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Curso de calentadores solares. “Diseño de calentadores solares con material reciclado.”
Semana de ingeniería 2018.
Universidad Autónoma del Estado de Guerrero. Unidad Académica de Ingeniería.
Dr. Pavel Sierra Martínez
Ing. Oscar Rubio
Arq. Jorge Rodríguez
Biol. Uriel
Chilpancingo de los Bravo, Guerrero.
Del 14 a l7 de mayo.
I
¿QUÉ ES EL CALENTADOR SOLAR Y CUÁLES SON LAS PARTES QUE LO CONFORMAN? ........... 3
Partes que lo conforman .............................................................................................................................. 3
TIPO DE ESTRUCTURAS. .............................................................................................................................. 4
COLECTOR SOLAR ........................................................................................................................................ 5
COLECTOR PLANO, CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN .......................................................................................... 5
¿Qué es el calentador solar y cuáles son las partes que lo conforman?
Un calentador solar de agua es un sistema foto térmico capaz de utilizar la energía térmica del sol
para el calentamiento de agua sin usar ningún tipo de combustible. Se compone de: un colector
solar plano, donde se captura la energía del sol y se transfiere al agua; un termo tanque, donde se
almacena el agua caliente; y un sistema de tuberías por donde circula el agua. En ciudades con
baja temperatura, están provistos de anticongelantes que evitan que el agua se congele dentro del
colector solar plano.
Partes que lo conforman
Tipo de estructuras. La estructura puede ser realizada de diferentes tipos de materiales como son metálicas, maderas,
pallets, pvc etc. Deberá ser rígida para soportar el colector.
Colector solar
Un captador solar, también llamado colector solar o panel solar térmico, es cualquier
dispositivo diseñado para recoger la energía radiada por el sol y convertirla en energía térmica.
Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados
fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción ,agua caliente y los concentradores
solares de alta temperatura con espejos de lupas que aumentan su temperatura hasta llegar al punto
de vapor que se utilizan para mover turbinas eléctricas o el mismo vapor generado a presión para
procesos industriales.
Colector plano, características y operación Consisten en una caja plana metálica o aislamiento de tubos que aloja los dispositivos necesarios para la circulación de un
fluido, que se calienta a su paso por el panel debido al efecto invernadero —el mismo principio que se puede experimentar al
entrar en un coche estacionado al sol de verano—. La luz visible calienta la placa colectora que, a su vez, se convierte en
emisora de radiación de onda larga. El vidrio actúa como filtro para ciertas longitudes de onda de la luz solar: deja pasar fundamentalmente la luz visible, y es menos transparente a las ondas infrarrojas de menor energía, por lo que, a pesar de las
pérdidas por transmisión —el vidrio o la botella de PET que recubre los tubos es un mal conductor térmico—, los tubos de la
caja se calientan por encima de la temperatura exterior.
1.1 Comparativa de tecnologías con diferentes materiales existentes en el mercado
CALENTADOR SOLAR CON TUBOS DE COBRE Y PARED DE ALUMINIO ATRÁS
CALENTADOR SOLAR CON MÓDULOS FOTOVOLTAICOS (paneles solares)
Sistemas presurizados con bombeo solar
1.2 Termo tanque
El termo tanque solar produce el calentamiento del agua fría mediante un principio denominado “efecto de termosifón” que se lleva a cabo en los colectores de tubos.
El agua fría alojada en los tubos del colector se calentará debido a que éstos tienen la propiedad de absorber la radiación solar. Al calentarse el agua alojada en los tubos, disminuye notoriamente su densidad y por ende se dirige por los tubos
hacia el tanque acumulador generando una circulación contraria de ingreso de agua fría desde el tanque hacia los tubos,
para repetir el ciclo de calentamiento una y otra vez hasta lograr que la totalidad del agua haya sido calentada.
1.3 Materiales internos y como funciona por dentro
VISTA POR DENTRO DEL TERMO TANQUE ABIERTO O
ROTOPLAS
1.8 Aislamientos
1.4 Orientación del colector solar
1.5 Inclinación de colector según latitud geográfica
La irradiación Promedio fue obtenida de la base de datos de la NASA, misma que se puede consultar en la siguiente liga:
http://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/[email protected]&step=1&la
La observar la siguiente tabla observamos que la mayor concentración de energía es a 18 grados siendo de azimut o inclina-
ción de un cuerpo para obtener la mayor concentración solar posible, siendo esta la misma el mismo azimut de Chilpancingo 17.5475 -99.5109, tomaremos 18 grados de elevación en promedio
En cada comunidad tenemos que dar la elevación de acuerdo a su posición geográfica, y esta la obtenemos fácilmente al
mandar la ubicación a un compañero mediante un celular con la aplicación GOOGLE maps o si es posible, un posicionado GPS
Parameters for Tilted Solar Panels:
Monthly Averaged Radiation Incident On An Equator-Pointed Tilted Surface
(kWh/m2/day)
Lat
18.57
Lon -
99.14
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul. Aug Sep Oct Nov Dec Annual
Average
SSE
HRZ 5.19 6.10 6.96 7.06 6.66 6.01 6.28 6.00 5.43 5.37 5.26 4.90 5.93
K 0.66 0.69 0.70 0.66 0.61 0.55 0.57 0.56 0.54 0.59 0.65 0.66 0.62
Diffuse 1.07 1.14 1.33 1.74 2.10 2.27 2.19 2.16 2.03 1.62 1.15 1.03 1.65
Direct 7.46 8.16 8.51 7.64 6.50 5.37 5.85 5.48 5.01 5.98 7.24 7.22 6.69
Tilt 0 5.15 6.05 6.88 6.94 6.50 5.98 6.25 5.88 5.35 5.32 5.22 4.86 5.86
Tilt 3 5.37 6.23 6.99 6.96 6.52 6.02 6.28 5.88 5.40 5.43 5.42 5.08 5.96
Tilt 18 6.26 6.91 7.30 6.84 6.42 6.04 6.27 5.68 5.46 5.82 6.21 6.01 6.26
Tilt 33 6.79 7.20 7.20 6.35 5.99 5.76 5.95 5.22 5.25 5.91 6.66 6.60 6.24
Tilt 90 5.28 4.74 3.58 2.15 2.17 2.59 2.52 1.83 2.47 3.60 4.96 5.34 3.43
OPT 6.94 7.21 7.31 6.96 6.53 6.06 6.32 5.88 5.47 5.92 6.75 6.81 6.51
OPT
ANG 46.0 36.0 22.0 6.00 6.00 11.0 10.0 0.00 14.0 30.0 43.0 48.0 22.6
NOTE:
Diffuse radiation, direct normal radiation and tilted surface radiation are not
calculated when the clearness index (K) is below 0.3 or above 0.8.
El calentamiento de agua por calentadores solares es muy común en países como Alemania,
Israel, Grecia, España, Portugal, Japón y Estados Unidos. Regiones cuya ubicación con
respecto al sol es menos favorable que la de México. A pesar de ello, en nuestro país este
recurso es poco aprovechado. Por ejemplo , en Austria por cada 1000 habitantes existen
240 metros cuadrados de calentadores solares, en tanto que en México la cifra corresponde
a 0.33 metros cuadrados por cada 1000 habitantes.
El enorme potencial que tiene nuestro país se desperdicia, perdiendo la oportunidad de que
miles de familias mexicanas se vean beneficiadas en su economía y en su salud al utilizar
los calentadores solares. Los calentadores solares permiten una disminución en el consumo
de gas LP y ayudan a detener el deterioro de la calidad del aire y a disminuir las emisiones
de gases de efecto invernadero que provocan el cambio climático
Ésta es sólo una de las aplicaciones de la energía solar, también existen estufas para cocinar
alimentos y celdas solares que convierten la luz del sol en electricidad.
De lograrse el uso masivo de los calentadores solares, estaremos construyendo los bases
para tener un mundo con energía limpia, segura y renovable, con todos los beneficios
ambientales y sociales que esto conlleva.
1.6 Efecto termosifón
El efecto termosifón es un movimiento térmico circular en el cual entre mayor sea la diferencia de temperatura entre el agua
que hay en el colector y el agua almacenada en el tanque, mas rápido fluye el agua y hace su recorrido atreves del circuito
entre el concentrador y el termo tanque.
A medida que el sol calienta el colector, el agua almacenada aumenta su temperatura, y disminuye su peso especifico, se dilata, se expande y se vuelve más ligera, de modo que tiende a subir hasta la parte superior del tanque, mientras que el agua
fría, que es más pesada, pasa a la parte baja del colector donde comienza a calentarse.la circulación del agua es totalmente
natural, por lo que no se requiere de una bomba para circular el agua
1.7 Temperatura promedio a la que llega el agua En este punto pondremos énfasis para mayor concentración / captación de temperatura en utilizar tubo de conducción y
concentrador de color negro con el termo tanque que al no quedar aislado deberá ser negro igualmente.
En promedio la temperatura que obtendremos en el termo tanque sea de 50/60° C
Los calentadores solares de vidrio llegan al punto de ebullición convirtiéndose en gastadores naturales de agua, ya que al
hervir el líquido, este se convierte en vapor enviándola a la atmosfera
El calentador solar tiene la capacidad de proporcionar agua a una temperatura de hasta 60°C en un día soleado. Sin embargo,
la temperatura del agua depende de la aplicación, que se le desee dar y de las condiciones climáticas. Por ejemplo para
calentar piscinas se requieren temperaturas del orden de 30° C, mientras que para tomar un baño lo adecuado son alrededor de
50° C para poder mezclarla con agua fria. En un día soleado bastaran 2 horas de exposición solar para tener agua caliente; para obtener el 100% de la capacidad instalada, será necesario una insolación de 5 a 6 horas, aunque esto puede variar
dependiendo de la capacidad del modelo. Para tener agua caliente siempre lista para usar se recomienda seguir el “ciclo de
calentamiento de agua” el cual, generalmente, va de las 10:00 hrs. a las 16:00 hrs. Durante este lapso de tiempo el calentador
solar llega a su máxima capacidad. Por lo tanto, lo más recomendable es bañarse en la tarde y dejar suficiente agua para quien desee bañarse en la mañana si su termo tanque es menor a 100 litros.
Un termo tanque de 200lt es suficiente para una familia de 10 personas
1.8 Efecto invernadero de las botellas recicladas PET
El denominado efecto invernadero consiste en el calentamiento de la superficie dentro de la botella y de las capas bajas de su
propia atmósfera creada debido a un exceso de radiación solar, que, al no poder escapar hacia el exterior, queda atrapada y provoca un aumento progresivo de la temperatura.
Este efecto está presente de forma natural, el pequeño ecosistema empieza cuando, a partir de la acción del hombre, aumenta
su concentración. Las fluctuaciones de esta concentración pueden causar variaciones de temperatura que provocan un intercambio de calor entre los tubos del agua que está dentro de la botella de PET y el exterior sin que salgan los gases de
efecto invernadero.
1.9 Sombras que afectan nuestro calentador y como evitarlas
Para poder evitar estas sombras es necesario que en la superficie en la que se va a instalar nos aseguremos que esta no tiene
ningún tipo de impedimento con respecto a construcciones altas entre otras, también es necesaria una buena cantidad de
energía solar durante el día, esto quiere decir que durante las horas que el sol produce mayor insolación es de 10:00 am a
5:00pm no deberá haber sombras en nuestro colector térmico.
1.10 Sistema por gravedad y presión mínima de funcionamiento
Observemos como la presión contenida en el ROTOPLAS superior deberá alimentar a nuestro colector/boiler solar/ termo
tanque, es así como obtendremos una presión constante en nuestra regadera por gravedad.
Esta instalación se realiza cuando no tenemos ROTOPLAS de alimentación y solo tenemos agua mediante la llave de
servicio o un hidroneumático alimentando toda la casa con agua fría.
Entrada de agua fría de la llave o de un hidroneumático.
Salida de agua caliente hacia servicios y salida de agua fría hacia el colector solar
1.11 Punto de alimentación y jarro de aire
1.12 Envió de agua caliente al calentador de respaldo (boiler de gas o leña)
1.13 Conexión al boiler
1.14 Herramientas necesarias y materiales de para la construcción del boiler solar con PET
Arco segueta
Multiconector con válvula de esfera y tuerca
Flotador No. 5 tinaco
“T” de una pulgada de plástico para manguera, con reducción a ¾ 18pz
2 codos 90° de plástico para manguera
46 abrazaderas de tornillo para manguera o alambre recocido ¼ kg
60 botellas PET de 2.5 L
Sierra corta círculos de 1plg y una ¼ plg
Adaptador Mandril para sierra corta círculos
Navaja o cuchillo
1.15 Mantenimiento preventivo y correctivo
1.16 Armado del calentador solar
Verificación de pérdidas de presión y posibles fugas de agua
1.17 Corrección y puesta en funcionamiento al 100%
Esperando que esto ayude con el alivio del gasto en gas lp en el hogar y el seguimiento de la huella de
carbono con la reutilización de la basura que generamos sea el aporte más valioso en este curso.
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Ing. Oscar V. Rubio G.
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Tels. 4726134, Cel. 7474998292
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