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Banco de pruebas implementado en la región Arequipa para
caracterizar la eficiencia instantánea de colectores
solares planos Miguel A. Tinajeros Salcedo
Murilo T.W. Fagá
BANCO DE PRUEBAS
IMPLEMENTADO EN
LA REGIÓN AREQUIPA
PARA CARACTERIZAR LA
EFICIENCIA INSTANTÁNEA
DE COLECTORES SOLARES PLANOS
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Miguel A. Tinajeros Salcedo &Murilo T.W. Fagá
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0552
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos
de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
BANCO DE PRUEBAS IMPLEMENTADO EN LA REGIÓN AREQUIPA PARA
CARACTERIZAR LA EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE COLECTORES SOLARES
PLANOS
Miguel A. Tinajeros Salcedo y Murilo T.W. Fagá
Programa Interunidades de PósGraduación en Energia - PIPGE/USP Universidade de São Paulo - Instituto de
Eletrotecnica e Energia Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-900 São Paulo-Brasil tel: (11) 3091 2657
e-mail: [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo principal la descripción de los equipos-accesorios construidos y/o
acondicionados para la implementación de un Laboratorio de prueba de desempeño de colectores solares planos,
así como el software de adquisición-control. También se describe las normas y procedimientos experimentales
básicos outdoor-indoor, que deben ser seguidos para caracterizar la curva de eficiencia instantánea del colector y
la precisión de las medidas en condiciones de régimen cuasi permanente.
PALABRAS CLAVE: Energía Solar Térmica, Calentamiento de Agua, Implementación Banco de Pruebas.
1. INTRODUCCIÓN
La experiencia de calentamiento solar de agua en la
Región Arequipa viene desde hace mucho tiempo.
Lugar donde se ubica una consolidada industria de
calentadores solares planos y que con el tiempo ha
ido evolucionando en su diseño y aplicaciones. En
esta perspectiva de crecimiento de la demanda del
uso de la energía solar térmica, unido al hecho de
ser una tecnología simple, ha incentivado a la
instalación de industrias de pequeño y mediano
porte que fabrican y desarrollan colectores solares.
Con esto existe a disposición en el mercado,
colectores solares planos elaborados por diferentes
industrias, que utilizan diversas técnicas de
fabricación. Sin embargo las características técnicas
de estos colectores, en general no son bien
conocidas, pues las industrias que los producen no
disponen de laboratorios para un estudio detallado
del desempeño de sus productos.
Para posibilitar un mejor conocimiento de los
colectores existentes o en desarrollo en el mercado,
en el marco de una investigación del programa de
posgrado del Instituto de Electrotecnia y Energía de
la Universidad de São Paulo, fue desenvuelto en las
instalaciones de la Universidad Nacional de San
Agustín de Arequipa un Laboratorio para pruebas
de desempeño de colectores solares cuya
descripción es el objetivo de este trabajo.
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Esquemáticamente, como se indica en la figura 1,
un colector solar consiste de:
a) Un absorbedor de radiación solar, que transforma
esta en energía térmica.
b) Un sistema óptico que envía radiación solar al
absorbedor
c) Sistema para retirar la energía térmica del
absorbedor
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Conducción
Radiacióntérmica
Aislamiento
Absorbedor
Cobertura (vidrio)
Reflexión
Radiación solar (difusa + directa)
Convección
FluidoSoldadura ocontacto térmico
Tubo
d) Sistema para evitar perdidas de energía térmica
del colector para el medio ambiente
Figura 1. Diagrama esquemático de un colector
solar
Fuente: Referencia [1].
Existen dos parámetros fundamentales que
caracterizan el funcionamiento de los colectores,
estos son el parámetro FRUL y la eficiencia térmica.
Parámetro FRUL
El parámetro FRUL describe como el colector
trabaja, permitiéndonos conocer como este pierde
energía térmica.
El parámetro FRUL es determinado en función de
(Te-Ta). Como el colector operando en régimen
cuasi permanente, con GT=0, se puede escribir:
)aTeT(CA
)eTsT(PCmLURF
−
−=
& (1)
Eficiencia Térmica
El parámetro básico que caracteriza al colector
solar es su eficiencia, que es la relación entre la
energía térmica útil retirada del colector y la
energía solar incidente. Esta dependerá del proyecto
del colector, tiempo de operación y de factores
externos tales como: condiciones meteorológicas y
disposición del colector en relación a la tierra [2, 3].
La eficiencia del colector puede ser expresadas de
dos formas equivalentes:
W
Q=η (2)
(
−−τα=η aTmT
WCALU
'F ) (3)
(
−−τα=η aTeT
WCALU
RF ) (4)
)eTsT(pCmQ −= & (5)
La eficiencia experimental es obtenida como:
TGCA
)eTsT(pCm −=η
& (6)
donde
Q potencia térmica retirada del colector [W]
F', FR parámetros relacionados a la conductancia
térmica entre la placa absorbedora y el agua [-]
τα constante que contiene las perdidas opticas
y perdidas por absorción [-]
UL coeficiente total de perdidas del colector
[W/m2C]
GT radiación solar incidente [W/m2]
AC área del colector [m2]
Tm temperatura media del agua en el colector
[°C]
Te temperatura del agua en la entrada del
colector [°C]
Ts temperatura del agua en la salida del
colector [°C]
Ta temperatura ambiente [°C]
m& flujo de agua en el colector [kg/s]
CP calor especifico del agua [J/kgK]
Los diversos valores de η obtenidos durante los
ensayos son representados gráficamente en función
de los parámetros (Te-Ta)/GT
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3. DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO
Los experimentos y montaje del banco de pruebas
fueron realizados en el laboratorio de energía solar
de la escuela profesional de Física, de la
Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa,
área de ingenierías. Las figuras 2 y 3 muestran los
equipos utilizados.
Figura 2. Laboratorio de pruebas indoor
Figura 3. Laboratorio de pruebas outdoor
Banco de Pruebas Utilizado
El banco de pruebas que se muestra en la figura 4,
fue implementado para determinar la curva de
eficiencia instantánea. Es un equipo que permite
mantener la temperatura de entrada a un flujo
constante durante el período que se requiera para la
medición. El colector esta fijado a una estructura
rígida, que lo mantiene bajo un ángulo de
inclinación con respecto a la horizontal.
La temperatura de entrada del agua en el colector
puede ser ajustado desde 20°C hasta 100°C, con
una variación de 0,1°C. Para obtener esto, el agua
que sale del colector es enfriada por medio de un
intercambiador de calor, hasta una temperatura
deseada, para luego ser recalentada utilizando un
calentador eléctrico. Este aparato es regulado
electrónicamente a través de la información de un
sensor de temperatura que se encuentra dentro de
el. El flujo de agua que circula por el colector
puede ser variado desde 9 a 144 l/h y es medido con
un flujometro de señal electrónica.
Las medidas de intensidad de radiación solar fueron
realizadas utilizando un piranómetro Kipp & Zonen
instalado en el plano del colector. La velocidad de
viento fue medido con un anemómetro tipo cuchara
de alta sensibilidad que permite medir velocidades
de viento desde 0,3 hasta 10 m/s. Las temperaturas
fueron medidas por medio de un sensor que emplea
el circuito integrado de precisión LM35.
Intercambiador de calorCalentador
Computadora IBM 286DXAmplificador
Concentrador
Fuente simétrica
Piranómetro
Sensor de temperatura
Figura 4. Banco de pruebas implementado
Sistema de Adquisición de Datos
El diagrama esquemático del sistema de
adquisición de datos está representado en la figura
5. Algunos detalles de los equipos adicionales
empleados son mostrados en la figura 6. El sistema
está constituido por un hardware, un software y por
los sensores apropiados (de temperatura, flujo,
velocidad de viento y radiación solar). La parte del
hardware esta compuesto básicamente por una
fuente simétrica ± 12 V, un amplificador de señal, y
un concentrador (interface). La fuente simétrica
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alimenta con un voltaje al amplificador. Las señales
de tensión sobre esos sensores son leídas por una
tarjeta de adquisición CIO-DAS08, de 12 bits con 8
canales diferenciables incorporados a una
computadora 286DX.
Un software especialmente desarrollado en lenguaje
Turbo C [4] para ese sistema, controla
simultáneamente el calentamiento y enfriamiento
del fluido caloportador. Las señales de los sensores
son convertidos a datos digitales por el software a
través de coeficientes de calibración previamente
determinados [5]. Las medidas son presentadas en
tiempo real en forma de tablas, al mismo tiempo en
que son enviados para almacenar en el
microcomputador.
Descripción del Colector Analizado
El colector utilizado para las pruebas es el típico
colector de placa plana para calentamiento de agua,
que tiene las siguientes características:
- Caja de aluminio de 131 x 91 x 10 cm
- Una rejilla de 7 tubos de cobre de 1,27 cm de
diámetro con una separación de 12 cm entre ellos
- La placa colectora es de cobre pintada con
pintura negro mate y esta separada por una
distancia de 5cm del cobertor de vidrio, que tiene
0,4 cm de espesor,
- El aislante térmico usado en la parte posterior y
lateral del colector es de lana de vidrio de 5 y 3
cm respectivamente.
Figura 6. Fuente simétrica y amplificador de señal
4. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA
EMPLEADA Y ANÁLISIS DE DATOS
Determinación de las Coordenadas de la Curva
de Eficiencia Térmica Instantánea y del
Parámetro FR UL
Con el sistema en operación, se espera establecer el
régimen cuasi permanente (flujo y la temperatura
de entrada del fluido caloportador constantes en el
tiempo), procedimiento de ensayo desarrollado por
ASHRAE para colectores solares [6]. El
procedimiento es repetido para cada punto,
alterando apenas las temperaturas de entrada. Los
ensayos para determinar los puntos de las curvas
fueron realizados al aire libre a lo largo de 20 días
seleccionados entre los más adecuados para este
trabajo. El periodo de días fue entre Junio y Julio
del 2003, a lo largo de este período fueron
seleccionados 16 puntos. Las coordenadas de la
curva de eficiencia térmica instantánea mostrados
en la figura 7, son calculados utilizando la media
aritmética de los valores de los parámetros
registrados por el sistema de adquisición de datos
implementado, con ayuda de las ecuaciones (1) y
del parámetro (Te-Ta)/GT. Para el colector fueron
utilizados: AC=1,192 m2 y un flujo medio de 0,024
l/s. No se pudo determinar más puntos a
temperaturas altas (> de 75 °C), esto debido al
AmplificadorAmplificadorAmplificadorAmplificador
+ 5 V+12 V
-12 V
PC - IBM286DX
TemperaturaAmbiente
Radiación Solar
Velocidad De Viento
Flujo
Concentrador
+
Fuente Simétrica
Temperatura de Salida
Temperatura de Entrada
Figura 5. Sistema de adquisición
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rango de trabajo del flujometro. La representación
gráfica de las curvas de eficiencia instantánea, se
obtiene a partir del ajuste por los mínimos
cuadrados a un polinomio de primer grado para
cada uno de los conjuntos de puntos [7]
Figura 7. Curva de eficiencia térmica instantánea en
régimen cuasi permanente
A partir de la ecuación 4 se obtuvo la siguiente
ecuación:
TGaTeT
92,572,0−
−=η
Donde FR(τα) = 0,72 representa la eficiencia
máxima del colector y FRUL = 5,92 Wm-2°C-
1carateriza las perdidas térmicas. La figura 7
muestra una distribución típica de puntos, para un
colector con una cobertura de vidrio, utilizando la
metodología descrita anteriormente. Se observa un
desplazamiento de los puntos experimentales en
relación a una función lineal, esto se debe
fundamentalmente a las variaciones climáticas
durante la realización de la experiencia.
Para determinar el parámetro FR UL se siguió las
normas de Comisión Europea de Comunidades [8].
Las medidas en varias temperaturas en la entrada
del colector dan lugar a un número de puntos de
referencia, con esto se espera obtener las
condiciones de régimen cuasi permanente. Para
determinar estos parámetros se procede casi de la
misma forma que cuando se determinó la
eficiencias, solo que ahora se debe tener en cuenta
lo siguiente: a) el sentido del flujo del liquido
caloportador que debe ser de arriba hacia abajo del
colector y b) es realizado en un local cerrado sin
presencia de radiación solar [9]. Todas estas
mediciones fueron realizadas con viento natural
sobre el colector y luego se instaló un ventilador en
frente del colector. Este se posiciona de manera que
con una velocidad de viento de aproximadamente 4
m/s se hace incidir de forma oblicua, casi paralelo
sobre el colector. Las ajustes lineales para los
puntos ensayados se muestran en la figura 8. 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0Linear Regression for Data1_D:Y = A + B * X
Parameter Value Error------------------------------------------------------------A 0.7205 0.01097B -5.92954 0.23931------------------------------------------------------------
R SD N P-------------------------------------------------------------0.98879 0.01888 16 <0.0001------------------------------------------------------------
η
(Te-T
a)/G
T (°Cm2/W)
0 10 20 30 40 50 600
2
4
6
8
10
F RUL(W
m-2°C
-1)
Te-T
a(°C)
Sin viento Con viento
Figura 8. FRUL en función de (Te-Ta), curva
obtenida en indoor
Se puede ver, que el colector solar en la presencia
de viento, tiene mayor perdidas térmicas, esto se
puede explicar por el hecho del aumento de la
temperatura media absorbida. Así de esta manera la
transferencia de calor radiactiva aumenta del
absorbedor a la cubierta y de la cubierta al medio
ambiente.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Calculo de las Incertezas de la Curva de
Eficiencia Térmica
Para esto son analizadas las grandezas de la
radiación, flujo, temperatura ambiente, área del
colector, velocidad de viento y la diferencia de
temperatura entre la salida y entrada del colector,
llevandose en consideración las incertezas
consecuentes de la instrumentación [10]. Los
aparatos e instrumentos utilizados en este trabajo
permiten obtener las siguientes grandezas con sus
respectivas imprecisiones:
- Temperatura de entrada de agua en el colector,
Te, ± 0,1 [°C]
- Diferencia de temperatura entre la salida y
entrada del colector, (Ts-Te), ± 0,1 [°C]
- Flujo del fluido en el colector, , ± 1% [l/s] m&
- Temperatura ambiente, Ta, ± 0,5 °C
- Velocidad de viento, Vw, ± 2% [m/s]
- Radiación solar, GT, ± 3%
- Área del colector, Ac, ± 0,01 m2
Cada punto de ensayo en la determinación de la
eficiencia térmica será relacionado con su
respectiva incerteza, definida por la expresión:
2)TG4(2)
cA3(2)
sTeT2(2)
m1(0 σ
+σ
+−
σ+
σ±=
η
σ
& (7)
Donde σ es la incerteza de la grandeza presente en
el respectivo denominador de la fracción. Se
obtiene de esta expresión valores para el desvío de
cada punto de eficiencia menores que ± 0,03.
5. CONCLUSIONES
El banco de pruebas montado podrá prestar una
gran ayuda para la evolución tecnológica de los
colectores solares planos en la ciudad de Arequipa,
permitiendo tener resultados experimentales de
modificaciones realizadas en el sentido de
optimizar la relación costo beneficio. Los
resultados son importantes, sin embargo con la
finalidad de obtener una mayor solidez en la parte
experimental, el estudio debe repetirse con un gran
número de colectores de distinta marca para tener la
seguridad de que los valores encontrados sean
correctos.
Como el colector que ha sido sometido a las
pruebas experimentales corresponde a uno de los
típicos sistemas de calentamiento utilizados en la
ciudad de Arequipa, los resultados indican que su
desempeño es térmicamente aceptable (eficiencia
igual a 72%). Sin embargo es necesario profundizar
aún más en este estudio, debido a que en el
mercado existe un gran número de colectores que
utilizan diversos materiales, lo que también se
manifiesta en la gran variedad de precios.
6. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue posible gracias al apoyo de la
Coordinación de Perfeccionamiento de Personas de
Nivel Superior (CAPES) de Brasil y a la Escuela
Profesional de Física de la Universidad Nacional de
San Agustín. También un agradecimiento a Ernesto
Palo y Alberto Montoya por el apoyo brindado.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] DUFFIE, J.A. y BECKMAN, W.A. " Solar
Engineering of Thermal Processes ". Wyley, New
York, 1991
[2] CHASSÉRIAUX, J.M. " Conversión térmica
de la Radiación Solar ". Bordas, Paris, 1990.
[3] MEINEL, A.B., " Aplicaciones de la Energía
Solar " Reverté, España, 1982.
[4] SCHILDT, H. " Turbo C: Guía del Usuario"
Mcgraw, Mexico, 1988.
[5] Bannister B. y Whitehead D. "
Instrumentación, Transductores e Interfaces"
Addison Wesley Iberoamerica, 1994.
X Simposio Peruano de Energía Solar
[6] ASHRAE Standard 93-77 " Methods of testing
to determine the Thermal Performance of solar
Collector " ASHRAE, Ney York, N.Y, 1977
[7] ZILLES, R. " Comparação Experimental de
Testes de Coletores Solares planos com
Simulador e com Radiação Solar". Dissertação
de Mestrado, Programa de Pós Graduação em
Engenharia Mecânica, PROMEC, 1987.
[8] COMMISSION OF THE EUROPEAN
COMMUNITIES, " Recommendations for
European Solar Collector Test Methods ". U.K.,
1980.
[9] LINTHORST, J.M. " Natural Convection
Suppression in Solar Collector ". EFF, Holland,
1985.
[10] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR
STANDARDIZATION " Guia para Expressão da
Incerteza de Medição " Brasil, 1996.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua
Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional
Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas
Asociación Peruana de Energía Solar
(APES)
Universidad Nacional San Antonio Abad del
Cusco
Editado por: Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Auspician Salir
Universidad Nacional de Ingeniería
