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“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA SISTEMAS DE CALENTAMIENTO
DE AGUA CON ENERGIA SOLAR, TIPO TERMOSIFON SEGÚN LA NORMA TECNICA PERUANA NTP
399.405 2007 EN LA CIUDAD DE AREQUIPA
Lourdes Soria Guia [email protected]
Alberto Montoya Portugal [email protected]
Ernesto Palo Tejada , Wilson Cabana Hancco [email protected]
Universidad Nacional de San Agustín, Facultad de Ciencias Naturales y Formales
Escuela Profesional de Física
RESUMEN
En este trabajo se presenta el diseño, la implementación de un Sistema de Evaluación y la caracterización para un
calentador solar de tubos al vacío, según la Norma Tecnica Peruana NTP 399.405 2007. Se realizó un diagrama de flujo
para la instalación del sistema de evaluación, ubicando los puntos claves de las conexiones como el flujometro, sensores de
Temperatura y otros componentes, para realizar las medidas apropiadas del ensayo, se implementó un Sistema de
Enfriamiento y un Sistema de precalentamiento cumpliendo con las condiciones que establece la norma.
Para comprobar experimentalmente los procedimientos de ensayo, se evalúo un calentador solar de tubos al vacío,
obteniendo como resultados la ecuación de rendimiento térmico, perfiles de temperatura de descarga y de mezcla,
coeficiente de pérdidas del calentador Us = 1.85 W/°C, la capacidad calorífica del calentador C = 0.546 MJ/°C. Con estos
resultados pudimos predecir la temperatura del agua al día siguiente en el dispositivo de almacenamiento, después de hacer
una descarga de un volumen de agua.
En este trabajo se propone el mejoramiento del banco de pruebas que fue construido, que consiste en implementar un
laboratorio de ensayos compatible con las normas ISO 9459-2 e ISO 9459-5, este sistema de evaluación de calentadores
solares nos permitirá emitir certificación de su rendimiento y aprovechar todas las ventajas que esto supone, en el
desarrollo de la tecnología de la energía solar térmica en la región.
Palabras claves: Norma técnica, energía solar, banco de pruebas, calentadores solares
INTRODUCCION
En el Perú se ha desarrollado el uso de la Energía Solar en diferentes ámbitos, uno de los cuales es la energía térmica para
calentamiento de agua a través de termas solares, las empresas dedicadas al negocio de Sistemas de Calentamiento de agua
con Energía Solar (SCAES) para sistemas de placa plana y tubos al vacío, no cuentan con certificación de sus productos.
En cuanto al panorama normativo del Perú, se tiene aprobada la NTP 399.405 2007 que establece los procedimientos de
ensayo y permiten definir el rendimiento de los SCAES bajo exposición directa a la radiación solar. Esta norma está en
concordancia con las normas extranjeras ISO 9459 – 2 y la NCh 2906/ 2. Of 20041, la cual no fue sustentada
experimentalmente por no contar con un laboratorio que cumpla con los procedimientos de ensayo según la NTP.
1. Norma Técnica peruana NTP 399.405 2007
Esta Norma Técnica Peruana establece los procedimientos de ensayo que permiten definir el rendimiento de los Sistemas de
Calentamiento de Agua con Energía Solar (SCAES) bajo exposición directa a la radiación solar (ensayos en exterior). Los
principales puntos tratados en estas normas se pueden resumir en lo siguiente:
Determinación del Rendimiento diario del Sistema
Determinación del grado de temperatura de la mezcla en el dispositivo de Almacenamiento durante la descarga.
Determinación de pérdidas de calor del dispositivo de almacenamiento
1 NORMA CHILENA OFICIAL
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
a) Determinación del Rendimiento diario del calentador solar
Esta evaluación se debe obtener como mínimo para cuatro días diferentes, con aproximadamente los mismos valores de
temperatura ambiente (tamb(dia)) y temperatura de red ( t red), donde la ( tamb(dia) – t red) debe estar en el rango de -5°C a 20°C
para cada día de ensayo. Los valores de irradiación uniformemente desplegados en el rango de 8MJ/m2 a 25MJ/m
2 y un
flujo constante de 0,6 m3/h.
Al inicio de cada día de ensayo, antes de empezar el mismo, se protege el colector del sol directo y se acondiciona el
sistema mediante la circulación de agua fría a temperatura de red a través de él a un flujo constante, de manera que en todo
el calentador solar alcance una temperatura uniforme.
Para estos cuatro días de ensayo consideramos los valores en el rango de tamb(dia) – t red = 5°C y los valores de irradiación
(H) que se consideró fueron de: 10.29 MJ/m2, 17.16 MJ/m
2, 22.23 MJ/m
2, 25.25 MJ/m
2
Cuando el sistema recibe la cantidad de energía solar establecida, se protege el colector de la radiación solar y se procede
a extraer el agua desde el dispositivo de almacenamiento, mientras este se descarga debe ingresar agua a la temperatura de
red definida, hasta que la temperatura de ingreso y salida del agua sea menor a 1°C.
Estos resultados experimentales se usaran como entrada a los procedimientos de cálculos para la determinación del
rendimiento diario del sistema. Obteniendo la energía acumulada con la ecuación:
(1)
Luego se grafica el diagrama de entrada - salida de energía, a partir de la cual se puede hallar el rendimiento del sistema.
(2)
b) Determinación del grado de temperatura de la mezcla en el dispositivo de almacenamiento durante la
descarga
Este ensayo está diseñado para determinar la calidad de mezclado entre el agua caliente en el dispositivo de
almacenamiento con el agua fría que entra a este, durante la descarga de agua caliente.
Primeramente se protege el colector de la radiación solar. Se acondiciona el sistema mediante la circulación de agua a una
temperatura mayor de 60 °C a un flujo de 0,6 m3/h. Se hace circular el agua en el dispositivo de almacenamiento de tal
manera que alcance la temperatura de equilibrio, esto sucede cuando la diferencia entre la temperatura de entrada y de salida
sea menor que 1 °C, cerramos el circuito de circulación y seguidamente se procede a realizar la descarga del agua caliente
del dispositivo de almacenamiento (Ver figura 3), mientras se extrae el agua se hace ingresar agua a temperatura de red
definida (para este ensayo la temperatura de red tiene que ser menor que 30 °C) y a un flujo constante de 0,6 m3/h.
c) Determinación del coeficiente de pérdidas del dispositivo de almacenamiento
Este ensayo está diseñado para determinar las pérdidas del dispositivo de almacenamiento, el cual se debe realizar de noche
con el colector expuesto al cielo. Se puede usar algunas horas de luz de día, protegiendo el sistema de la radiación solar
durante este periodo.
Se acondiciona previamente el sistema mediante la circulación de agua a una temperatura mayor de 60 0C a un flujo de 0,6
m3/h. Se hace circular el agua en el dispositivo de almacenamiento de tal manera que alcance la temperatura de equilibrio, el
dispositivo queda acondicionado cuando la diferencia de temperatura de entrada y salida sea menor que 1 °C.
Se deja enfriar el dispositivo de almacenamiento durante un periodo de 12 h a 24 h, en este periodo de enfriamiento se
registra la temperatura del agua en el dispositivo de almacenamiento, la temperatura ambiente y la velocidad del viento. Al
término del periodo de ensayo, se mezcla el agua en el dispositivo de almacenamiento de manera que este alcance la
temperatura de equilibrio, tomamos el dato de la temperatura en el dispositivo de almacenamiento.
Con los datos registrados se calcula el coeficiente de pérdida de calor del dispositivo de almacenamiento.
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
2. BANCO DE PRUEBAS
2.1 Descripción del Sistema
Este punto tiene como objetivo presentar el diseño propuesto según la NTP del sistema de evaluación, el cual consta de un
sistema de enfriamiento (figura 1) y un sistema de precalentamiento (figura 2).
Fig (1): Sistema de Enfriamiento Fig (2): Sistema de Precalentamiento
El diagrama completo del procedimiento de evaluación según la Norma Técnica NTP, consta de un calentador
solar a evaluar, los sistemas de enfriamiento y calentamiento con sus respectivos componentes de medición instalados en el
sistema. Ver figura (3).
Figura (3): Diagrama del Sistema de Evaluación
L- P
Sensor de Temperatura
Agitador
Estructura Metálica
T- Cu 1/2'
Poliestireno expandido
Poliuretano expandido (10cm)
Tanque Reservorio
SE-V SE - C
Estructura Metálica
Resistencia Eléctrica
Tubo PVC
Cable eléctrico Sensor de
Temperatura Resistencia Eléctrica
Agitador
Poliestireno expandido
Poliuretano expandido
(10cm)
Estructura Metálica
Tanque Reservorio
S E - V
ST
L-P
L-P
AG T- Cu
A I STE
STT
STS
L-P L-P
L-P
L-P
B -2 I
ST
A
TR
L-P L-P
L-P L-P
FL
PIR
SE- C
SV
B-1
CALENTADOR SOLAR
M F
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
TR
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” Donde los componentes del diagrama se muestran en la siguiente tabla:
2.2 Instrumentos de Medición
A continuación se presentan las características técnicas principales de los componentes del sistema implementado para
realizar los ensayos.
Bombas de Circulación
Potencia Necesaria: 0,5 Hp
Flujo máximo : 1,62 m3/h
Sistema de Enfriamiento
Potencia : 0,5 Hp
Gas Refrigerante : R404 –A
Tanque reservorio de 600 L (con aislante térmico: espuma poliuretano expandido de 10 cm de espesor).
Sistema de precalentamiento
Resistencias Eléctricas de 10 500 W (3 resistencias eléctricas de 3 500 W cada una).
Tanque reservorio de 600 L (con aislante térmico: espuma poliuretano expandido de 10 cm de espesor).
Agitador de paletas
Potencia : 25 W
1 250 rpm - 1 500 rpm
Sensores
Piranómetro Kipp Zone para medir la radiación solar global incidente en el plano del colector con una precisión de
± 5 W/m2.
Anemómetro entre m/s con integrador (1-100) minutos, medidor de dirección de viento (0 – 360) º.
Sensores de temperatura PT-100 para medir la temperatura del agua de entrada, salida y tanque de almacenamiento,
precisión ± 0,1ºC.
Flujómetro tipo magnético inductivo marca Kobold modelo MID, de rango de medida (0,0 – 3,3) m3/h con una
precisión de ± 0,3% de la lectura.
Datalogger marca Midi Logger GL-800 para registrar las medidas de temperaturas, flujo, radiación solar, velocidad de
viento, sistema de control de temperatura.
ABREVIATURA COMPONENTES
SV Sensor de viento
PIR Piranometro
STE Sensor de temperatura entrada
STT Sensor de temperatura tanque
STS Sensor de temperatura salida
FL flujometro
ST Sensor de Temperatura
SE - V Sistema de enfriamiento vaporizador
SE - C Sistema de enfriamiento condensador
SPC Sistema de precalentamiento
AG Agitador
RE Resistencia Electrica
B-1 Bomba de agua 1
B- 2 Bomba de agua 2
L-P Llave de paso
T- Cu Tubo de cobre
TR Tanque reservorio
I Corriente Eléctrica
MF Mangueras Flexibles
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
En la siguiente figura se puede observar el Banco de Pruebas instalado en exterior.
Fig (4): Banco de pruebas en exterior
3. ENSAYOS Y RESULTADOS
3.1 Colectores Solares
El calentador solar usado para ensayar con el banco de pruebas implementado tiene una capacidad de 120 litros, tiene como
colector tubos de vacío, es un sistema integrado colector-acumulador y funciona por termosifón. El calentador Solar fue
ubicado en exterior de manera que no formen sombra dentro del mismo, en algún momento durante el periodo de ensayo,
mirando hacia el Norte.
3.2 Diagrama del Rendimiento diario del Calentador Solar
3.2.1 Diagrama de Entrada – Salida
Este diagrama se refiere como entrada a la energía que recibe del sol y salida a la energía que gana el sistema.
Estos resultados experimentales se usan como entrada a los procedimientos de cálculos para la determinación del
rendimiento diario del sistema.
Los valores de la temperatura del agua descargada cada undécimo del volumen del dispositivo de almacenamiento se usan
para encontrar la energía acumulada, con la siguiente ecuación:
(3)
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” Perfil de Descarga
El perfil presentado a continuación se refiere a la temperatura de descarga de agua cada undécimo del volumen.
17:02 17:09 17:16 17:24 17:31 17:38 17:45
10
15
20
25
30
35
40
T entrada
T salida
Te
mp
era
tura
(°C
)
Tiempo (hh:mm)
Grafica 1: Temperatura del agua descargada en función del tiempo (Perfil de Descarga)
En la gráfica 1 podemos observar como la temperatura de descarga de agua va disminuyendo conforme va ingresando agua
a temperatura de red. El comportamiento de esta grafica en comparación a los ensayos realizados según [6] nos permite
concluir que el diseño del sistema evaluado no es el óptimo. Los sensores de temperatura usados son los PT100 y estos
cumplen con el grado de precisión exigido.
Flujo del agua de Ingreso al Sistema
17:02 17:09 17:16 17:24 17:31 17:38 17:45
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Flu
jo (
m3/h
)
Tiempo (hh:mm)
Grafica 2: Flujo del agua de Ingreso al Sistema
En la grafica observamos que el flujo de entrada del agua al sistema no es constante, habiendo pequeñas fluctuaciones,
debido a que la bomba usada no es de precisión.
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
Radiación Solar y Energía Acumulada
07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Ra
dia
cio
n S
ola
r (W
/m2)
Tiempo (hh:mm)
07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00
0
5
10
15
20
25
En
erg
ia A
cum
ula
da
(M
J/m
2)
Tiempo (hh:mm)
Grafica 3: Radiación Solar Grafica 4: Energía Acumulada
En la gráfica 3, podemos observar la radiación solar incidente durante el proceso de medición, en la gráfica (4) podemos
observar cómo se va acumulando la energía requerida en el sistema de almacenamiento, para un día de ensayo.
Temperatura Ambiente y Temperatura de Red
Para los ensayos del rendimiento térmico se necesita que la diferencia entre la temperatura ambiente y de red sea
constante, los sensores de temperatura usados son los PT100 y estos cumplen con el grado de precisión exigido.
Para acondicionar y mantener la Temperatura de red constante se usa el sistema de enfriamiento y de calentamiento (Ver
figura 1 y 2) ambos tienen un buen sistema de mezclado y sensores de temperatura de la precisión adecuada.
La medición de la temperatura ambiente se adquirió de una estación meteorológica, ubicada en la misma base del sistema de
evaluación, a una altura de 1.5m por encima del sistema.
Energía Acumulada
La energía total contenida en la descarga de agua caliente del dispositivo de almacenamiento es la suma de todas las Qi, es
decir:
(4)
Estos resultados de ensayo de la salida de energía diaria del sistema Q dependen de los valores de H y (Tamb(día) – T red ),
para cada día de ensayo.
La ecuación del rendimiento térmico del sistema está dada por:
(5)
Donde
,
Usando los coeficientes a1, a2 y a3 en la ecuación (5) podemos trazar otras rectas para diferentes condiciones de (Tamb(día) –
Tred) y H como se puede observar en la gráfica 5 , lo cual nos permite predecir el rendimiento térmico del calentador solar
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” en cualquier época del año y en otra región geográfica ya que la temperatura de red, temperatura ambiente y la radiación
solar varía según la estación en que nos encontremos.
0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
En
erg
ía A
cu
mu
lad
a Q
(M
J)
Irradiación en el colector H (MJ/m2)
1 (Tamb
- Tred
) = 20 °C
2 (Tamb
- Tred
) = 10 °C
3 (Tamb
- Tred
) = 0 °C
4 (Tamb
- Tred
) = -10 °C
1
2
3
4
Grafica 5: Energía acumulada en función de la irradiación para diferentes (Tamb (día) –Tred)
En la Grafica 5 se trazan cuatro rectas para las siguientes condiciones de temperatura (Tamb (día) –Tred) = 20°C, 10°C, 0°C y -
10°C, cada recta representa una diferencia de temperatura, de la cual se puede predecir la energía acumulada por el sistema,
según a la irradiación recibida.
3.2.2 Diagrama de Incremento de Temperatura
Los datos obtenidos de la temperatura máxima del agua descargada del dispositivo de almacenamiento se usan para
encontrar el incremento de temperatura que puede experimentar el agua almacenada sobre la temperatura de red, según la
irradiación recibida2.
La ecuación de incremento de temperatura del sistema está dada por:
(6)
Donde °C/MJ , estos coeficientes han sido determinados usando el método de
regresión lineal múltiple. El procedimiento de cálculo de estos coeficientes es el mismo que se siguió para los coeficientes
a1, a2 y a3.
Usando los coeficientes b1, b2 y b3 en la ecuación (6) podemos trazar otras rectas para diferentes condiciones de (Tamb(día) –
Tred) y H como se puede observar en la gráfica 6, lo cual nos permite predecir el incremento de temperatura del agua sobre
la temperatura de red en el dispositivo de almacenamiento en cualquier época del año o región geográfica, ya que la
temperatura de red, la temperatura ambiente y la radiación solar varía según la estación en que nos encontremos.
2 Los datos usados son del primer procedimiento
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
0 5 10 15 20 25 30
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
4
3
21 (T
amb- T
red) = 20 °C
2 (Tamb
- Tred
) = 10 °C
3 (Tamb
- Tred
) = 0 °C
4 (Tamb
- Tred
) = - 10 °C
Incre
men
to d
e t
em
pera
tura
(T
dm
ax -
Tre
d)
°C
Irradiación en el colector H (MJ/m2)
1
Grafica 6: Incremento de la temperatura (Tdmax – Tred) en función de la irradiación para diferentes (Tamb (día) –Tred)
En la gráfica 6 se trazan cuatro rectas paralelas con la misma pendiente de los puntos experimentales para las condiciones
de temperatura que se muestran (Tamb(día) – Tred) = 20 °C, 10 °C, 0 °C y -10 °C, cada recta representa una diferencia de
temperatura, de la cual se puede predecir el incremento de temperatura del agua (Tdmax – Tred), según a la irradiación solar
disponible.
3.3. Determinación del grado de temperatura de la mezcla en el dispositivo de almacenamiento durante la descarga
El perfil de temperatura de la mezcla de descarga se realiza con los datos del segundo procedimiento.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
10
20
30
40
50
60
70
volumen de descarga de agua ( multiplo de Vs)
Tem
pera
tura
de d
esc
arg
a T
d (
°C)
g (V) : Perfil de temperatura de mezcla de descarga
Grafica 7: Temperatura de descarga en función del Volumen.
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” En la gráfica 7, tenemos la temperatura de descarga del agua en función al volumen, se observa que la temperatura de
descarga decrece con respecto a la temperatura de red hasta que la diferencia sea menor que 1 °C, se descargó dos veces el
volumen de agua del dispositivo de almacenamiento, la descarga duró 30 min.
En la gráfica 7 podemos observar para un ingreso de 0.75 Vs (volumen total del calentador solar) de agua fría de red el
sistema pierde una temperatura significativa de 40°C esto sucede debido al diseño del calentador solar en su ingreso de
agua fría y salida del agua caliente.
3.4. Calculo del coeficiente de pérdida de calor del dispositivo de almacenamiento
Con los datos registrados en el tercer procedimiento se calcula el coeficiente de pérdida de calor del dispositivo de
almacenamiento con la ecuación:
(7)
Donde:
Δt = Tiempo de enfriamiento (en segundos).
Densidad del agua
Capacidad calorífica del Calentador Solar.
Volumen del calentador Solar
El coeficiente de pérdidas de calor del dispositivo de almacenamiento calculado es 1,85 W/°C, para un total de 15 h de
enfriamiento3.
En este trabajo es necesario calcular la capacidad calorífica del calentador solar, encontrando un valor de 0,546 MJ/ °C.
CONCLUSIONES
En este trabajo se ha implementado un Sistema de Evaluación y caracterización para un calentador solar de tubos al
vacío, según la Norma Técnica Peruana NTP 399.405 2007.
Se logró implementar un Sistema de Enfriamiento en un rango de temperatura (tamb(dia) – t red ) = -5°C a 20°C y un
Sistema de precalentamiento para calentar agua a temperatura por encima de 60°C, cumpliendo con las condiciones
requeridas por la NTP 399.405 2007.
Los sensores de temperatura en el sistema de medición de entrada y salida del agua del dispositivo de
almacenamiento, cumplen con lo que requiere la norma a excepción con los sensores de viento (anemómetro) y
temperatura ambiente.
Se ha observado pequeñas fluctuaciones en la medición del flujo, debido al sistema de bombeo para lo cual se
necesitaría una bomba de circulación de mayor precisión.
Este procedimiento de evaluación nos permite predecir cuál sería la energía acumulada por el agua en el calentador
solar, con diferentes datos de Energía Solar, Temperatura ambiente y Temperatura de red (para diferentes épocas del
año y diferentes regiones geográficas).
Se evaluó un calentador solar de tubos al vacío para comprobar los procedimientos de ensayo.
Se ha obtenido el coeficiente de pérdida del calentador solar Us cuyo valor es 1,85 W/°C y está dentro del rango de
cálculos hechos por otros autores para calentadores solares de tubos al vacío.
Se ha obtenido la capacidad calorífica del calentador solar (C), cuyo valor es 0,546 MJ/°C.
De la gráfica del perfil de mezcla de descarga, podríamos inferir que el diseño del calentador solar evaluado no es el
óptimo para la entrada y salida de agua.
3 La demostración de la ecuación se encuentra en el anexo D.
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” Del análisis del procedimiento de evaluación con consumo diario, podemos predecir la temperatura del agua al día
siguiente en el dispositivo de almacenamiento, esto nos sirve para poder dimensionar la capacidad de los calentadores
solares de acuerdo a las necesidades de los usuarios.
Se ha encontrado errores de nomenclatura de símbolos en la NTP, en las ecuaciones de pérdida de energía durante
la noche (pág. 39, pág. 43).
4. PROPUESTA PARA MEJORAR EL BANCO DE PRUEBAS
El mejoramiento del banco de pruebas que fue construido, consiste en implementar un laboratorio de ensayos compatible
con las normas ISO 9459-2 e ISO 9459-5, este sistema de evaluación de calentadores solares nos permitirá emitir
certificación de su rendimiento térmico y aprovechar todas las ventajas que esto supone, en el desarrollo de la tecnología de
la energía solar térmica en la región.
Por su naturaleza la ejecución del proyecto está dividido en 3 etapas: 1. Implementación del modelo computacional
TRNSYS del Sistema de Evaluación 2. Implementación del sistema de evaluación de calentadores solares, 3.
Acondicionamiento de infraestructura
La implementación del sistema de evaluación, etapa 2, es la más crítica del proyecto y se sub divide en 5 módulos:
Módulos de refrigeración, módulo de calentamiento, modulo hidráulico, monitoreo y control, y módulo de calibración de
temperatura.
Cada etapa y modulo del proyecto serán descritas en detalle a continuación.
1. Modelo computacional TRNSYS del sistema de evaluación.
El modelo computacional del sistema está basado en la norma ISO 9459-5 y se implementara en el software
especializado TRNSYS (sistemas termo-energético para simulaciones transitorias). Esta etapa del proyecto inicia
con la revisión de la norma ISO 9459-5, para la implementación del modelo computacional. El objetivo se
alcanzara cuando el modelo computacional esté debidamente depurado y optimizado y haya alcanzado el estado en
que los resultados de este, sean comparables con los resultados experimentales obtenidos de los procedimientos de
ensayo recomendados en la norma ISO 9459-2.
2. Módulo de refrigeración de Agua
El módulo de refrigeración debe mantener 500 L de agua a una temperatura previamente específica en el rango
de 1 a 15 oC y con resolución de 0.1
oC, por lo que deberá estar convenientemente asilado, el sistema de control
automático compensara las perdidas por conducción del medio ambiente al tanque por lo que deberá ser
sintonizado adecuadamente. El volumen de 500L es necesario para ensayos en calentadores solares comerciales de
hasta 120 L. El trabajo en esta etapa se inicia con el diseño, cálculos, dimensionamiento y planos del módulo y
se concluye con la implementación del mismo. El objetivo se alcanzará cuando el sistema de refrigeración esté
funcionando con las especificaciones establecidas en la norma.
3. Módulo de calentamiento de Agua
El módulo de calentamiento debe mantener 600 L de agua en una temperatura específica en el rango de 15 a 70
C y con resolución de 0.1oC, por lo que deberá estar convenientemente asilado, el sistema de control automático
compensara las perdidas por conducción del tanque al medio ambiente, por lo que deberá ser sintonizado
adecuadamente. El volumen de 600L es necesario para ensayos en calentadores solares comerciales de hasta 120 L.
El objetivo se alcanzará cuando el sistema de calentamiento esté funcionando con las especificaciones establecidas.
4. Módulo hidráulico y control de flujo.
Una de las etapas críticas en el funcionamiento del sistema de evaluación es la capacidad de mantener un flujo de
agua constante entre los tanques y el calentador solar a evaluar, este flujo debe estar en el orden de 0.1L/min y
deberá ser independiente de las variaciones de nivel en los tanques y las posible variaciones de tención en bomba
de agua que mantiene el flujo, para esto se propone utilizar una servo-válvula de realimentación de fluido en la
bomba de agua, conjuntamente con un ciclo convertidor que permita controlar las RPM de las bombas de agua, se
trata entonces de un sistema de control de doble lazo cuyos actuadores son la servo-válvula y el ciclo convertidor
y el sensor, un dispositivo medidor de flujo electromagnético. El sistema hidráulico lo componen tres bombas de
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
agua, 4 válvulas solenoides, 2 servo válvulas, 2 ciclo convertidores y conexiones de agua entre los tanques y el
calentador solar a evaluar, todo el sistema hidráulico deberá estar térmicamente aislado para evitar pérdidas. El
objetivo se lograra cuando el sistema de control automático mantenga el flujo entre los rangos y con la precisión
establecida en la norma.
5. Diseño, construcción, evaluación y pruebas del hardware y software del módulo electrónico de registro y control
automático.
Todo el hardware electrónico deberá estar integrado en una sola tarjeta de control diseñada específicamente para
cumplir con las tareas de registro de variables, control automático y comunicación del sistema de evaluación. En
La tarjeta de control se pueden distinguir, por su función, 5 módulos claramente identificables como, Fuente de
alimentación, hardware de control automático, hardware de transductores analógicos, memoria de registro de
datos, hardware de comunicación RS485 y un procesador con los recursos y potencia necesaria para implementar
todas las funciones, el software de la tarjeta deberá ser implementado en lenguaje C. El objetivo estará cumplido
cuando el hardware electrónico este probado, calibrado y el software que lo compone este implementado,
depurado e instalado.
6. Módulo de calibración de temperatura
El módulo de calibración lo compone un baño térmico y un termómetro patrón, la instalación, puesta en operación
y establecimiento de un protocolo de calibración son las metas a lograr en esta etapa. El objetivo se alcanzará
cuando el protocolo de calibración adoptado, garantice que la medición de temperatura con termómetros PT100
este en los valores de precisión requeridos por la norma.
7. Integración de los módulos en el sistema de evaluación
Es principalmente el software quien permite la integración de los módulos en el sistema de evaluación, en la
estructura del software se puede distinguir: un sistema operativo de tiempo real que mediante un algoritmo de
planificación de tareas se encarga de administrar los procesos como el orden en que estos se ejecutan y el tiempo
que se asigna por proceso, el sistema operativo también se encargara de administrar el sistema de archivos, la
comunicación entre procesos mediante una estructura de colas, y la comunicación de los procesos con el exterior
mediante RS485. Entre los procesos principales que correrán en la tarjeta se encuentran los que implementa los
tres algoritmos de control automático, un sistema gestor de archivos, una interface mediante comandos con
conexión a una PC y principalmente el algoritmo de evaluación de calentadores solares indicado en la norma ISO
9459-2, en el que se destaca el registro de datos de los transductores de temperatura, radiación solar, flujo y
velocidad de viento con la precisión requerida. En la integración de los módulos se tiene que considerar también
toda la instalación eléctrica. El objetivo se alcanzara cuando todos los módulos estén integrados en el sistema de
evaluación y el software permita su operación coordinada.
8. Pruebas del sistema de evaluación y comparación con el modelo computacional.
Cuando todos los módulos del sistema de evaluación estén debidamente integrados, el primer trabajo experimental
con el sistema consistirá en la sintonización de los sistemas de control automático que permita el funcionamiento
óptimo del sistema de refrigeración, el sistema de calentamiento y el sistema hidráulico. Se probara
experimentalmente el algoritmo de evaluación de calentadores solares indicado en la norma ISO 9459-2, e
implementado en el sistema, con calentadores solares comerciales, los resultados serán comparados con el modelo
computacional TRNSYS del sistema de evaluación. El objetivo se alcanzará cuando todos los procedimientos de
ensayo recomendados en la norma ISO-9459-2 hayan sido logrados y los resultados experimentales con los
obtenidos por el modelo computacional sean consistentes.
9. Certificación del sistema de evaluación ante la entidad que corresponda.
En esta etapa se solicitara ante la entidad que corresponda la certificación del sistema de evaluación, el objetivo se
logrará cuando la entidad certificadora emita un dictamen favorable.
10. Finalmente el sistema de evaluación de calentadores solares concluido quedara instalado y podrá ser usado en la
región Arequipa para:
La investigación de las aplicaciones de la energía solar térmica
Optimizar diseño de calentadores solares de Agua en la región
Garantizar la calidad de los calentadores de agua ofrecidos por los fabricantes
Certificar calentadores solares de agua en la región
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015”
Diagrama de flujo del proyecto
A continuación el diagrama de flujo donde se muestran las etapas del proyecto.
Fig (5) Diagrama de flujo del proyecto.
“Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXII-SPES, Arequipa, 17-21.11. 2015” ESQUEMA DEL SISTEMA DE EVALUACIÓN DE CALENTADORES SOLARES DE AGUA
Fig (6) Esquema del sistema de evaluación de calentadores solares de agua.
BIBLIOGRAFIA
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su rendimiento mediante ensayos en exterior, Lima, Perú, 2007.
[2] John A. Duffie and William A. Beckman. Solar Engineering of Thermal Processes. Wiley Interscience, 2da edición,
1991.
[3] Aníbal Valera. Energía solar Básica I, volumen 1, UNI, 1era edición, 1993.
[4] G.L. Morrison, J. Budihardjo, M. Behnia. Water-in-glass evacuated tube solar water heaters, School of Mechanical and
Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, Australia, 2003.
[5] Jorge A. Caminos, Sebastián Russillo, Adrián D. y Carlos Pacheco. Estudio Experimental de Calentador Solar de Tubos
de vacío con acumulador. Propuesta de Método de Ensayo, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Santa Fe,
Argentina, 2010.
[6] Javier H. Garnica, Juan M. Lucchini, Rodolfo G. Stoll y Jorge R. Barral. Ensayos Normalizados de colectores solares y
sistemas de calentamiento de agua en Argentina: Análisis de la situación, avances y dificultades. Universidad Nacional de
Rio Cuarto, Facultad de Ingeniería, departamento de Mecánica, Argentina, 2010.
