Sonia Vara Benlloch

Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas
CALENTADOR SOLAR
Sonia Vara Benlloch
LA PURISIMA-FRANCISCANAS
Valencia
Introducción:
La energía solar viene utilizándose desde hace siglos para la obtención de otras formas de
energía. En los últimos años y debido a los problemas medioambientales que sufre nuestro
planeta se hace inevitable buscar fuentes de energía que no sean las convencionales. La
energía del sol juega un papel crucial en esta hazaña puesto que tiene muchos usos, es
económica, no contamina y podemos transformarla en algunos casos de forma simple e
incluso utilizando materiales reciclados. En nuestro caso vamos a utilizar la energía del sol
como fuente para calentar el agua en una instalación doméstica.
Objetivos:
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Aprender a utilizar materiales reciclados en la construcción de proyectos.
Utilizar la energía del sol como fuente que proporciona calor.
Aprender a diseñar un depósito utilizando algunas magnitudes físicas.
Relación del tema propuesto con el curriculo del Curso:
Unidad didáctica “Formas de energía” de la asignatura Tecnología 3º ESO.
Material y recursos necesarios:
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Tablero de fibra o contrachapado de 120x100 cm
Papel o chapa fina de aluminio
Manguera flexible (øinterior=15mm) de 10 m de longitud preferiblemente negra
20 botellas de plástico de 1/2 l
10 Codos para manguera
Llave de paso o grifo para manguera flexible de riego
Bridas o alambre
Cutter, barrena y pegamento (se puede usar cola de base plástica)
Esmalte negro y pinceles
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Normas
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Tener precaución a la hora de cortar y perforar las piezas.
Procedimiento:
1. Diseñar en el tablero el circuito en zig-zag que seguirá el agua.
2. En los extremos donde se coloque los codos perforar con barrena para insertar la
brida y que esta sujete las piezas una vez montado el circuito.
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3. Cubrir el tablero con el papel de aluminio utilizando pegamento.
4. Cortar la base y la boca de las botellas de plástico.
5. Cortar 5 piezas de la manguera de 90 cm.
6. Cortar 5 piezas de la manguera de 12 cm.
7. Insertar las botellas cortadas en la manguera.
8. Con la ayuda de los codos unir las piezas anteriores formando un zig-zag.
9. Pintar las botellas con pintura acrílica negra (o mejor si tenemos esmalte)
10. Una vez realizado el circuito instalarlo en el tablero sirviéndose para ello de las
bridas que lo mantendrán sujeto.
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11. Cortar la manguera sobrante en dos piezas dependiendo de donde se encuentre la
toma de agua. Estas dos piezas serán la entrada y salida del calentador.
12. Conectar la entrada al calentador y la toma de agua con un trozo de manguera.
Repetir la operación con la salida del colector, situando al final de la manguera una
llave de paso o grifo para regular la salida de agua caliente.
13. Cerrar la llave de salida y abrir el grifo para llenar el calentador. Colocar el
dispositivo orientado hacia el sol durante unas horas y ya se puede utilizar el agua
caliente cuando se desee con sólo abrir la llave de paso.
Aquí mostramos nuestro proyecto terminado. Hemos decidido colocarlo en el
laboratorio de Química y así dispondremos de agua caliente cuando queramos lavarnos
las manos o enjuagar el material de laboratorio.
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Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica:
5 sesiones de 55 minutos
Cuestiones para los alumnos:
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¿Sabes qué cantidad de agua utilizamos para ducharnos o para lavarnos las
manos?¿Cómo podrías medirla?
¿Por qué utilizamos botellas de plástico?¿Variaría la temperatura del agua el no
poner estas botellas?
¿Qué volumen de agua disponemos con un calentador de estas características?
Halla el volumen con un calentador de nuestras características.
¿Se te ocurren otros diseños de calentador (que no sean en zig-zag)?
¿Dónde crees que sería útil instalar estos dispositivos?
¿Sabes cuanta energía podríamos ahorrar cada dos meses?
Análisis de las respuestas de los alumnos:
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¿Sabes qué cantidad de agua utilizamos para ducharnos o para lavarnos las
manos?¿Cómo podrías medirla?
Los alumnos no tenían ni idea de cuanta agua empleaban para ducharse o lavarse las
manos, en lo que si coincidieron la mayoría de ellos es que tardaban en ducharse de
5 a 10 minutos y se lavaban las manos en 10 segundos aproximadamente.
Lo que hicieron fue buscar en Internet datos sobre esta cuestión y la media que una
persona suele emplear para la ducha es de unos 8 litros por minuto. Así en una
ducha corta de 5 minutos empleamos 40 litros de agua, y nos lavamos las manos
con un litro de agua.
Para poder medir la cantidad de litros, propusieron diversas experiencias como
llenar un cubo o recipiente grande de volumen conocido y calcular el tiempo que
tardaba en llenarse.
Por último reflexionamos sobre los posibles errores de medida si esta experiencia se
realizaba en una casa u otra, puesto que la presión varía dependiendo de la
instalación doméstica, la capacidad del calentador, la apertura de la llave de paso
etc.
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¿Por qué utilizamos botellas de plástico?¿Variaría la temperatura del agua el
no poner estas botellas?
Todos los alumnos coincidieron en que era una buenísima idea colocar botellas de
agua para aumentar la temperatura puesto que crearían una especie de cámara que
atraparía la radiación procedente del sol. Sin embargo no les gustó el que las
botellas de agua fueran transparentes ya que estas radiaciones podrían “escaparse” a
través del plástico. Por ello propusieron pintarlas de negro ya que realizaría doble
función: la de absorber la radiación e impedir que los rayos solares puedan salir de
nuestra cámara de plástico.
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¿Qué volumen de agua disponemos con un calentador de estas características?
Halla el volumen con un calentador de nuestras características.
Tomando la manguera como un cilindro les fue muy sencillo hallar el volumen de
agua disponible.
Siendo la longitud de la manguera utilizada de L=5x90+5x12=450+60=510 cm.
Como la altura del cilindro es la longitud de nuestra manguera y el radio, la mitad
del diámetro de la misma, el volumen será:
901,25 cm3
Por tanto en un calentador de estas dimensiones dispondremos de un V=901,25 ml,
es decir aproximadamente 1 litro de agua que será suficiente para disponer de un
servicio de lavado de manos o material de laboratorio.
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¿Se te ocurren otros diseños de calentador (que no sean en zig-zag)?
Este fue el punto más interesante de la experiencia puesto que aquí se demostró el
gran ingenio de los chavales:
-Crearon un dispositivo en espiral al que llamaron de “el roscón”. La verdad es que
no tuvo mucho éxito porque aunque albergaba un volumen mayor que el diseñado
en zig-zag necesitábamos de una grande presión para hacer circular el agua a través
de él. Además la salida de agua no era muy adecuada para conectarla a la tubería.
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- Otra de las propuestas fue añadir al calentador en zig-zag un punto de apoyo para
que se mantuviera en horizontal mientras el calentador estaba vacío. Lo curioso de
esta propuesta era que al llenarse de agua el calentador se inclinaba por acción de la
gravedad y así se orientaba hacia el sol. La inspiración de este mecanismo vino de la
visita que realizamos a una central fotovoltaica al observar cómo los paneles
cambiaban su inclinación siguiendo la orientación del sol en cada momento.
-También propusieron la creación de calentadores solares “de viaje” es decir
maletines que al abrirse llevaban incorporado un pequeño dispositivo en zig-zag
para almacenar agua y al orientarlo al sol disponer de agua caliente.
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¿Dónde crees que sería útil instalar estos dispositivos?
En cualquier casa, lugar de trabajo, escuelas, instalaciones de ocio, polideportivos.
En general en cualquier lugar donde se necesite agua caliente y no se disponga o no
se quiera utilizar energías convencionales (gas natural, electricidad…)
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¿Sabes cuanta energía podríamos ahorrar cada dos meses?
Ni se imaginaban la energía que gastamos al utilizar el agua caliente. Para saberlo
propusimos traer una factura de gas natural de alguien que sólo utilizara esta fuente
de energía para ducha o aseo personal. Así supimos que en una vivienda donde se
realizan tres duchas diarias y se lavan las manos unas 18 veces al día se consumen
unos 7000 litros al mes. En dos meses serán 14000 litros o 14 m3. Según la empresa
suministradora cada m3 equivale a 11,702 kWh. Por lo tanto el consumo de Energía
en un hogar de esas características será de:
E=14 m3x11,702 =164 kWh
Análisis de la práctica presentada por el profesor:
En un principio se expuso la idea de crear un calentador de unas dimensiones reducidas que
pudiéramos darle un uso doméstico (en casa, de camping o en el trabajo). Al final se nos
ocurrió que podría servirnos para el laboratorio de Química, ya que este invierno se han
quejado mucho de lo fría que estaba el agua cuando tenían que limpiar material o lavarse
las manos.
Mi segunda intención era hacerles reflexionar sobre el uso de este proyecto como prototipo
para diseñar grandes instalaciones, en zonas donde no fuera posible utilizar energías
convencionales (gas natural o electricidad); bien sea uniendo paneles como los que nosotros
habíamos diseñado o realizando el circuito en zig-zag directamente sobre la uralita de los
tejados (así aprovechábamos la propiedad reflectante de este material para dirigir los rayos
solares hacia nuestra instalación). Para ello nos inspiramos en un proyecto que se llevó a
cabo en Perú y que promovía la utilización de energías limpias dentro de un programa más
amplio que se denomina “Energías para la vida” y que fue promovido por las ONGDs:
ECOSOL y Petjades e implementado por el “Centro de Educación y Comunicación
Guaman Poma de Ayala” a quienes agradezco la cesión de las fotografías.
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Aquí os muestro algunas fotos de las instalaciones que hoy en día funcionan perfectamente.
-Las 5 sesiones dedicadas al proyecto estuvieron distribuidas de la siguiente forma:
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La primera sesión introductoria tuvo lugar en el aula, donde planteamos el
problema, propusieron varias soluciones y presentaron los bocetos y diseños que
creyeron oportunos. En esa sesión decidimos hacer el calentador en zig-zag.
Durante las 3 sesiones siguientes, en el taller, seguimos los procedimientos tal cual
nos habíamos propuesto.
La última sesión fue para trasladar el proyecto del taller a su lugar definitivo, el
laboratorio de Química y probarlo.
-El desarrollo de este proyecto fue muy simple y no tuvimos grandes inconvenientes a la
hora de realizarlo. Las fases críticas siempre son las de corte y perforación con la barrena
aunque ellos ya están acostumbrados a este proceso y suelen tener mucho cuidado.
Desde el principio se entusiasmaron con el proyecto, fueron muy meticulosos con la
pintura. En este punto sí que recomiendo que uséis esmalte ya que la pintura acrílica no se
fija bien sobre el plástico de las botellas y manguera.
También fueron muy estrictos al forrar de aluminio el tablero de madera. Con la cola de
carpintero no tuvimos ningún problema. Después al insertar las botellas en la manguera y
unir las piezas a los codos hubo algún que otro enfado pero siempre de carácter estético, ya
que no todas las botellas de plástico tenían la misma forma geométrica y por lo tanto
algunas no se insertaban correctamente. Pese a que les aseguré una y mil veces que ese
aspecto no influiría en el resultado final no quedaron del todo conformes.
-En la última sesión nos dimos cuenta que no sabíamos cómo poner la llave de paso, en
este punto si improvisamos una solución porque no habíamos visto cómo era su forma
hasta el final. Decidimos unirla al tablero mediante una brida y quedó perfecto.
El momento clave se acercaba, queríamos llenar el calentador porque al día siguiente
teníamos práctica de química y si el tiempo lo permitía y lucía el sol, tendríamos agua
caliente para nuestro uso. Al abrir el grifo para llenar nuestro circuito nos dimos cuenta que
no habíamos apretado lo suficiente las uniones con los codos. Así que cerramos el
suministro y nos llevamos el calentador al taller para ajustar bien las uniones. La prueba
final resultó satisfactoria y ya tenemos por fin agua caliente en nuestro laboratorio. Y quién
sabe si en un futuro esta pequeña experiencia nos sirve para crear una instalación todavía
más grande.
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