INSTITUTO TECNOLGICO NACIONAL DE MXICO CAMPUS ZACATEPEC

DEPARTAMENTO DE METALMECNICAINGENIERA ELECTROMECNICA

CONSTRUCCIN DE UN COLECTOR SOLAR DE USO DOMSTICO: UNA ALTERNATIVA ENERGTICA SUSTENTABLE PARA EL ESTADO DE MORELOS

CAMILO FLORES FRANCISCO XAVIERGILES VIEYRA JOAN ELASMNEZ SNCHEZ IVN EMMANUELTORRES SALGADO LUIS ANTONIOVALDEZ BAHENA ADOLFO

Ing. Arturo Emmanuel Daz Domnguez Docente del Departamento Acadmico de Ciencias Bsicas

M.C. Luis David Bautista MorenoDocente del Departamento Econmico Administrativos

CONTENIDO

RESUMEN31. INTRODUCCION32. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIN32.1. ANTECEDENTES32.2. JUSTIFICACION53. OBJETIVO DE LA INVESTIGACION54. MARCO TERICO55. METODOLOGA75.1. HIPTESIS75.2. MATERIALES Y MTODOS75.2.1. MATERIALES75.2.2. MTODOS75.3. TIPO DE ESTUDIO85.4. VARIABLES86. CRONOGRAMA97. PRESUPUESTO108. REFERENCIAS119. ANEXOS11GLOSARIO11

RESUMEN

(Pendiente)

1. INTRODUCCION

En un mundo caracterizado por cambios rpidos donde la necesidad de estar en armona con nuestro medio ambiente son una exigencia, la gente tiene cada vez una mayor necesidad de enfocar las cuestiones del medio ambiente de un modo eficaz, viable, creativo e innovador mediante el aprovechamiento de energas limpias como la energa solar.

En comparacin con otros pases, Mxico es un pas excepcionalmente dotado pues cuenta con una potencia solar considerable (los niveles de irradiacin estn entre 5 y 6 kWh/m2*da en el 90% del territorio) que ofrece grandes posibilidades como fuente de energa alternativa y contrariamente a otros recursos como el petrleo, no presenta la posibilidad futura de agotamiento. Sin embargo, cientficos mexicanos aseguran que se desperdicia el potencial de energa solar que existe en Mxico, y especficamente en el Estado de Morelos.

Ante esta realidad, nuestro pas ha atribuido importancia a la bsqueda de fuentes no convencionales de energa tales como la energa solar. Sonora es el estado con mayores permisos solicitados para el aprovechamiento de energa solar en el pas con ms del 40%. Durango,AguascalientesyJaliscoson otros estados que pretenden impulsar la generacin de energa a partir de fuentes renovables como la energa solar.

De esta manera, el uso de colectores solares es una buena alternativa energtica de bajo costo para el clima clido del Estado de Morelos. Con este proyecto se pretende proporcionar una fuente de ahorro de gas o electricidad, un colector solar que caliente el agua para despus poder utilizarla ya sea para baarse o para cualquier otro uso que depender de cada usuario, un colector solar prctico, de fcil elaboracin, amigable con el medio ambiente y lo ms importante, de bajo costo.

2. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIN

2.1. ANTECEDENTES

Durantesiglos, el hombre ha encontrado diversas aplicaciones para aprovechar la energa solar. En 1860, con el apoyo de Napolen III, Augusto Mouchot construy un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m de dimetro, que se utiliz primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. En la Exposicin Mundial de Pars, celebrada en 1878, Mouchot exhibi una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector. Tambin en la Exposicin Mundial que se realiz en el Palacio de las Tulleras, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. Ms tarde, en esta imprenta se editara la revistaLe Journal du Soleil.

Despus de varias contribuciones, durante la primera mitad del sigloXX,el aprovechamiento de la energa solar permaneci en el olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no podan competir con las mquinas que empleaban combustibles fsiles como el petrleo, el gas y el carbn. En las ltimas dcadas, la energa solar ha cobrado importancia como fuente energtica, puesto que las reservas de combustibles fsiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no suceda hace 60 aos. As, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez ms baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del sol, aparece todas las maanas sin cobrar.

En nuestro pas, que posee regiones con el promedio mundial de insolacin o soleamiento anual ms alto, el aprovechamiento de la energa solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opcin. El que esta fuente de energa sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos econmicos destinados a su estudio y del inters que se preste a su desarrollo.

Hoy en da, la energa solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energa. Segn algunas fuentes, en 1985 el petrleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energa. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energa hidroelctrica contribua con el 3.3%; despus segua el carbn, con el 1.5% y, finalmente, la energa geotrmica con el 0.2%. Por otro lado, cabe mencionar que ms de 20% de la poblacin rural no tiene acceso a la energa elctrica.

El promedio diario de energa solar que llega a la Repblica Mexicana es 5.5 kWh/m. La utilizacin de la energa solar se ha probado con xito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades rurales. Tambin se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energa, si se emplean algunos dispositivos solares y si la arquitectura de la vivienda est diseada para que el clima est controlado naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energa solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de los recursos energticos no renovables.

Algunos pases de Amrica latina han elaborado planes para la implementacin de colectores solares, estos son algunos de que se han llevado acabo:

Programa de la Secretara de Medio Ambiente y Recursos Hdricos de Brasil: Ing. Jos Alcino Alano Brasil. Este programa desarroll un manual de calentador solar con botellas de plsticos recicladas que en su interior tienen tetrapack pintado de negro.

Jos Alcino Alano, 2006. Proyecto Instalado en Combemtu Brasil, Comisin del Bienestar del Menor de Tubaro, Brasil, de colectores solares realizados con botellas PET para el aprovisionamiento de agua sanitaria para obras de mayor envergadura, con un sistema similar presentado al proyecto anterior.

Programa del Estado de Paran, Brasil, 2008. Proyecto colector solar pasivo, hecho con botellas descartables de PET, que ofician de colector-acumulador, de Pedro Serrano del Canello de Nos, ONG de Chile. Este sistema consiste en un gabinete aislado trmicamente por detrs, en el que se colocan las botellas. Este gabinete posee una ventana por delante que se abre para permitir la renovacin de la carga de agua; en el lapso de tres horas alcanza una temperatura de 60-85C en un da claro, sin nubes. Serrano P., 1995.

Actualmente las dos principales desventajas que presenta el uso de la energa solar son, en primer lugar, el costo elevado de los sistemas solares en comparacin con los comunes y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de aprovechamiento de energa solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.

2.2. JUSTIFICACION

Este colector solar ayudara a las comunidades del estado de Morelos que no cuentan con suficientes recursos econmicos para poder calentar su agua, adems, es un proyecto de carcter ambiental que contribuye a la reduccin de gases contaminantes, condicin que a su vez ayuda a preservar y mejorar el ambiente en la entidad,

Tambin es una tecnologa necesaria para aprovechar de manera buena la irradiacin solar excesiva con la que contamos en el estado.

3. OBJETIVO DE LA INVESTIGACION

OBJETIVO GENERAL

Elaborar un colector solar de agua para uso domstico, como una solucin viable para el problema del excesivo consumo de recursos energticos no renovables, utilizando materiales reciclados.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Ofrecer al pblico una opcin para calentar el agua a un bajo costo. Optimizar y hacer conciencia del uso de energas limpias y renovables como la energa solar. Proporcionar la informacin necesaria para la fcil comprensin del funcionamiento de un colector solar, de tal modo que el lector pueda construir uno para uso personal.

4. MARCO TERICO

El desarrollo de sistemas que operan utilizando energa solar, ha avanzado para contrarrestar las constantes crisis de energticos que a nivel mundial se han venido presentando desde finales de 1970. Estas crisis han sido causadas por la falta de materia prima que se puede utilizar como energtico y por los elevados costos de extraccin, procesado y distribucin de los mismos; la ltima crisis que estamos viviendo tiene repercusiones polticas en el contexto del Medio Oriente y cada ao que pase se agravar debido a que las reservas probadas de hidrocarburos slo garantizan el abastecimiento para las prximas dos dcadas.

La energa solar es una fuente renovable y se ha usado histricamente con diferentes fines. El calentamiento de agua constituye un consumo energtico importante en una casa teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios de medida de consumo de agua caliente. En general se considera que un consumo medio tpico es del orden de los 40 litros por da y persona. En los pases en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del consumo de energa de un hogar, este porcentaje es mayor que en los pases desarrollados, donde el consumo de energa para producir agua caliente sanitaria se supone del 26% del consumo total de la vivienda.

En general, a nivel mundial, la accin de calentar agua se ha convertido en el segundo uso energtico domstico en importancia despus de la calefaccin y la refrigeracin. Por esta razn, el calentamiento de agua mediante energa solar, ms all de ser una alternativa ecolgica, se ha convertido en una tecnologa econmicamente atractiva y competitiva en muchos pases como Japn, Israel y Australia, ya que si una unidad solar es usada como complemento en un calentador regular de agua, aquella puede ahorrar hasta el 90% de la energa usada por el sistema convencional.

COLECTOR SOLAR

Cuando un objeto se expone a la radiacin solar la temperatura se eleva hasta que las prdidas igualan a las ganancias. Las prdidas se deben a la emisin de material caliente (radiacin), al movimiento del aire fro que lo rodea (conveccin) y de la conductividad trmica de los objetos en contacto (conduccin). Las ganancias dependen de la intensidad de radiacin solar, de la capacidad emisiva del material, del poder de absorcin de la superficie y del coeficiente de transferencia de calor por conveccin.

Un colector solar es una especie de intercambiador de calor que transforma la energa radiante en calor. La transferencia de energa se hace desde una fuente radiante (sol) hacia un fluido generalmente agua que circula por los tubos o ductos del colector. El flujo de energa radiante que finalmente intercepta el colector, proviene bsicamente del rango visible del espectro solar y es por naturaleza variable con el tiempo. En condiciones ptimas podemos esperar como mximo flujos de 1100 W/m2.

Lo colectores solares se clasifican en colectores concentradores y colectores planos, de estos, los colectores solares planos son los ms comunes pues tienen la capacidad de recolectar tanto radiacin difusa como radiacin directa. Estos pueden ser diseados y utilizados en aplicaciones donde se requiere que la energa sea liberada a bajas temperaturas debido a que la temperatura de coleccin de estos colectores no rebasa los 100C.

El principio de funcionamiento de todo colector solar es captar la energa de los rayos solares con una capa absorbente expuesta a estos, y pasar esta forma de energa de calor al agua que circula en contacto con la placa. Tiene en su interior un cuerpo negro que absorbe los rayos del sol calentando lo que se encuentra en contacto con el mismo.

El colector solar plano consiste en una capa de vidrio transparente que deja pasar la radiacin solar, una placa absorbente metlica, una capa de aire o agua circulando en contacto con ella, otra placa paralela a la absorbente que sirve de tapa posterior a la cmara de agua. Y finalmente una capa aislante.

La eficiencia de los colectores comerciales es aproximadamente del 60 y 70% en ausencia del viento, el viento disminuye la eficiencia de manera lineal. De esta forma los colectores solares presentan problemas relacionados con radiacin y flujos de energa pequeos y variables.

5. METODOLOGA

5.1. HIPTESIS

El uso del colector solar elaborado en el presente protocolo de investigacin reducir el consumo de energa destinada para calentar agua en un 80% en los hogares que lo utilicen, adems de disminuir significativamente su costo de manufactura y mantenimiento. Adems se pretende proporcionar agua suficiente para las necesidades de una familia de 4 integrantes.

5.2. MATERIALES Y MTODOS

5.2.1. MATERIALES

1. Tubos de cobre u otro metal adecuado para la transferencia de agua a altas temperaturas.2. Madera.3. Depsito para agua fra.4. PLC.5. Base metlica (Aluminio).6. Pintura color negro mate.7. Soplete.8. Vidrio.

5.2.2. MTODOS

Proceso de seleccin de materiales.Durante el mtodo de seleccin, los diferentes materiales tienen que pasar unas pruebas, para determinar su buen estado fsico. Se realizan pruebas de conductividad trmica de los materiales, as se observaran los efectos del calor en los cuerpos, con el fin de conocer si cumplen con las propiedades que un colector solar demanda.

Proceso de saneamiento.En esta seccin los materiales ya seleccionados tendrn que ser sometidos a una limpieza profunda ya que los materiales podran presentar diferentes imperfecciones por la suciedad.

Proceso de corte y ensamble.En esta fase los materiales que obtuvieron las mejores caractersticas para nuestro prototipo, se recortan y ensamblan dando las medidas requeridas necesarias para dar forma a nuestro prototipo.

Proceso de rectificado y soldado.En esta parte los materiales pasarn por una ltima prueba fsica que ser la revisin de los cortes y medidas de los diferentes materiales con los que est compuesto nuestro prototipo. Una vez al trmino de este proceso se continuar con el proceso de soldado fijando as los componentes de nuestro colector. Proceso de recubrimiento de materiales.En esta ltima etapa nuestro colector ser cubierto por una capa de pintura que evitar la corrosin en el exterior, ayudando tambin con la elevacin de temperatura en el colector.

5.3. TIPO DE ESTUDIO

Este proyecto est orientado a la construccin o diseo de prototipo o equipos, esto se debe a que a partir de la informacin recolectada se buscar sustentarla implementado o llevando a cabo un modelo que justifique el proyecto y en el cual se pueda observar un funcionamiento eficaz y correcto.

5.4. VARIABLES

6. CRONOGRAMACRONOGRAMA

DURACIN (SEMANAS)

ACTIVIDADESFEBREROMARZOABRILMAYO

TERCER SEMANACUARTA SEMANAPRIMER SEMANASEGUNDA SEMANATERCER SEMANACUARTA SEMANAPRIMER SEMANASEGUNDA SEMANATERCER SEMANACUARTA SEMANAPRIMER SEMANA

FORMULACION DEL PROBLEMAX

JUSTIFICACIN DEL PROBLEMAX

RECOLECCIN DE DATOSX

MARCO TEORICOXX

OBJETIVOSX

HIPOTESIS Y JUSTIFICACIONXX

METODOLOGIAXXX

SELECCIN DE MATERIALESX

ENSAMBLE DEL COLECTORXX

EXPERIMENTACIONX

RESULTADOSXX

PREPARACION DE PROTOCOLOX

REVISIN Y CORRECCION DE PROTOCOLOX

ENTREGA DE PROTOCOLO FINALX

7. PRESUPUESTO

El colector solar est diseado para elaborarse en su mayora con materiales reciclables, reduciendo as un considerable costo en comparacin de otros colectores solares; sin embargo existen pequeos costos en su realizacin que no pueden ser ignorados. El presupuesto estimado para la realizacin del colector solar se muestra en la tabla 1.Tabla 1. Presupuesto estimado para la realizacin del colector solar.DESCRIPCINDIMENSIONESCANTIDADPRECIOTOTAL

Soldadura de estao 50/5042.53 gr 5$ 33$ 165

Boquilla para soplete de lata ,120mm1$ 130$ 130

Gas butano1.48 Oz2$ 99$ 198

Pintura en aerosol negra11 Oz1$ 129$ 129

Vidrio1m21$ 50$ 50

Conexiones de plomera/cobre 10$ 10$ 100

Total $ 772

Este protocolo est orientado a realizar el colector solar de forma personal por lo cual no se toma encuenta el pago de un especialista en el ensamble del mismo. Si se desea contratar a un especialista para el ensamble es importante considerar el presupuesto de la tabla 2.Tabla 2. Presupuesto si el ensamblaje del colector solar lo hace un profesional. DESCRIPCINCOSTO

Honorarios por servicios profesionales$ 2000

Pasajes y gastos de transporte$ 300

Documentos y servicios de informacin$ 100

Total $ 2400

8. REFERENCIAS

CONAGUA. (12 de Febrero de 2012). Irradiacin solar en Mxico. Recuperado el 7 de Marzo de 2015, de http://www.conagua.gob.mx/conagua07/contenido/documentos/presentacion1.pdf

Nacional, S. M. (2014). Precipitacin Anual. Recuperado el 7 de Marzo de 2015, dehttp://smn.cna.gob.mx/climatologia/TempsyPrecip/Mensuales/2014Prec.pdf

Nacional, S. M. (2014). Temperatura Mxima Anual. Recuperado el 7 de Marzo de 2015, dehttp://smn.cna.gob.mx/climatologia/TempsyPrecip/Mensuales/2014Tmax.pdf

Renovables, I. d. (2012). Energa Solar Una riqueza para todos. Recuperado el 7 de Marzo de 2015, de http://www.acmor.org.mx/?q=content/la-energ%C3%AD-solar-una-riqueza-para-todos

UAEM. (2012). Clima estado de Morelos. Recuperado el 8 de Marzo de 2015, dehttp://www.cib.uaem.mx/Edafoclimatologia/Temps/PROLOGO.pdf

Luis Juanic, Nicols Dilalla. (2014). Optimization of the Hose-Based Low-Cost Solar Collector. International Journal of Renewable Energy & Biofuels, 2014, 13.

Yunus A. engel. (2007). Transferencia de Calor y Masa. Editorial McGrawHill

F. P. Incropera y D. P. De Witt (2000): Fundamentos de Transferencia de Calor, 4a Ed, Pearson Educacin.

FOX McDONALD (1989). Introduccin a la mecnica de fluidos. Editorial McGraw Hill

9. ANEXOS

GLOSARIO

Biomasa. Materia orgnica originada en un proceso biolgico, espontneo o provocado, utilizable como fuente de energa.

Caldera. Recipiente de metal, grande y semiesfrico, que sirve comnmente para poner a calentar o cocer algo dentro de l.

Calefaccin. Conjunto de aparatos destinados a calentar un edificio o parte de l.

Coeficiente de transferencia de calor por conveccin. Representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por conveccin.

Colector solar. Dispositivo en el que tiene lugar la transferencia de la energa calorfica solar al fluido que circula por el colector.

Combustible fsil. Aquellas materias primas empleadas en combustin que se han formado a partir de las plantas y otros organismos vivos que existieron en tiempos remotos en la Tierra. El carbn en todas sus variedades, el petrleo y el gas natural son algunos.

Conduccin de calor. Es un proceso de transmisin de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que est en contacto con el primero.

Conveccin. Transporte en un fluido de una magnitud fsica, como masa, electricidad o calor, por desplazamiento de sus molculas debido a diferencias de densidad.

Energa. Capacidad para realizar un trabajo. Se mide en julios.

Energa elctrica. Forma de energa que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente elctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor elctrico.

Energa geotrmica. Energa que se obtiene mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra.

Energa hidroelctrica. Es electricidad generada aprovechando la energa del agua en movimiento.

Energa no renovable. Fuentes de energa que se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas, las cuales, una vez consumidas en su totalidad, no pueden sustituirse.

Energa renovable. Energa que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energa que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Energa solar. Es una energa renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiacin electromagntica procedente del Sol.

Espectro solar. Distribucin de la energa que es irradiada por una fuente luminosa, que viene ordenada por unos valores de longitud de onda, es particular la secuencia matizada por la descomposicin de los colores del iris. Tambin llamado colores del arco iris, espectro luminoso.

Fluido. Porcin de materia formada por alguna sustancia entre cuyas molculas existe una fuerza de atraccin dbil.

Fuente renovable. Tambin llamadas fuentes de energa renovables son aquellas que, tras ser utilizadas, se pueden regenerar de manera natural o artificial. Algunas de estas fuentes renovables estn sometidas a ciclos que se mantienen de forma ms o menos constante en la naturaleza.

Hidrocarburo. Compuesto resultante de la combinacin del carbono con el hidrgeno.Intercambiador de calor.

Insolacin. Cantidad de energa solar recibida por una superficie.

Irradiacin. Despedir rayos de luz, calor u otra energa.

Potencia. Cantidad de energa producida o consumida por unidad de tiempo.

Prensa.

Radiacin. Despedir rayos de luz, calor u otra energa.

Radiacin electromagntica. Una combinacin de campos elctricos y magnticos oscilantes, que se propagan a travs del espacio transportando energa de un lugar a otro.

Radiacin difusa. Es el efecto generado cuando la radiacin solar que alcanza la superficie de la atmsfera de la Tierra se dispersa de su direccin original a causa de molculas en la atmsfera.

Radiacin directa. Es la que pasa en lnea recta desde el Sol a travs de la atmsfera hasta el colector.

Sistema solar pasivo. Se utilizan principalmente para captar y acumular el calor proveniente de la energa solar.

Soleamiento. Tener expuesto al sol algo por algn tiempo.