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Manual para la construcción de un calentador solar de colector plano El siguiente documento fue elaborado como proyecto en clase de Administración de Proyectos asesorados por la Mtra. María Juana Paredes Bautista.
2014
Facultad de Ingeniería Química Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
08/06/2014
Equipo de Trabajo:
Aldape Pazos Emilio Domínguez Terán Fernando Mendoza Sánchez Carlos Ulin Arguello Tatiana
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Contenido Objetivo general .................................................................................................................... 2
Objetivos específicos ............................................................................................................. 2
Justificación .......................................................................................................................... 2
Generalidades ....................................................................................................................... 2
Manual para la construcción de un calentador solar de colector plano. .................................... 7
Pruebas................................................................................................................................13
Cálculos ...............................................................................................................................13
Conclusiones ........................................................................................................................16
Normatividad .......................................................................................................................17
Referencias ..........................................................................................................................17
2
Objetivo general: Elaboración de un manual para la construcción de un
calentador solar casero de colector plano.
Objetivos específicos:
Especificar costos de construcción.
Publicar el manual a través de la web.
Realizar algunas pruebas para verificar el funcionamiento del calentador
solar.
Justificación
Este proyecto fue creado a partir de nuestra experiencia en la construcción de un
calentador solar, en el transcurso nos dimos cuenta que no hay un archivo que
resumiera todo lo necesario para la construcción de un calentador solar en general
y mucho menos de uno en específico. Por lo tanto nuestro manual tiene la
finalidad de guiar a un usuario de internet en el camino para construir su
calentador solar de colector plano para su hogar.
Generalidades
El sol emite constantemente cantidades enormes de energía. Un cálculo teórico
basado en la Ley de Plank, permite afirmar que el flujo total de energía emitido por
el sol en todo el rango de frecuencias equivale a 3.8 x1023 KW. De esa energía
emitida por el sol, solo una pequeña parte llega a la tierra, aunque esa pequeña
cantidad sería más que suficiente para cubrir la demanda mundial de todo un año.
De la energía que llega, la atmosfera afortunadamente, absorbe una gran parte.
La constante solar es un valor que corresponde a la energía que incide
perpendicularmente sobre 1 m2 de la parte exterior de la atmósfera. El valor
establecido es de 1.353 W/m2, claro que ese no es el valor que llega a la
superficie de la tierra, en condiciones óptimas la luz solar registra un valor de
1.000 W/m2.
Según como llegue la luz a la superficie de la tierra, podemos clasificar la
radiación en tres tipos diferentes: directa, dispersa o difusa y albedo. La radiación
directa es la que incide sobre cualquier superficie con un ángulo único y preciso.
La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas de la atmosfera
pueden desviar esta energía, lo que se llama dispersión. Se llama albedo a la
fracción de la radiación reflejada por la superficie de la tierra.
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La posición del sol varía diariamente desde el amanecer hasta el ocaso y también
es distinta según la estación del año. Para aprovechar al máximo esa radiación la
orientación de los captadores se hace hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el
norte en el hemisferio sur, siempre viendo al Ecuador.
La energía solar térmica (EST) es un método de aprovechamiento en que se
transforma la energía radiante del sol en calor, que sirve para la producción de
agua caliente destinada al consumo doméstico, agua caliente sanitaria,
calefacción etc. El lugar en el que tiene lugar la transformación de la energía
radiante en calor recibe el nombre de captador solar.
El EST aprovecha la componente directa y difusa de la radiación total. La
conversión de energía radiante en calor, se realiza por los mecanismos de
conducción, convección y radiación. El proceso de captación se basa en el efecto
invernadero. La cubierta es transparente a la radiación solar pero es opaca a la
radiación infrarroja: el colector al calentarse emite una radiación de mayor longitud
de onda (4.5-7.2 µm) que no puede escapar por ella y es reflejada al interior otra
vez, minimizando las pérdidas tanto por conducción como por convección.
El aprovechamiento térmico de la radiación solar puede realizarse por pasivo y por
activo. El primero va dirigido a la construcción de los edificios: se trata de la
arquitectura bioclimática. La energía solar activa se consigue mediante la
instalación de elementos materiales para la captación y acumulación de la
radiación solar. Las instalaciones solares se clasifican en:
-Sistemas de aprovechamiento de baja temperatura (Colectores no vidriados,
placa plana, y tubo al vacío)
-Sistemas de aprovechamiento de media temperatura (Colectores ci lindro-
parabólicos)
-Sistemas de aprovechamiento de alta temperatura (Colector de campo helios
tatico y espejo parabólico)
Partes de un colector plano.
Los colectores planos se emplean exclusivamente en instalaciones a baja
temperatura, aprovechan el efecto invernadero. La conversión se realiza mediante
una placa metálica que transfiere la energía térmica a un líquido en contacto con
la placa. Los componentes típicos de colector solar plano son: la placa, la cubierta,
el aislante y la envolvente o carcasa.
La placa recibe la radiación solar y la convierte en calor que se trasmite al flujo
calo portador. Las placas son de cobre, cobre-aluminio o acero, incorporando una
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capa de cromo negro sobre níquel o similar, conseguida mediante un tratamiento
electroquímico que aumenta su absorción. Si esta superficie es negra y de textura
mate, captará mejor la energía que si es de cualquier otro color. Por esta razón,
los fabricantes de colectores solares obscurecen el absorbedor, lo que consiguen:
-Con pinturas que resistan temperaturas superiores a los 100°C
-Mediante tratamientos electroquímicos o pinturas con óxidos metálicos (captan la
radiación y tienen baja emisión). Los colectores que han sido sometidos a este
tratamiento reciben el nombre de selectivos. Con este tratamiento pueden llegar a
un rendimiento del 95%.
Los tratamientos electroquímicos encarecen la fabricación, sin compensar el
rendimiento anual de los captadores; además; los captadores que han recibido
este tratamiento alcanzan temperaturas que equilibrio más altas, lo que implica
mayores esfuerzos mecánicos por dilatación y a menudo; evaporación del fluido
calo portador. Estas razones hacen que muchos fabricantes opten por el uso de
las pinturas.
Los colectores presentan formas diversas pero en general, las más usadas son las
de tubos verticales paralelos y los de serpentín.
Los primeros constan de una serie de tubos verticales que se encuentran
conectados por sus extremos inferior y superior con otros tubos horizontales de
mayor diámetro llamados distribuidores, por los que entra el agua fría (inferior) y
sale el agua ya calentada por la radiación (superior).
En los segundos, se calienta una placa que lleva adherida un tubo en forma de
serpentín por la parte posterior. El serpentín esta también conectado en sus
extremos a unos conductos de distribución. La cara plana es la que se expone al
sol para captar la mayor cantidad de rayos. En cuanto a la transición del calor
desde la placa al líquido es muy importante que el serpentín este bien adherido a
la placa para reducir al máximo las perdidas térmicas.
La cubierta es una superficie transparente de 3 a 4 mm de grosor, que permite
aprovechar más energía ya que hace posible que se produzca el efecto
invernadero. Impide que la radiación infrarroja emitida por el absorbedor se pierda,
posibilitando que la misma vuelva alabsorbedor y sea aprovechada. Proporciona la
estanquidad necesaria para evitar la entrada de agua o aire. Se debe prestar
especial atención a su resistencia mecánica, ya que deben soportar las posibles
presiones externas, así como las dilataciones o enfriamiento rápidos (debido a
tormentas, la fuerza del viento, la presión de la nieve acumulada, etc.)
Los materiales más empleados son:
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-El vidrio, que debe haber sido sometido a un procedimiento a un procedimiento
de templado o similar, para mejorar sus propiedades mecánicas pero sin que esto
afecte a las ópticas, y con bajo contenido en óxidos de hierro. Dependiendo del
tipo de vidrio y de su espesor, así será la energía que se transmite, pero en todo
caso, está debe ser elevada (por encima del 90%). Un vidrio templado resiste 4
veces más que uno sin tratamiento, y también puede soportar temperaturas más
elevadas (250°C en comparación con los 40°C del vidrio sin templar).
-Las cubiertas de plástico tienen similares propiedades ópticas que el vidrio, pesan
poco a poco y son poco frágiles, además tienen baja conductividad térmica. Como
inconvenientes está el posible abombamiento al dilatarse y que son inestables a la
luz ultravioleta, reduciéndose con el tiempo la cantidad de energía transmitida.
-Algunas cubiertas poseen doble vidrio, pero con esto se eleva el precio y las
pérdidas ópticas y no aporta mayores beneficios.
El aislante se emplea para reducir las pérdidas térmicas a través de los laterales y
del fondo de la carcasa del colector, que debe ser de baja conductividad térmica.
Los materiales pueden ser lana de vidrio, lana de roca, corcho, espuma de
poliuretano… Se suele adherir el sistema de aislamiento una lámina reflectante de
aluminio, que se refleja la radiación emitida por la placa absorbedora, reduciendo
las pérdidas de calor por la parte posterior del colector solar.
La carcasa permite conformar todos los elementos que componen el colector. Es
de aluminio o acero galvanizado para resistir la corrosión, y posee las ranuras de
fijación adecuada para anclar y sujetar el colector al edificio o a su soporte. Debe
resistir los cambios de temperatura (dilataciones) sin perder la estanqueidad.
Como los colectores están situados a la intemperie, deben ser completamente
estancos, para lo cual la carcasa debe estar sellada. Entre la cubierta y la carcasa
se emplea una junta de cubierta, que es un elemento de materia elástico cuya
función es asegurar la estanqueidad de la unión entre ambas. Servirá a su vez
para absorber las diferencias en las dilataciones entre la carcasa y la cubierta,
para que no se produzca rotura en ningún elemento del captador.
El acumulador es la clave para el aprovechamiento de energía, ya que permite
almacenar el agua que se ha calentado durante las horas de producción para ser
consumida cuando ya no hay.
En el depósito de acumulación térmica (termo-tanque) encontramos tres
secciones: el cilindro, el aislamiento y la carcasa. El cilindro es el depósito donde
se acumula el agua para ser calentada, es de acero inoxidable de algunos
milímetros de espesor o de acero al carbón.
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Cilindros de acero al carbono destinados a usos sanitarios, llevan revestimiento
interior para evitar la corrosión. Este revestimiento puede ser por galvanización
(más económico), por vitrificación y por resinas epoxi (mayor volumen).
Las propiedades de los cilindros de acero inoxidable dependen de los
componentes y del proceso de fabricación, el más usado para la fabricación de
depósitos es el acero inoxidable AISI 316 (17% Cr-12% Ni- 2% Mo en su
aleación). La principal desventaja que presentan los cilindros de acero inoxidable
es su elevado costo a comparación de otros materiales. No obstante, pueden
encontrarse depósitos con capacidades que van desde 50-60 I hasta 800-1.000 L
de capacidad.
El aislamiento térmico del acumulador tiene por objetivo evitar las pérdidas de
calor que se producen por la diferencia existente entre la temperatura del agua en
el cilindro y la temperatura del lugar en el que este se encuentra. Está constituida
por una gruesa capa de espuma de poliuretano inyectada a presión o por
poliuretano rígido, libre de CFE y de baja conductividad térmica. En los depósitos
pequeños es rígida, de 30 a 40 mm de espesor. En los de gran tamaño, flexible de
entre 60 y 70 mm.
La carcasa o recubrimiento corresponde a la estructura del equipo. En ella se
disponen los elementos de sujeción. Puede ser de acero galvanizado revestido
electrolíticamente, acero inoxidable, aluminio, fibra de vidrio reforzado, plástico,
polipropileno, etc. ; en cualquier caso, el material debe poder soportar las
condiciones climáticas que se dan en la zona en la que está colocado.
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Manual para la construcción de un calentador solar de colector plano.
A continuación se dictaran una serie de pasos, la cual lo guiara en la construcción
de un calentador solar casero de colector plano, con una capacidad en el termo-
tanque de 10 L. En cada paso se explica detalladamente lo que se pretende
obtener, en algunas ocasiones se expondrán opciones donde usted tendrá que
elegir según sus necesidades. Le recomendamos tener en cuenta las condiciones
del lugar donde tendrá el calentador y si cree necesario algún paso extra antes de
continuar con el que sigue, tiene total libertad de hacerlo. Al finalizar las
instrucciones se encontrara con una sección de cálculos y costos.
1. Conseguir los siguientes materiales:
Material Requeridos Costo
Cobre -12 tubos de 97 cm de
½ pulgada -2 de 100 cm -22 “T”
-2 codos de ½ -2 conexión cree de ½
pulgada
$60.00 por metro (más
costo de soldadura $120.00) $840.00
Madera -1 hoja de Novopan de 1 m2 de 16 mm de espesor.
-1.5 m largo, 7 cm de ancho y 2 mm de
espesor tabla de madera de pino.
$40.00 (más costo de construcción $100.00)
Lámina galvanizada 1 pieza $95.00
Mangueras Flex 2 de 60 cm $20.00
Manguera plástico 1 de 2 m $30.00
Vidrio templado 120 x 64 cm de 44 mm de espesor
$4,200.00 (opcional sin templar $200.00)
Codo de PVC 1 pieza (con entrada para manguera de ½ pulgada)
$8.00
Conexión cree de PVC 2 piezas $32.00
Conexión cri de PVC 2 piezas $20.00
Conexión brida 4 $30.00
Termo-tanque 1 pieza de 10 L $8,000.00 (opcional
tanque de plástico de alta densidad $100.00)
Conexión gusano de
acero inoxidable
4 piezas $50.00
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Pintura Calórica spray
color negro mate
1 bote $240.00
Pintura vinílica negra 1 L $70.00
Pintura vinílica blanca
(opcional)
½ L $70.00
Barniz impermeabilizante para
madera
1L $35.00
Soporte metálico para termo-tanque
1 pieza $200.00
Sujetadores de uña 4 piezas $9.00
Tornillo para madera 35 piezas $2.00
Soporte metálico tipo L 2 piezas $300.00
Silicón 1 bote $120.00
Poliestireno 1 m2 de 3 mm $210.00
Armella 1 $4.00
Abrazadera ½ pulgada $58.00
Lija 1 $12.00 Tabla 1. Materiales necesarios para construir un calentador solar de colector plano
2. Soldar la tubería de cobre de acuerdo al siguiente esquema.
Recomendamos llevarlo con un experto. Si usted sabe soldar, puede
hacerlo. Para realizar la tubería del colector se investigó que el cobre es
uno de los materiales óptimos para realizarla ya que es buen conductor de
calor. El cobre tiene una conductividad térmica de 386 W/m K; los tubos son
colocados en paralelo y verticalmente con respecto al colector. Se utilizaron
12 tubos de cobre de 97 cm cada uno de ½ pulgada y 2 tramos pequeños
de 10 cm,22 “T” de cobre de ½ pulgada, dos codos de ½ pulgada y 2
conexiones cree de ½ pulgada. Los codos se utilizaron para hacer la unión
en escuadra de 90° de los tubos.
Figura 1. Sistema de Cobre
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3. Elaborar una caja de madera en la cual entre el sistema de cobre y tenga la
entrada y salida del tubo para el paso del agua. Las medidas de la caja son
largo 120 cm, 64 cm ancho (medido por exterior) y espesor 11 cm.
Figura 2. Caja de madera
4. Recortar de la pieza de lámina galvanizada una parte proporcional al
cuerpo del sistema de cobre (1.10 x0.8 m), no al tamaño de la caja.
5. Fijar en el centro de la caja primero la lámina galvanizada y encima el
sistema de cobre, sujetando al mismo tiempo tubería, lamina y madera con
los sujetadores tipo uña y los tornillos para madera.
6. Ya que esta el sistema caja-lamina-cobre se procede a pintar el interior de
la caja con la pintura calórica color negro mate. En la lista de materiales se
especificó en la pintura en espray; sin embargo, puede conseguir otra
presentación, lo importante es que resista calor. Dejar secar.
7. Una vez pintado el interior de la caja, se coloca el vidrio, cuidando que
quede completamente sellado a la caja con silicón. El vidrio uti lizado no es
vidrio templado, si tiene la posibilidad de conseguir un vidrio templado, tiene
mucha más resistencia, sin embargo es de un precio más elevado. Si vive
en una zona donde graniza, le recomendamos conseguirlo.
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Figura 3. Colocación de vidrio templado
8. Colocar los soportes metálicos en los lados cortos de la caja con la finalidad
de asegurar el vidrio. Para una mejor apariencia se pintan de blanco.
9. Recortar las salidas del tubo de cobre a una medida de 5 cm o menos, con
la finalidad de evitar pérdidas de calor a la entrada y salida del agua.
Figura 4. Colector con soportes metálicos
10. Colocar y soldar las conexiones cree en las salidas del tubo de cobre.
11. Una vez teniendo lo anterior, se procede a inclinarlo por medio del soporte
de madera colocado en unos de los lados blancos para lograr una
inclinación de 19°02’30.5’’ (Latitud de la Ciudad de Puebla, Puebla), que
varía según tu ciudad.
Para calcular la altura a la que debes colocar tu calentador, hacer el
siguiente calculo:
∝= 19°02′30.5′′𝐿𝑁 = 19.0418°
𝐿𝑁 = 0°56′′06′′
𝑠𝑒𝑛 ∝=𝐶. 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜
𝐻= 0.3262
𝐶𝑜 = 𝐻 𝑠𝑒𝑛 ∝= (1.10𝑚)(0.3262) = 0.3588𝑚 = 36𝑐𝑚
Los 36 cm es la altura del punto máximo de tu calentador al piso para lograr
la inclinación deseada.
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Figura 5. Soporte de madera
12. Pintar con pintura negra vinílica toda el área de madera externa del
colector. Las salidas de tuberías pintarlas con la pintura calórica negro
mate. Dejar secar.
13. Colocar una manguera de plástico a la entrada del agua fría (inferior) por
medio del codo de PVC y las conexiones cree y cri respectivas.
Posteriormente sujetar la manguera en la parte alta del calentador con una
armella, como se muestra en la siguiente imagen.
Figura 6. Colocación de manguera
14. El siguiente paso es colocar el termo-tanque, puede ser de acero
inoxidable, acero al carbón o incluso de plástico de alta densidad con una
capacidad de 50 L aislado con poliuretano o poliestireno. Les sugerimos
comprarlo o mandarlo a hacer con las especificaciones mencionadas.
Para fines prácticos y de prueba se elaboró un termo-tanque de polietileno
de alta densidad con una capacidad de 10 litros aislado con dos capas de
poli-estireno de 3 mm cada una y después se forro con polietileno negro y
se selló con cinta aislante. Este tanque debe tener cuatro salidas,
conexiones que se generan con las bridas y los gusanos, las cuales son
para la entrada de agua fría proveniente del tanque de alimentación (parte
Conexión cree
Conexión cri
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inferior), salida de agua fría hacia el colector (parte inferior), salida de agua
caliente (azul-parte inferior); esta última colocándola un poco por arrida de
las otras dos, las cuales deben estar al mismo nivel. Finalmente en la parte
superior, la entrada de agua caliente proveniente del colector. Se procede a
forrarse con polietileno negro.
Figura 7. Construcción termo-tanque
15. Teniendo el termo-tanque listo, se procede a conectar el termo-tanque al
colector, conectando la manguera de alimentación de agua fría al colector a
una de las entradas inferiores del termo-tanque, la salida de agua caliente
del colector a la conexión superior del termo-tanque y finalmente la
alimentación de agua fría al termo-tanque a la otra conexión inferior; en
este caso la salida definitiva de agua caliente se colocó una llave (azul) la
cual para uso doméstico debe de conectarse a la entrada de agua fría del
calentador de gas.
16. Elevar el termo-tanque a unos 30 cm por arriba del colector a través de un
soporte de preferencia metálico. Entre mayor sea la altura mejor circulación
hay, respetando que debe estar por debajo del tanque de agua fría
suministrador.
Figura 9. Calentador terminado.
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Pruebas
Método de prueba de exposición.
Método de prueba de resistencia a alta temperatura.
Método de prueba de choque térmico externo.
Método de prueba de choque térmico interno.
Método de prueba de penetración de lluvia.
Método de prueba de resistencia a la presión positiva.
Método de prueba de resistencia al sobrecalentamiento.
Método de prueba de resistencia al impacto
El procedimiento para hacer cada una de las pruebas viene especificado en el
anexo 1 a este proyecto.
Cálculos
El primer cálculo realizado fue el de la capacidad de los tubos de cobre dentro del
colector. Se realizaron tres pruebas acerca del flujo volumétrico en la red de tubos.
Pruebas Capacidad L Tiempo s
1 2.55 8.41
2 2.6 8.52
3 2.575 8.48
Promedio 2.575 8.47
Cálculos de eficiencia del calentador solar
Una vez que a nuestrocalentador le realizamos las pruebas correspondientes
podemos obtener la eficiencia del panel solar.
La ecuación que nos permite conocer la energía que absorbe el agua es:
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇
Tomando en cuenta el valor del Cp.:
1 𝐽 = 0.24 𝑐𝑎𝑙
𝐶𝑝 = 997.5𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑔°𝐶
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𝐶𝑝 = 4156.25𝐽
𝑘𝑔°𝐶
Tomando en cuenta las condiciones del calentador:
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟: 1.03𝑚 𝑥 0.68 𝑚 = 0.7004 𝑚2
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒:𝜋𝐷2
4= 0.05725 𝑚2
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎: 2.575 𝐿 = 2.575 𝑘𝑔
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎: 24°𝐶
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎: 64°𝐶
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛: 60 𝑚𝑖𝑛
Entonces la energía absorbida por el agua es:
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇 = (2.575 𝑘𝑔)(4156.25𝐽
𝑘𝑔°𝐶) (64 − 24)°𝐶 = 𝟒𝟐𝟖.𝟎𝟗𝟑𝟕𝟓 𝑲𝑱
El valor de la irradiación solar para el mes de abril en el estado de Puebla según la
estación meteorológica de la UNAM es en promedio de:
267𝑊
𝑚2
Por lo que para obtener la energía de radiación solar incidente se tiene que:
𝐸 = (𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛)(Á𝑟𝑒𝑎)(𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛)
𝐸 = (267𝑊
𝑚2) (0.7004 𝑚2)(3600𝑠) = 𝟔𝟕𝟑.𝟐𝟐𝟒𝟒𝟖 𝑲𝑱
La eficiencia del panel se define, entonces, como el porcentaje de la radiación
solar global incidente sobre la superficie efectiva del colector y que es
aprovechado como calor útil.
𝑛𝑐 =𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐ℎ𝑎𝑑𝑜
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑛𝑐 =428.09375 𝐾𝐽
673.22448 𝐾𝐽= 𝟎. 𝟔𝟑𝟓𝟖𝟖
Por lo que se obtiene que el panel solar de placa plana tiene una eficiencia de
63.58%.
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Tomando en cuenta todo el sistema, es decir panel y tanque los cálculos de
eficiencia son los siguientes:
𝑇 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒: 50°𝐶
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇 = (2.575 𝑘𝑔) (4156.25𝐽
𝑘𝑔°𝐶)(50 − 24)°𝐶 = 𝟐𝟕𝟖.𝟐𝟔𝟎𝟗 𝑲𝑱
𝐸 = (267𝑊
𝑚2) (0.75765 𝑚2)(3600𝑠) = 𝟕𝟐𝟖.𝟐𝟓𝟑𝟏𝟖 𝑲𝑱
𝑛𝑐 =278.2609 𝐾𝐽
728.25318 𝐾𝐽= 𝟎. 𝟑𝟖𝟐𝟎
Por lo que la eficiencia tomando en cuenta el tanque es de 38.20%.
Especificaciones Resultados
Capacidad 2.57 L
Orientación Sur verdadero y este de 5
a 10°
Inclinación Latitud 19°02’30.5’’ (Puebla, Puebla)
Dimensiones 1.10 m x 0.8 m
Distancia suelo 36 cm
Área del colector solar 0.7004 m2
Calor 278.26 KJ
Energía de radiación incidente
728.25 KJ
Área del tanque 0.05725 m2
Masa total del agua 2.575 kg
Temperatura inicial 24 °C
Temperatura final 64°C
Tiempo de operación 60 min
Eficiencia 0.3820 Tabla 2. Especificaciones
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Conclusiones
Al finalizar este proyecto concluimos que la construcción del calentador es
sencilla, lo difícil es saber transmitir el conocimiento de una manera adecuada
para otra persona que no estudie una ingeniería o tenga experiencia en la
construcción de uno.
Descubrimos que existen muchas normas que indican la reglamentación requerida
para el comercio de calentadores solares, sin embargo la primera vez que se
construyó el calentador solar, no se tomaron en cuenta. Fue hasta que se retomó
como proyecto.
En definitiva este proyecto no pretende sustituir un calentador solar comercial de
tubos evacuados ya que este se produce de manera industrial bajando sus costos
de producción, si se pretendiera aumentar la calidad del calentador solar de
colector plano casero, cambiando el vidrio a vidrio templado, utilizando un termo-
tanque de acero inoxidable, aumentando el aislante en el colector, mejorando las
mangueras por tuberías, quizá la eficiencia se optimizaría pero los costos de
fabricación se elevarían demasiado, haciéndolo no rentable.
En cuanto al sistema de intercambio de calor es importante mencionar que la
pintura negro mate si no es calórica, al paso de unos días con una radiación solar
elevada, esta pintura comienza a desprenderse de las tuberías. En cuanto al
colector, la caja de madera convendría colocar otra capa de aislante, de
preferencia poliuretano. El termo-tanque es la parte más importante del sistema
del calentador solar, ya que ahí se almacena el agua caliente producida, si este no
cuenta con el aislamiento adecuado, de nada servirá que el colector sea muy
potente. Se recomienda aislar con otra capa, poliuretano, corcho o fibra de vidrio.
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Normatividad
Las normas mexicanas que involucra nuestro proyecto son:
NOM-008-SCFI-202. Sistema General de Unidades de Medida. Define las
unidades que se deben usar para las especificaciones del calentador solar y para l
obtención de los cálculos.
NOM-003-ENER-2011. Eficiencia de Calentadores de agua para uso doméstico y
comercial. Limites, método de prueba y etiquetado.
NMX-ES.002-NORMEX-2007. Energía solar- Definiciones Y Terminología.
Determina las definiciones que se le dan a algunas partes del calentador solar.
NMX-ES.004-NORMEZ-2010. Energía Solar- Evaluación térmica de sistemas
solares para calentamiento de agua- Método prueba.
Referencias
“Energía solar térmica”; Miguel Ángel Sánchez Maza; México; Limusa; Innovación
y cualificación; 2013.
Anexo 1. Dictamen técnico de energía solar térmica en vivienda;
http://www.procalsol.gob.mx/procalsol/dictamen_procalsol.pdf.
Cristalería México;
http://www.cylex.com.mx/puebla/cristaleria+mexico+s.a.+de+c.v-11084260.html
Mercado Libre; http://listado.mercadolibre.com.mx/pintura-anticalorica.
McCabe, Warren L. Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica. Cuarta edicion.
Mexico, DF. McGraw Hill, 1991.
Kern, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Trigesima primera
reimpresión. Mexico, Compañia Editorial Continental, 1999. 981 pag.
Diseño y construcción de un colector solar en V: prototipo a escala real para uso
doméstico de calentamiento de agua, aplicado a comunidades rurales.
Universidad de las Américas Puebla. Escuela de Ingeniería. Departamento de
Ingeniería Civil y Ambiental. [En línea] <
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/morales_s_oi/> (citado el 15
de junio de 2014).
18
Secretaría del medio ambiente. Requerimientos mínimos para la instalación de
sistemas solares térmicos, para calentamiento de agua. [En línea] <
http://www.sma.df.gob.mx/conadf/grupos/energia3/com.gt.pdf> (citado el 20 de
junio del 2014).
Organización Panamericana de la Salud. Biblioteca virtual de desarrollo sostenible
y salud ambiental. [En línea] < http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xx.pdf>
(citado el 19 de junio de 2014).
