cobre
Imagen 2. Partes del colector solar
Imagen 3. Ensamblado del
colector
Imagen 4. Colector terminado.
Imagen 5 Detalle de tubería.
Imagen 6. Estructura en la que se
coloca el colector solar.
6.3.2 Conceptos generales
La radiación solar (llamada también luz solar) está compuesta de rayos
electromagnéticos de diferentes longitudes de onda y de diferentes
frecuencias (la longitud de onda de un rayo es inversamente proporcional a su
frecuencia).
Todos estos diferentes rayos forman lo que se llama el espectro solar. Parte
de este espectro puede ser visto por el ser humano y por eso es llamado
región
visible
del
espectro
solar
cuyas
longitudes
de
onda
van
aproximadamente desde 400 a 800 nm (un nanómetro, es una dimensión muy
pequeña, igual a una millonésima de milímetro).
Las radiaciones con longitudes de onda superiores a éstas, o lo que es lo
mismo, con frecuencias inferiores, forman la región infrarroja del espectro
solar y las inferiores en longitud de onda y superiores en frecuencia, la región
ultravioleta.
La radiación solar tiene un valor energético promedio en Cuba de 4 500
kilocalorías por metro cuadrado al día (una kilocaloría es la cantidad de calor
necesaria para subir la temperatura de un litro de agua un grado centígrado o
Celsius).
Desde el punto de vista de su valor energético, la región ultravioleta del
espectro solar puede despreciarse en la superficie terrestre, ya que casi toda
es filtrada por la capa de ozono de la atmósfera. Y aproximadamente 50%
pertenece a la región visible y otro 50% a la infrarroja.
Cuando la radiación solar llega a un cuerpo, parte es captada o absorbida,
parte es reflejada y, en los casos de los cuerpos llamados transparentes o
translúcidos, parte es transferida (o sea, pasa parte de la luz a través del
cuerpo). Un cuerpo opaco es aquel que no deja pasar ninguna luz y mientras
es más oscuro, absorbe más y refleja menos.
Un cuerpo blanco refleja casi toda la radiación solar, mientras un cuerpo
negro, la absorbe casi toda. O sea, la absorción y la reflexión de la luz
dependen, principalmente, del color de la superficie del cuerpo.
Cuando la radiación solar es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor,
o sea, éste se calienta. Un cuerpo caliente se enfría cuando le pasa calor a
otro cuerpo por contacto (por conducción) o a un fluido, aire o agua en
movimiento que lo rodea (por convección) y por la emisión al exterior (por
irradiación).
El calor que irradia un cuerpo caliente (a temperaturas moderadas) lo realiza
también en forma de ondas electromagnéticas, pero de longitudes de ondas
muy grandes llamadas infrarrojas lejanas. Para que un cuerpo se mantenga
caliente, debe aislarse térmicamente, o sea, disminuir con un aislante las
pérdidas de calor.
Existen muchos materiales aislantes: el concreto (los bloques), la arcilla (los
ladrillos), el asbesto, el corcho, la madera, el aserrín de madera (llamado
popularmente aserrín), la poliespuma (poliestireno), el poliuretano, etc.
También hay materiales muy buenos conductores del calor como el cobre, el
aluminio, el acero y la mayoría de los metales.
El vacío es también muy buen aislante, pero es bueno saber que tanto el aire
como el agua pueden ser buenos aislantes si están en reposo, o sea, si no
existen corrientes de convección, porque su transferencia de calor por
conducción es muy poca.
Así, el aislante que se use en la parte superior de un calentador solar debe,
además de servir como aislamiento térmico, dejar pasar la radiación solar, es
decir, ser transparente (o, mejor dicho, casi transparente, ya que en la
práctica un cuerpo totalmente transparente no existe).
El vidrio es un material con propiedades especiales. Es casi transparente a la
radiación solar, tanto visible como infrarroja y sin embargo es opaco a la
radiación infrarroja lejana que emite el cuerpo calentado, o sea, actúa como
una trampa de calor: el llamado efecto invernadero.
Con estos conocimientos básicos, podemos diseñar un calentador solar con
mayor o menor eficiencia, en dependencia de los materiales de que podamos
disponer.
6.3.3
ECUACIÓN
BÁSICA
DEL
BALANCE
ENERGÉTICO
EN
COLECTORES DE PLACA PLANA
Mediante un balance energético se puede hallar la distribución de la energía
solar incidente sobre un colector de placa plana, su transformación en energía
útil y las pérdidas térmicas.
Este balance energético se puede poner en la siguiente forma:
En la que:
•
A es la superficie del colector, igual en la cubierta que en la placa
absorbente.
•
k es un factor de conversión de la radiación (difusa y directa), que
sirve para evaluar la energía solar incidente en el plano del colector.
•
es la transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector
•
es la absortancia solar de la placa absorbente del colector
•
es el calor útil que se transfiere al fluido refrigerante que circula por
el colector solar, de valor:
Siendo:
•
•
la capacidad calorífica del fluido del colector,
es la cantidad de calor perdida desde la placa absorbente del
colector al medio exterior, tanto por convección, como por conducción
y radiación. Esta energía perdida lo es hacia arriba, hacia abajo y
hacia los laterales del colector.
•
es la energía almacenada en el colector.
La energía solar incidente Is sobre la placa absorbente viene dada por la
siguiente expresión:
En la que,
•• se calcula para la radiación directa con el ángulo real de
incidencia, mientras que la radiación difusa se considera como si fuese
directa, pero con un ángulo de incidencia de 60°.
El rendimiento del colector
que proporciona una medida de su
funcionamiento se define como:
Para obtener un resultado significativo, el rendimiento se tiene que calcular
para todo un día de funcionamiento.
En todo momento hay que compatibilizar el rendimiento óptimo del colector
con un coste mínimo del mismo, lo que implica el tener que diseñar colectores
con una eficiencia inferior a la tecnológicamente posible, que reduce el coste
de forma significativa.
Este método es pesado y laborioso, por lo que generalmente se recurre a otra
formulación en la que se consideran algunas simplificaciones, en régimen
permanente, como veremos más adelante.
6.3.4 PERDIDAS DE CALOR DEL COLECTOR
El valor de
se puede poner en función del coeficiente global de
transmisión de calor de las pérdidas de calor del colector
Si se conoce
y si la placa del colector se sabe está a una temperatura media Tp el
valor de q pérd se puede poner, siendo Ta la temperatura ambiente, en la
forma:
Fig.-Circuito térmico aproximado de un
colector solar
Un modelo adecuado de análisis térmico
de un colector de placa plana puede
considerar las siguientes hipótesis simplificadoras:
- El colector está térmicamente aislado en estado estacionario
- La caída de temperatura entre la parte superior e inferior de la placa es
despreciable
- El flujo térmico se puede considerar monodimensional, tanto a través de las
cubiertas, como de los aislamientos laterales
- Los cabezales que conectan los tubos cubren solamente una pequeña
superficie de la placa colectora y proporcionan un flujo térmico uniforme a los
tubos
- El cielo se puede considerar como si fuese una fuente térmica equivalente a
un cuerpo negro, en lo que respecta a la radiación infrarroja, a una
temperatura del cielo equivalente
- Se supondrá que la radiación, Is = I0 •s, sobre la placa plana absorbente del
colector es uniforme
La distribución de temperaturas sobre el colector de placa plana se puede
representar mediante el circuito térmico aproximado que se presenta en la Fig
en la que la placa colectora absorbe una energía incidente igual a, •s Is k.
6.3.5 ANÁLISIS DEL CIRCUITO TÉRMICO DE UN COLECTOR CON DOS
CUBIERTAS A LAS TEMPERATURAS T1 y T2.
Si la superficie inferior del colector está bien aislada (de la placa absorbente
hacia abajo), la mayor parte de las pérdidas al exterior se producen a través
de su superficie superior, es decir, a través de la cubierta o cubiertas que
constituyen la ventana del colector; el calor se transfiere entre la cubierta y la
segunda placa de vidrio, y entre las dos placas de vidrio, por convección y
radiación, en paralelo,
Figs III.3.4.
La velocidad de transferencia de las pérdidas térmicas por unidad de área del
colector entre la placa absorbente a Tp y la segunda cubierta de vidrio a T2,
es la misma que entre las placas de vidrio que conforman las cubiertas a T2 y
T1 y la misma que entre la placa de vidrio de la cubierta exterior a T1 y el
medio exterior a Ta. Teniendo en cuenta la Fig III.4 se encuentra que las
pérdidas térmicas hacia arriba, entre la placa colectora y la segunda cubierta,
se pueden poner en la forma:
Fig III.3.- Colector de
placa
plana
con
cubiertas
Fig III.4.- Circuito térmico del colector de placa plana con dos cubiertas.
dos
La ecuación anterior se puede poner en función de (Tp - T2) como:
La velocidad de la transferencia de las pérdidas térmicas entre las dos
cubiertas es de la forma:
Es el coeficiente de transferencia de calor por radiación entre las dos
cubiertas transparentes.
Las emitancias •1i y •2i de las dos cubiertas transparentes serán iguales, si
ambas están construidas del mismo material. Si no fuese así, se pueden
obtener algunas ventajas económicas utilizando una cubierta de plástico entre
la cubierta más exterior, que será de vidrio, y la placa absorbente; en este tipo
de construcción sería posible el que las propiedades radiativas de las dos
cubiertas no fuesen iguales.
Fig III.5.- Valores
del reparto de la
energía
incidente
sobre un colector
de placa plana con
una cubierta.
Si el aire está en reposo, para hallar la ecuación de la resistencia térmica
entre la superficie superior de la cubierta exterior y el aire ambiente, se
pueden utilizar correlaciones de convección natural, pero si sobre el colector
está soplando el viento, hay que aplicar correlaciones de convección forzada.
A su vez se produce un intercambio de radiación entre la cubierta superior y el
cielo a una temperatura Tcielo, mientras que el intercambio de calor por
convección se produce entre T1 y el aire ambiente a Ta.
Por comodidad consideraremos que (Tcielo = Taire = Ta) lo que permite
obtener:
Para el colector de placa plana y doble cubierta de vidrio, la conductancia de
la pérdida de calor
Uc(total) se puede expresar en la forma:
El cálculo de Uc(total) exige la resolución iterativa de las ecuaciones q* y q’
por cuanto las conductancias de radiación unitarias son función de la
temperatura exterior de la cubierta y de la placa absorbente, que en principio
no son conocidas.
6.3.6 DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN LOS TUBOS Y FACTOR
DE EFICIENCIA DEL COLECTOR
Vamos a suponer la disposición de tubos que se indica en la Fig III.6
separados una distancia L, con un espesor de placa e y anchura a unidad y
diámetro exterior de los tubos de. En lo anterior hemos llamado Tp a la
temperatura de la placa que se ha supuesto constante; sin embargo, al
introducir el sistema de tubos separados una distancia L se produce en la
placa un flujo de calor desde la mitad de esa distancia hacia cada tubo que
será captado por éstos, lo que hace que a lo largo de la placa en tramos
correspondientes
a dos tubos consecutivos, la temperatura de la placa sea variable.
Como el material de la placa metálica es un buen conductor del calor, el
gradiente de temperaturas a través de la misma será despreciable; si se
conoce la temperatura Tb en la unión del tubo con la placa .véase en la Fig
III.4, la región entre la línea central (m-m´) que divide a la placa entre dos
tubos por la mitad y la base de éstos, se puede considerar como una aleta
térmicamente aislada en su extremo libre.
Figura. Unión de los tubos a la placa
Para un elemento de aleta de superficie
, la energía absorbida es:
El flujo térmico se dirige de la placa (aleta) hacia los tubos, y no a la inversa,
como sucede en el estudio general de aletas, pudiéndose hacer el siguiente
balance térmico Fig III.7:
Las pérdidas de calor transmitidas por convección al exterior, a través del
elemento de superficie
vienen dadas por:
Siendo Uc la conductancia global a través de las cubiertas, entre la placa y el
aire ambiente.
Que resuelta como aleta de sección transversal uniforme y extremo libre
térmicamente aislado, proporciona la siguiente distribución de temperaturas:
Observándose que el denominador es la resistencia térmica existente entre el
fluido y el medio ambiente, mientras que el numerador es la resistencia
térmica existente entre el colector y el medio ambiente.
Unos valores típicos de los parámetros que determinan el factor de eficiencia
del colector F, en el caso de un colector de placa plana, son:
El factor de eficiencia F crece al aumentar el espesor de la placa y la
conductividad térmica de la misma, y decrece al aumentar la distancia entre
los conductos de flujo. Un aumento de Uc hace que F disminuya.
Se define el factor de evacuación de calor del colector FR como el
cociente de la velocidad real de transferencia de calor al fluido de trabajo y la
velocidad de transferencia térmica a la máxima diferencia de temperaturas
entre el fluido absorbente del colector y el medio ambiente, mediante la
relación:
Siendo TF1 la temperatura de entrada del fluido.
El límite termodinámico del denominador corresponde a la condición de que el
fluido de trabajo permanezca a la temperatura TF1 de entrada en todo el
colector, valor al que se puede aproximar cuando la velocidad de entrada sea
muy grande. La temperatura del fluido aumenta en la dirección del flujo a
medida que se le va suministrando calor.
El factor FR es de la forma:
Siendo GFluido el flujo másico por unidad de superficie y cpF el calor
específico del fluido.
La ganancia total de energía útil del colector es:
Calculándose esta ganancia de energía útil en función de la temperatura TF1
de entrada del fluido, que normalmente es un dato.
La eficiencia • del colector se define en la forma:
6.3.7 TEMPERATURA MEDIA DE LA PLACA RÉGIMEN ESTACIONARIO.Para poder evaluar el rendimiento del colector hay que conocer Uc que es
función de la temperatura de la placa.
La temperatura media de la placa Tp siempre será superior a la temperatura
media del fluido TF.
Esta diferencia de temperaturas es, generalmente, pequeña para sistemas de
líquidos y significativa para sistemas de aire. Se pueden relacionar Tp y TF
mediante la ecuación:
En la que RpF es la resistencia a la transferencia de calor entre la placa y el
fluido, que depende del coeficiente de transferencia de calor por convección.
Para un colector de tubos y aletas, ésto supone que tanto la conductancia de
la unión, como la eficiencia de la aleta, sean altas. Para un líquido que circula
por el interior de una tubería, el valor de la resistencia a la transferencia de
calor entre la placa y el fluido RpF es:
Siendo n el número de tubos y a la longitud de los mismos.
Para un sistema de acondicionamiento de aire, el coeficiente RpF es la
inversa del coeficiente hcF de transferencia de calor de la placa al aire,
multiplicada por la superficie lateral del colector:
La temperatura media de la placa varía ligeramente a medida que Qu se
modifica a lo largo del día, siendo su influencia en Uc relativamente pequeña.
6.3.8 RÉGIMEN TRANSITORIO.- El funcionamiento de la mayoría de los
sistemas de energía solar es en régimen transitorio, debido a dos factores:
a) A que el colector se calienta desde el amanecer hasta alcanzar una
temperatura de funcionamiento, más o menos uniforme, a media tarde.
b) A las variaciones de la radiación solar debidas a la meteorología y al viento.
Para un colector de una sola cubierta y suponiendo que (Is •s) y Ta
permanecen constantes en un período de tiempo, por ejemplo (• = 1 hora) la
temperatura Tp de la placa se puede obtener a partir de la ecuación:
Siendo: G la velocidad másica del fluido y Ccol = (G cp)col la capacidad
calorífica eficaz del colector:
en la que, Cplaca= (G cp)placa y Ccubierta= (G cp)cubierta son las
capacidades caloríficas de la placa y la cubierta respectivamente y Uca el
coeficiente de pérdidas térmicas desde la cubierta a Tc al aire a Ta.
Para n cubiertas se tiene:
En la que ai toma los valores que se indican en la Tabla III.1.
Cubiertas
a
i
•p
= •p
= •p
0,95
0,50
0,10
1
a1
0,27
0,21
0,13
2
a1
0,15
0,12
0,09
2
a2
0,62
0,53
0,40
3
a1
0,14
0,08
0,06
3
a2
0,45
0,4
0,31
3
a3
0,75
0,67
0,53
=
6.3.9 OTRAS CONFIGURACIONES GEOMÉTRICAS DEL COLECTOR
En los apartados anteriores, hemos considerado solamente un diseño básico
de colector, compuesto por un calentador solar de tubos y placa; existen
muchos
y
diferentes
diseños
de
colectores
de
placa
plana,
pero
afortunadamente no es preciso desarrollar un análisis completamente nuevo
para cada caso.
Existen algunos casos, como los colectores de placas de cristal solapadas ó
el calentador de aire matrix, en los que los ensayos realizados hasta la fecha
no han permitido presentar una formulación adecuada, ni resultados
satisfactorios, por lo que para cada situación se hará preciso recurrir a
técnicas numéricas o a simulación con ordenador. Un diseño no convencional
muy interesante es el colector Speyer (1965) que utiliza un tubo de cristal en
el que en la cubierta se ha hecho un vacío relativo; debido a su geometría
circular, es posible reducir las pérdidas de calor por convección.
EL RENDIMIENTO SE DEFINE POR:
LA ECUACIÓN:
•=
ECUACIÓN RECOMENDADA:
Qu
AI
η = Rendimiento
A= Área de referencia (m2 )
• = 0.9471 − 0.6725 ⋅ T **
T ** = U 0
Tm − Ta
I
Tm y Ta= Temperatura media y
Temperatura ambiente.
Qu= Energía útil en el captador (w)
T**= Temperatura adimensional.
I = Irradiación solar (W/m2)
U0= Coeficiente Normalizado
2
(10W/m ºC)
La expresión indicada anteriormente y representada en el grafico siguiente, ha
sido obtenida según el procedimiento descrito en la norma INTA 600001.
1
0,9
Rendimiento η
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
Figura
0,2
2.
Curva
0,4
de
0,6
rendimiento
0,8
del
1
captador
1,2
solar.
1,4
Fuente.
www.monografías.com. Calentadores ATESA EXPORT TRIDIMENSIONAL.
6.3.10 CALCULO PARA DIMENSIONAR INSTALACIONES
Imaginemos que queremos obtener 1000 litros diarios de Agua a 60º C.
DATOS:
Temperatura ambiente
= 15ºC
Irradiación solar
= 1000 W/m²
Horas de Sol (Depende de la época del año)
= 5
Área de apertura del Captador
= 1’852 m²
0’86 Kcal
= 1 Wh
CALCULOS:
Temperatura media – Temperatura ambiente = 45 ºC
45 . 000 Kcal
= 52 . 325 W → Es la potencia necesaria..
0 '86 Kcal
Aplicamos la formula de la tabla, para determinar cuantos captadores
necesitamos para obtener dicha energía.
• = 0.9471 - 0.6725 ⋅ T **
Tm (60º ) - Ta (15º )
× ( U 0 )10 = 0.45
I (1000 Wm 2 )
0.6725 x 0.45 = 0.302625
η= 0.9471 • 0.302625 = 0.644475 de rendimiento por m2.
Ahora que sabemos el rendimiento que da el captador por m2 para obtener la
temperatura del ejemplo, aplicamos los datos siguientes para calcular el
numero de captadores que necesitamos.
Necesidades 52325 W.
Aportación por m2 por 5 horas del captador 3222 W.
Numero de m2 de captador necesarias 52325 W: 3222 W = 16.24 m2: 2.538
AREA TRIDIMENSIONAL = 6,39 Captadores.
Como un captador no se puede partir, haran falta 7 captadores.
Uo = Coeficiente normalizado (10 W/m2)