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UNIVERSIDAD DE PINAR DEL RÍO
“HERMANOS SAÍZ MONTES DE OCA”
FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS
CENTRO DE ESTUDIOS DE ENERGÍA
Y TECNOLOGÍAS SOSTENIBLES
TÍTULO: Sistema de calentadores solares como alternativa de
producción de agua caliente en la cocina de la Empresa de Productos
Lácteos y Confiterías de Pinar del Río.
Tesis presentada en opción al Título de Master en Eficiencia Energética.
Autor: Ing. Yasiel Rodríguez Trujillo
Pinar del Río
2015
2
UNIVERSIDAD DE PINAR DEL RÍO
“HERMANOS SAÍZ MONTES DE OCA”
FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS
CENTRO DE ESTUDIO DE ENERGÍA
Y TECNOLOGÍAS SOSTENIBLES
TÍTULO: Sistema de calentadores solares como alternativa de
producción de agua caliente en la cocina de la Empresa de Productos
Lácteos y Confiterías de Pinar del Río.
Tesis presentada en opción al Título de Master en Eficiencia Energética.
Autor: Ing. Yasiel Rodríguez Trujillo
Tutor: Dr.C. Juan Francisco Rodríguez Fernández
Pinar del Río
2015
3
RESUMEN
En el proceso de cocción de los alimentos del Combinado de productos lácteos
y confiterías de Pinar del Río se cuenta con un proyecto para el montaje del
sistema de Calentadores Solares de agua con fines sanitarios contemplando una
cantidad de 4 calentadores del modelo LPC- 47- 1525. Según los cálculos
realizados en el transcurso de esta investigación se necesitan 6 calentadores del
mismo tipo, para abastecer la demandada de la cocina. El balance de la energía
total absorbida y las energías perdidas por termo transferencia, son tales que
garantizan una temperatura de servicio de 70 ˚C las 24 horas del día. También
el sistema de calentadores cuenta con un índice de amortización de la inversión
que garantiza la recuperación de la inversión en un plazo aceptable, positivo
ahorro de combustible y cuidado medioambiental, evitando considerables
toneladas de CO2 al ambiente.
Palabras clave.
Cocción de alimentos, calentadores solares, ahorro de combustible.
4
ABSTRACT
In the process of cooking food Combined dairy and confectionery of Pinar del Río
it has a project for installing the system Solar water heaters for sanitary purposes
contemplating an amount of 4 heaters model LPC- 47- 1525. According to
calculations made in the course of this investigation in June of the same type
heaters are needed to supply the defendant kitchen. The balance of the total
energy absorbed and lost by heat transfer energies are such that guarantee a
temperature of 70 ° C, 24 hours a day. Also the heating system has a rate of
return on investment that guarantees payback within an acceptable timeframe,
plus fuel savings and environmental care, avoiding considerable tons of CO2 into
the environment.
Key words
Cooking food, encouraging solar, saving of fuel.
5
ÍNDICE Pág.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 7
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ....................................................................... 11
1.1. Consumo de energía en el mundo. .................................................................... 11
1.2 Los primeros calentadores de agua. ...................................................................... 11
1.3 Desde China. ................................................................................................................. 12
1.4 América Latina. ............................................................................................................ 13
1.5 Antecedentes de la energía en Cuba, antes y después del triunfo de la
Revolución. .......................................................................................................................... 14
1.6 Siglo XXI en Cuba. ....................................................................................................... 19
1.7 Fuente de Energías Renovables. ............................................................................. 20
1.8 Funciones de las Frente de Energías Renovables. ............................................ 20
1.9 Potencial del Sol. ......................................................................................................... 22
1.10 Radiación solar en Cuba. ........................................................................................ 23
1.11 Energía solar térmica. .............................................................................................. 23
1.12 Utilización de las fuentes renovables de energía solar. ................................. 24
1.13 Características principales de un calentador solar. ........................................ 25
1.14 Selección de un equipo solar. ................................................................................ 25
1.15 Tipos de colectores solares para calentar agua. .............................................. 25
1.16 Tipos de calentadores solares. .............................................................................. 26
1.16.1 Calentador solar plano con tanque-termo. ....................................................... 26
1.16.2 Calentadores solares de tubos al vacío. ........................................................... 29
1.16.3 Calentador compacto. ...................................................................................... 36
1.17 Determinación del sur geográfico. ....................................................................... 38
1.17.1 Método práctico para determinar el sur geográfico. ....................................... 40
1.18 Caudal de agua en una tubería. ............................................................................. 42
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................ 45
2.1 Calentadores solares ajustados a las condiciones actuales........................... 45
2.2 Los valores de la irradiación solar promedio diaria anual. .............................. 45
2.3 Instalación atendiendo a requerimientos de temperatura. ............................... 46
2.4 Selección de los calentadores. ................................................................................ 47
2.5 Número de colectores. ............................................................................................... 49
2.6 Colocación de los colectores. .................................................................................. 50
2.7 Instalación de los colectores. .................................................................................. 52
2.8 Cálculos de la red hidráulica .................................................................................... 53
6
2.9 Comprobación de satisfacción de la demanda. .................................................. 54
2.10 Sistema auxiliar. ........................................................................................................ 57
2.11 Factores a tener en cuenta para la instalación. ................................................ 57
2.12 Condiciones generales de montaje. ..................................................................... 58
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ................................................................... 60
3.1 Colocación de los colectores. .................................................................................. 60
3.2 Cálculos de la red hidráulica. ................................................................................... 61
3.3 Energía necesaria para la cocción de los alimentos sin tener en cuenta el
agua de los calentadores. ................................................................................................ 63
3.4 Proporciones reglamentadas. ................................................................................. 64
3.5 Energía necesaria para la cocción de los alimentos teniendo en cuenta el
agua de los calentadores. ................................................................................................ 65
3.6 Cálculo del producto transmisividad-absorbencia (), de la radiación total
absorbida(S) y la radiación solar incidente (HT). ....................................................... 66
3.7 Cálculo del coeficiente total de pérdidas en el tanque, (UA)s......................... 68
3.8 Cálculo de la temperatura de servicio en cada hora. ......................................... 69
3.9 Comprobación de satisfacción de la demanda. .................................................. 72
3.10 Valoración económica y medioambiental. .......................................................... 76
3.11 Mantenimiento de Calentadores Solares. ........................................................... 78
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 80
RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 81
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 82
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA ........................................................................................... 84
ANEXOS .................................................................................................................................... 85
7
INTRODUCCIÓN
Sin dudas una de las tecnologías más respetuosas con el medio ambiente y que
ha aportado tanto al desarrollo de la humanidad, es la que se basa en la
utilización de métodos de aprovechamiento de la luz solar. Uno de los problemas
que más afectan la economía de un país y en especial en Cuba es el
encarecimiento y el déficit de recursos energéticos, por lo que se hace
imprescindible llevar a cabo una política de ahorro en todos los sectores.
Hoy en día las industrias de proceso de alimentos consumen una gran cantidad
de toneladas de combustible, el cual entre otros usos se utiliza para la
generación de vapor, que posteriormente es utilizado en distintos procesos
tecnológicos. Como vía de ahorro en el mundo se han desarrollado un sin
número de acciones en las que se utilizan como fuente energética los recursos
renovables como: energía eólica y solar, en especial esta última que es uno de
los métodos ahorrativos más difundidos, con el empleo de calentadores solares
y celdas fotovoltaicas.
Cuba, a pesar de ser un país subdesarrollado, no está rezagado en este sentido,
ejemplo de esto lo es la colocación de paneles solares en lugares muy remotos
y también la utilización de calentadores solares para el calentamiento de agua.
Los estudios realizados por especialistas de la Universidad de Cienfuegos
demuestran la factibilidad del uso de la energía solar con el objetivo de producir
agua caliente, sin embargo hasta la fecha su generalización se desarrolla casi
exclusivamente en hotelería, centros hospitalarios, edificios multifamiliares y
otros similares, siendo muy limitadas sus aplicaciones industriales, donde el
efecto económico y ecológico sería de mayor importancia.
8
En el caso de la Empresa de Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río el
agua caliente es utilizada en la cocción de alimentos en la cocina-comedor, y se
produce mediante la quema de combustibles fósiles (fueloil o gas). ¿De qué
forma se podría utilizar como alternativa para la producción de agua caliente un
sistema de colectores solares?
Se puede considerar viable esta solución, ya que el agua caliente de los
colectores solares posee una temperatura cercana a la utilizada en la cocción de
los alimentos. De esta forma, al tener el agua aproximadamente a los 90oC, se
precisa quemar menos cantidad de fueloil para culminar la cocción de los
alimentos, con lo que se logra un efecto positivo desde el punto de vista
económico y ecológico.
Esta agua caliente se puede utilizar adicionalmente para el fregado e
higienización de los utensilios de la cocina, ayudaría a retirar las grasas
residuales que se adhieren a estos, contribuyendo a mejorar la higiene del
proceso.
De esta manera se puede identificar el siguiente problema:
Alto consumo de combustible fósil destinado a la cocción de los alimentos en la
Empresa de Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río, con el
consecuente impacto negativo en la economía, la sociedad y naturaleza.
Objeto: Proceso de cocción de los alimentos.
Campo de acción: Sistema de producción de agua caliente.
9
Objetivo General: Determinar los beneficios del precalentamiento del agua
destinada a la cocción de alimentos mediante la utilización de colectores solares,
en la Empresa de Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río.
Objetivos específicos:
1. Determinar la demanda diaria de agua caliente necesaria para los procesos en
la cocina en un día de trabajo.
2. Calcular el costo de producción del agua caliente utilizando fueloil.
3. Seleccionar un sistema de calentadores solares para la producción de agua
caliente, adecuado a las condiciones del flujo productivo de la Empresa de
Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río
4. Establecer la factibilidad de la utilización de un sistema de colectores solares
para la producción de agua caliente en la cocina de la Empresa de Productos
Lácteos y Confiterías de Pinar del Río
Hipótesis: Mediante el precalentamiento de agua para la cocción de alimentos,
mediante un sistema de calentadores solares, se logra disminuir el alto consumo
de fueloil y gas que se utilizan actualmente para este fin en la Empresa de
Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río
10
Capítulo 1
11
CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. Consumo de energía en el mundo.
Con la política energética se llegó a un consumo de energía a escala mundial
que superó ligeramente los 10 TW/año en 1980. Entre 1980 y 1990 hubo un
aumento de 20 % del consumo de energía en el mundo, lo que significó un
incremento medio anual de 20 %.
Entre 1990 y 1995 el aumento fue de solamente 4,5 % (incremento medio anual
de 0,9 %). Esta reducción se debió al cambio de estructuras económicas en los
países que componían la antigua Unión Soviética. Sin embargo, a partir de 1995
la tendencia es a continuar en aumento. En 1996 creció 3 %, aproximadamente.
El consumo de energía a escala mundial en el 2005 llegó a alrededor de 14
TW/año.
En el caso de reducirse la necesidad energética media global (industrial y
privada) a aproximadamente 1,5 kW por habitante, y considerando una eficiencia
de 70 % de los colectores solares y de 10 % de los fotovoltaicos, serían
necesarios alrededor de 20 a 30 m2 de superficie por habitante para cubrir la
necesidad energética total. Es importante tener presente que superficies no
utilizables para otras finalidades, como los techos de las casas, son
particularmente convenientes. [1]
1.2 Los primeros calentadores de agua.
Existen registros de colectores solares en los Estados Unidos que datan de antes
de 1900, que comprende un tanque pintado de negro montado en un techo. En
1896 Clarence Kemp de Baltimore, EE.UU. incluyó un tanque en una caja de
madera, creando así la primera "calentador de agua por lotes", como se les
conoce hoy en día. Aunque los colectores de placa plana de la calefacción solar
12
de agua se utilizaron en la Florida y el sur de California en la década de 1920
hubo una oleada de interés en la calefacción solar en América del Norte a partir
de 1960, pero sobre todo después de la crisis del petróleo de 1973. [2]
1.3 Desde China.
China es el mayor mercado de la energía solar térmica en todo el mundo. En
2001, el mercado se estimaba en 5,5 millones de m2 de colectores, la mayoría
de los colectores son de vacío. El 75 % de los sistemas están instalados en casas
residenciales, el 20 % son sistemas colectivos utilizados conjuntamente por
varias casas de familia y el 5 % son utilizados en comercios e industrias.
Los fabricantes chinos han ampliado significativamente su volumen de negocios
por más de la tasa de crecimiento del mercado chino. Esto es una clara
ilustración del fortalecimiento de las actividades de exportación las cuales han
observado en China por una serie de años [3].
Figura 1.1: Calentamiento solar de agua en China
Fuente: Colectores solares para agua caliente, INENCO
13
1.4 América Latina.
Cuba, México, Brasil y República Dominicana se encuentran entre los países
que ponen cada vez más atención al calentamiento de agua con energía solar.
En el año 2000 existían en México 373 000 m2 de colectores solares instalados,
y en el último año llegaron a instalarse más de 100 000 m2.
Al año 2002, el área total de colectores solares instalados Brasil era de 2,1
millones de m2; en los tres últimos años su mercado nacional tuvo un crecimiento
estable y posee un área de colección de 1,2 m2 cada 100 habitantes. Este año
se instalaron 500 000 m2 y es por lejos el mayor mercado sudamericano.
En noviembre de este año, se estableció una norma, por la cual, los edificios
públicos que se construyan en Sao Paulo (estado más poblado de Brasil, con 40
millones de habitantes) deberán contar con energía solar para calentar al menos
30 % de su agua.
La fabricación local de calentadores solares de agua es la tecnología solar más
antigua y de mayor desarrollo y diseminación en el Perú. Se estima que hoy hay
entre 25 000 y 30 000 termas solares.
En Uruguay, la tecnología del calentamiento de agua, a partir de la energía solar
está comenzando a utilizarse gradualmente, existen dos fabricantes nacionales
que están ofreciendo equipos completos con colectores solares planos que
pueden ser amortizadas a nivel residencial con un periodo de retorno de entre
cuatro a cinco años. En Chile y Paraguay prácticamente no se los conoce,
pueden llegar a instalarse algunas decenas de m2 anuales. [3]
14
El uso de los colectores solares térmicos tiene antecedentes relativamente
masivos en Cuba desde la década del 80.
En el país se fabrican calentadores solares de diferentes capacidades,
especialmente diseñados para escuelas, hospitales, círculos infantiles, hogares
de ancianos, y otros sitios de interés social. Los colectores de fabricación
nacional son muy sencillos, eficientes para el clima tropical y de bajo costo a
pesar de estar construidos con materiales de alta calidad. Más recientemente se
ha incrementado el uso de estos sistemas solares en instalaciones hoteleras.
1.5 Antecedentes de la energía en Cuba, antes y después del triunfo de la
Revolución.
Antes del triunfo de la Revolución, el esquema energético nacional era típico de
un país capitalista subdesarrollado. La electricidad llegaba apenas a 56 % de la
población. La gran mayoría de los campos de Cuba, y más aún las montañas,
desconocían la electricidad. [4]
La capacidad de generación de electricidad al triunfo revolucionario en 1959
alcanzaba los 430 MW. La capacidad de refinación de petróleo, entonces,
ascendía a cuatro millones de toneladas por año, se empleaba en muy baja
escala y sólo con portadores energéticos importados. Los recursos
hidroenergéticos eran muy poco aprovechados y la cogeneración de electricidad
era pequeña y reducida a algunos centrales azucareros.
Con la Revolución creció la capacidad instalada de generación hasta 3 178 MW
en centrales termoeléctricas, y se aseguró el suministro de energía eléctrica a
95 % de la población. La refinación incrementó su capacidad en casi tres veces
con respecto a 1958. Maduraron estudios y planes para la utilización de la
15
hidroenergía (la cual no existía prácticamente en etapas anteriores) y la
cogeneración en la industria azucarera se elevó considerablemente. [5]
La década de los sesenta y principios de los setenta se caracterizaron
principalmente por la formación de especialistas energéticos en las
universidades de La Habana, Oriente y Las Villas. Desde esa época se realizan
experimentos con superficies de absorción y captadores solares, se procesan y
caracterizan celdas solares, se introducen los temas ambientales y de diseño
bioclimático para el uso pasivo de la energía solar, y se empiezan a desarrollar
trabajos encaminados al mejoramiento de la eficiencia en los hornos y calderas
de los centrales azucareros, así como en el quemado del bagazo.
En 1975, la Academia de Ciencias de Cuba crea el Grupo de Energía Solar. Este
fue el primer grupo de investigaciones del país dedicado exclusivamente al
desarrollo de las fuentes renovables.
En cumplimiento de las directivas del Primer Congreso del Partido Comunista de
Cuba, se inicia a partir de 1976 el primer programa principal estatal
Investigaciones sobre el aprovechamiento de la energía solar en Cuba, bajo la
dirección de la Academia de Ciencias de Cuba.
Como resultado de este programa se desarrollan los primeros calentadores
solares del tipo compacto, ideales para el clima tropical, así como secadores
solares, destiladores, potabilizadores de agua de mar, concentradores y
tecnologías para el uso de la energía solar en el cultivo de microalgas.
A finales de los años setenta fue creado un Grupo de Trabajo para el ahorro de
energía, subordinado al Ministerio de la Industria Básica, y posteriormente, por
16
instrucción de la Secretaría Ejecutiva del Consejo de Ministros, se amplió este
equipo, el que se convirtió en un Grupo Asesor de Energía que tenía entre sus
tareas el desarrollo del uso de las energías renovables. [1]
En 1983 el país da un paso fundamental para el desarrollo de la rama energética
al crear la Comisión Nacional de Energía, la cual tenía como una de sus
principales tareas la atención al uso racional de la energía y al desarrollo de las
fuentes nacionales; por ello el uso de las fuentes renovables de energía pasó a
ocupar un papel preponderante.
Se trabajó, asimismo, en la formación y entrenamiento, mediante cursos en el
país y el exterior, de técnicos jóvenes que fueron especializándose en las
distintas fuentes disponibles en el país.
Para la consolidación de la atención de estas fuentes energéticas se precisaron,
entre la Comisión Nacional de Energía y la Academia de Ciencias de Cuba, las
tareas, líneas de trabajo y proyectos concretos de investigación y desarrollo que
estaban en condiciones de apoyar su ejecución, así como el fortalecimiento de
las investigaciones de nuevas fuentes, no menos importantes.
Igualmente, en coordinación con la Junta Central de Planificación se ajustó el
régimen de trabajo que facilitara identificar en la planificación de la economía
nacional los aspectos determinantes para el empeño de elevar la introducción y
el uso creciente de las fuentes renovables de energía. Paralelamente se logró
que los Organismos de la Administración Central del Estado (OACE) definieran
sus respectivas líneas de trabajo y proyectos relacionados con estos temas.
17
También en 1984 se promueve la creación de diferentes grupos de desarrollo,
en los OACE y en casi todas las provincias, dedicados a la generalización del
uso de diferentes fuentes renovables de energía, principalmente la hidráulica, el
biogás, la biomasa, la solar térmica y la eólica.
Entre estos grupos se destacaron los de los ministerios de las Fuerzas Armadas
Revolucionarias, del Azúcar, de la Agricultura, del Transporte, del Interior y de la
Industria Alimenticia, así como los de las provincias de Pinar del Río, Granma,
Santiago de Cuba y Guantánamo, subordinados a las respectivas direcciones
provinciales del Poder Popular. [1]
Un acontecimiento importante en el desarrollo de las fuentes renovables de
energía en Cuba fue la creación, en mayo de 1984, del Centro de Investigaciones
de Energía Solar del CITMA en la ciudad de Santiago de Cuba. Este centro se
concibe con el ciclo completo de investigación-producción con el objetivo de
desarrollar la actividad del aprovechamiento de las fuentes renovables de
energía, en especial la solar térmica y fotovoltaica, como una vía de ahorro de
energía en el país.
Desde antes de 1989 se producían en el país colectores solares planos y
tanques termo, desarrollados de conjunto por el Centro de Investigaciones de la
Energía Solar (CIES), de Santiago de Cuba, el Instituto Superior Politécnico José
Antonio Echevarría (ISPJAE) y el Ministerio de la Industria Sidero-Mecánica y
Electrónica (SIME).
Con el apoyo de la Comisión Nacional de Energía se produjeron e instalaron más
de trescientos cincuenta sistemas de calentamiento solar termosifónicos en
18
hospitales, círculos infantiles, hogares de ancianos y otros objetivos sociales;
aunque posteriormente, a causa de las dificultades económicas del país, se
descontinuaron estas producciones.
En 1993 se comenzaron de nuevo a comercializar por EcoSol y Rensol, sistemas
a partir de colectores planos importados y fabricados o ensamblados en el país.
Recientemente, con el apoyo de Cubasolar, se desarrolló la producción de
colectores compactos de alta eficiencia, apropiados a las condiciones climáticas
de Cuba, con materiales de alta calidad, que produce ECISOFT y comercializa
EcoSol. [1]
En noviembre de 1994 se funda la Sociedad Cubana para la Promoción de las
Fuentes Renovables de Energía y el Respeto Ambiental (Cubasolar), gestada
por la Academia de Ciencias de Cuba y la Comisión Nacional de Energía; su
órgano de referencia es el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente.
Esta sociedad se crea con el objetivo fundamental de contribuir al desarrollo de
las actividades encaminadas al conocimiento y aprovechamiento de las fuentes
renovables de energía en la solución de los problemas económicos y sociales
del país. Su principal función es la elevación de la cultura energética y de respeto
ambiental.
En Cubasolar se agrupan voluntariamente todas las instituciones, especialistas
y los revolucionarios amantes del desarrollo de las fuentes renovables de
energía; y su trabajo, que abarca todo el país, coadyuva a mantener en un
intercambio fructífero a los especialistas de la extinta Comisión Nacional de
Energía.
19
En la segunda mitad de esta década se construye la fábrica de calentadores
solares del SIME en la ciudad de Morón, la cual ha desempeñado un papel
importante en la construcción y generalización de los calentadores solares en el
país.
Aunque la provincia de Guantánamo ha sido la de mayores resultados en la
utilización de las fuentes renovables de energía, no fue hasta el año 1997 que
se crea el Grupo de Aplicaciones Tecnológicas en Energía Solar (GATES)
perteneciente al CITMA.
Esta nueva estructura da continuidad a los ya tradicionales esfuerzos del
territorio con el objetivo de aplicar los avances de la ciencia y la innovación
tecnológica para el fomento de las fuentes renovables de energía, como vía para
el desarrollo energético sostenible y la protección del medio ambiente, mediante
servicios científico-técnicos y proyectos de investigación y desarrollo.
1.6 Siglo XXI en Cuba.
En el 2001 se crea el Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la
Energía (Cubaenergía), a partir de la integración del Departamento de Energía y
Medio Ambiente del Centro de Tecnología Nuclear, el Grupo de Energía Solar
de Ciudad de La Habana (GenSolar) y el Centro de Información de la Energía
(CIEN), con el objetivo de integrar y fortalecer la actividad de I+D y los servicios
científico-técnicos en la gestión de la información y el desarrollo de las energías.
[4]
20
1.7 Fuente de Energías Renovables.
El 14 de octubre de 2002, por indicaciones de la Secretaría Ejecutiva del Consejo
de Ministros, se constituye el Fuente de Energías Renovables (FER), con los
siguientes objetivos:
1. Dotar al país de un instrumento estatal especializado que propicie, promueva
y proponga al gobierno la política que se debe seguir en cuanto al uso de las
fuentes renovables.
2. Priorizar, fortalecer y elevar a planos superiores la utilización de las fuentes
renovables de energía para su aprovechamiento racional y útil al país de una
manera sostenible.
3. Favorecer y potenciar la cohesión e integración de las diversas instituciones y
ministerios con mayor vínculo e incidencia en esta estratégica actividad. [4]
1.8 Funciones de las Frente de Energías Renovables.
En el discurso pronunciado por el Presidente de la República de Cuba, Fidel
Castro Ruz, en la XIII Conferencia de Jefes de Estado o Gobierno del Movimiento
de Países No Alineados, Kuala Lumpur, Malasia, 25 de febrero de 2003 planteó:
1. Elaborar y proponer al gobierno la política y la estrategia en cuanto al uso de
las fuentes renovables de energía y mantener actualizado el Programa de
Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía en lo relacionado con las
fuentes renovables.
2. Proponer y supervisar la instrumentación de proyectos de energías
renovables y conciliar sus esquemas de financiamiento.
3. Promover la creación y/o el fortalecimiento y la capacitación de grupos,
instituciones y empresas capaces de realizar investigación, innovación
21
tecnológica, introducción, divulgación de las fuentes renovables de energía para
contribuir al desarrollo energético sostenible.
4. Contribuir, apoyar e integrar los esfuerzos nacionales para identificar, evaluar
y proponer las modificaciones necesarias al marco regulatorio nacional que
faciliten y promuevan la introducción y desarrollo de las energías renovables.
5. Elaborar y proponer una política integral del país para el aprovechamiento de
las posibilidades de la colaboración internacional en el campo de las energías
renovables.
6. Promover la cultura del desarrollo energético sostenible basado en el uso de
las fuentes renovables de energía y su uso eficiente.
7. Promover diversas vías de formación y capacitación de los recursos humanos
en energías renovables.
8. Potenciar al máximo el proceso de producción e integración en la industria
nacional, de partes, componentes, tecnologías o el equipamiento que se
utilizaría en los proyectos de energías renovables que se aprueben.
9. Coordinar e integrar la actividad de investigación, desarrollo e innovación
tecnológica que se realiza en los diferentes programas de ciencia e innovación
tecnológica en el país. [4]
“En sólo 150 años se habrán agotado el gas y el petróleo que el planeta tardó
300 millones de años en acumular. La humanidad en sólo 100 años creció de
aproximadamente 1 500 millones a más de 6 000 millones de habitantes. Tendrá
que depender por entero de fuentes de energía que aún están por investigar y
desarrollar. La pobreza crece; viejas y nuevas enfermedades amenazan con
aniquilar naciones enteras; la tierra se erosiona y pierde fertilidad; el clima
22
cambia, el aire, el agua potable y los mares están cada vez más contaminados”.
[6]
1.9 Potencial del Sol.
La potencia solar que recibe el planeta Tierra (fuera de la atmósfera) es cerca de
173x1012 kW o una energía de 15x1017 kWh por año. Al atravesar la atmósfera,
cerca del 53 % de esta radiación es reflejada y absorbida por el nitrógeno,
oxígeno, ozono, dióxido de carbono, vapor de agua, polvo y las nubes. Por lo
tanto al pasar esta radiación por una distancia de 150 millones de
km, se reduce esta cantidad y al final el planeta recibe una energía promedio a
3 x 1017 kWh al año, equivalente a 4 000 veces el consumo del mundo entero en
un año (7x1013 kWh/año), lo cual nos indica la enorme potencia del Sol.
Asumiendo la radiación solar promedio de 1 500 kWh/m2 al año, un colector
plano de 2 m2 (de venta más común a nivel mundial) con un rendimiento térmico
(η) de 60 %, puede ahorrar las siguientes cantidades de fuentes convencionales
(por año):
Leña 4 000 kg (valor calorífico de 16,7 MJ/kg, η = 10 %)
Carbón 830 kg (valor calorífico de 26,0 MJ/kg, η = 30 %)
Electricidad 2 250 kWh (valor calorífico de 3,6 MJ/kWh, η = 80 %)
Esto puede reducir la emisión de 0,5 a una tonelada de dióxido de carbono y
55 kg de otros productos contaminantes, SO2, CO, NOx por año, dependiendo
del tipo de fuente convencional usados. [8]
23
1.10 Radiación solar en Cuba.
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad
de energía solar equivalente a 0,5 kg de petróleo, valor promedio prácticamente
invariable durante todo el año.
Otra de las características de la radiación solar en Cuba es que su valor resulta
casi igual en todo el país, ya que la diferencia en latitud desde el lugar más al
Norte hasta el más al Sur es de sólo tres grados; por lo tanto, es utilizable en
todo el territorio y durante todo el año con un valor medio de más de 5 kWh/m2
al día, tanto en su forma de bioenergía o biomasa, energía hidráulica, energía
eólica, o directamente convertida en calor o electricidad. [1]
1.11 Energía solar térmica.
La conversión térmica es actualmente la forma más eficiente y económicamente
más ventajosa de usar la energía solar. La generalización del uso doméstico del
agua caliente solar para el aseo personal, el fregado y la cocción de alimentos
significará un ahorro potencial considerable del consumo de combustibles
contaminantes. [1]
Un calentador solar doméstico de un metro cuadrado de área de captación
calienta, como promedio, 150 litros de agua a 45 °C, lo que es suficiente para
una vivienda de cuatro a cinco habitantes, no solamente para el baño, sino
también para la cocina y el lavado de la ropa.
Cada calentador solar de un metro cuadrado de área de captación puede
producir, como promedio, tres kWh cada día como energía térmica, o sea, un
MWh al año. Un millón de calentadores producirían tres GWh al día, es decir, 1
000 GWh al año.
24
Si se tiene en cuenta que el 80 % del agua caliente se consume entre las 5 de
la tarde y las 11 de la noche, la instalación de un millón de calentadores solares
domésticos equivale a dejar de utilizar plantas de generación de electricidad con
una potencia de 400 MW.
Si se toma un costo de 0,15 a 0,20 pesos (CUC) para el kWh eléctrico utilizado,
la energía producida por un calentador solar en un año tiene un valor de 150 a
200 pesos (CUC). Este valor es el potencial de ahorro de un calentador solar
doméstico, y es, también, su costo aproximado. Por lo tanto, podemos llegar a la
conclusión siguiente: «un calentador solar doméstico se puede pagar en
aproximadamente un año, solamente con el ahorro de energía convencional».
[7]
1.12 Utilización de las fuentes renovables de energía solar.
Los colectores térmicos son los equipos más sencillos para recoger directamente
la energía del Sol. Están construidos generalmente por contenedores cubiertos
de un material transparente (cristal o plástico) y equipados con un aditamento
que absorbe los rayos solares. El material transparente permite la entrada de los
rayos solares de amplio espectro y bloquea la salida de los rayos infrarrojos de
gran longitud de onda (efecto invernadero). En el interior del contenedor, en un
serpentín, se hace circular un líquido, al cual se transmite la energía térmica del
Sol. [7]
El interior de los colectores más modernos se mantiene vacío para obtener
rendimientos más elevados (alrededor de 70 a 80 % de la energía de los fotones
del Sol se puede transformar en energía térmica).
25
Los colectores oportunamente incorporados a los techos de los edificios pueden
suministrar, a través de tuberías y cisternas, agua caliente para los servicios
higiénicos, la cocina y la calefacción. Si fuera necesario se instalan
paralelamente equipos tradicionales (de gas o petróleo). En las zonas tropicales,
donde no hay peligro de congelación del fluido, se puede integrar la cisterna en
el mismo contenedor para el almacenamiento del líquido calentado, reduciendo
así los costos totales del sistema. [7]
1.13 Características principales de un calentador solar.
¿Qué es un calentador solar?
Es un sistema que calienta agua sólo con la energía proveniente del sol y sin
consumir gas o electricidad.
¿Cuánto dura un calentador solar?
Un buen calentador solar de agua puede durar funcionando hasta 15 ó 20 años,
es decir, varios años más que un “boiler o caldera” a Gas.
¿Cómo seleccionar un equipo?
1.14 Selección de un equipo solar.
La selección de un equipo solar depende básicamente de los siguientes factores:
1. Número de personas y hábitos de uso. Estos datos son básicos, porque
de ellos depende en gran medida el tamaño del equipo solar requerido.
2. Otros usos del agua caliente (lavado de bandejas, etc.). Si se quiere
suministrar agua caliente para estos servicios, se deben considerar sus
consumos. [10]
1.15 Tipos de colectores solares para calentar agua.
- Colectores de placa plana con cubierta (Glazed flat-plate collectors).
26
- Colectores Concentradores Parabólicos Compuestos (CPC)
Estacionarios.
- Colectores de placa plana sin cubierta (Unglazed flat-plate collectors).
- Colectores de tubos de vacío (Evacuated-tube collectors).
1.16 Tipos de calentadores solares.
Pero, al presentarse la necesidad del uso de un calentador de agua solar, surge
una pregunta: ¿cuál tipo de calentador importar, o fabricar? ¿Cuáles son las
ventajas y desventajas de cada tipo, en dependencia de las condiciones de
nuestro país?
En el mercado mundial existen, principalmente, tres tipos de calentadores
solares de temperatura medias.
1. Calentador solar plano con tanque-termo.
2. Calentador solar de tubos al vacío con tanque-termo: termosifónicos, o
de tubos calóricos.
3. Calentador solar compacto.
1.16.1 Calentador solar plano con tanque-termo.
El calentador solar de plato plano se compone de dos partes principales: el
colector y el tanque-termo.
27
Figura 1.2 Calentador solar plano con tanque-termo.
Fuente: Cubasolar
El colector está compuesto por un plato absorbedor formado por una placa
metálica, gran conductora de calor y de baja capacidad calórica, que tiene la
función de absorber toda la energía solar posible. Esta placa tiene acoplada
tubos por donde circula el agua que es calentada con la radiación solar que
recibe el plato. Este colector tiene, además, una envoltura aislante y una cubierta
transparente.
La superficie del plato de absorción debe tener las características necesarias
para que la mayor parte de la radiación que reciba sea absorbida, y muy poco
reflejada, lo que se logra aplicándole diferentes tratamientos químicos y físicos,
y finalmente un acabado de color negro mate. Actualmente se fabrican colectores
con platos de superficie selectiva, la que absorbe un máximo de energía solar, y
emite un mínimo de radiación infrarroja.
28
La cubierta del colector está destinada a dejar pasar la radiación solar hacia el
plato de absorción, y disminuir la pérdida de calor por convección y radiación.
Para facilitar el efecto aislante, la cubierta está formada por una o dos planchas
de material transparente, vidrio o plástico, separadas convenientemente.
La cubierta y la envoltura aíslan del medio ambiente al plato absorbedor. El
material más frecuentemente usado para la cubierta es el vidrio, ya que posee la
propiedad de dejar pasar casi toda la radiación solar y, por el contrario, es opaco
a la radiación infrarroja emitida por el plato de absorción. También se usa el
plástico (últimamente se emplea con mayor frecuencia el policarbonato).
El colector va acoplado a un tanque-termo comúnmente confeccionado con
metal y aislante de poliuretano.
Ventajas y desventajas de los calentadores de plato plano.
El comportamiento térmico es inferior a otros colectores solares que se
comercializan. Su eficiencia oscila entre 30 y 50 %.
El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por
encima de 40 °C en días nublados.
En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas superiores
a los 60 °C.
Son sensibles a la rotura del vidrio. Deben fabricarse con vidrios térmicos
resistentes a impactos. En caso de rotura del vidrio, siguen trabajando,
aunque con una eficiencia inferior.
Su montaje es sencillo, si se tiene experiencia.
Son muy sensibles a las incrustaciones, debido a que las tuberías del
plato absorbedor son finas. El mantenimiento es complejo si se requiere
29
una limpieza por incrustaciones. La única solución es una limpieza
química.
Pueden trabajar con presiones en el tanque-termo superiores a 4
atmósferas.
Por su forma apantallada, no resisten vientos fuertes, por lo que se
recomienda su desmontaje en caso de ciclones.
1.16.2 Calentadores solares de tubos al vacío.
Los calentadores de tubos al vacío (Figura 1.3) tienen el mismo principio de
trabajo que los colectores de plato plano, es decir, la radiación es recibida por el
absorbedor y llevada en forma de calor hacia un tanque acumulador. La
diferencia consiste en que el absorbedor está formado por tubos en los cuales
se ha hecho vacío para disminuir las pérdidas de calor, y dentro del tubo van
colocados las secciones del absorbedor (Figura 1.4).
Figura 1.3 Calentador solar de tubos al vacío.
Fuente: Cubasolar
30
Figura 1.4 Detalle de un extremo de los tubos en los que se ha creado vacío.
Fuente: Cubasolar
Algunos modelos están formados por tubos sencillos de vidrio, los cuales tienen
en su interior un sector de plato plano de absorción acoplado a un tubo metálico
por donde fluye el líquido. En otros modelos, el absorbedor suele ser un tubo
interior con tratamiento óptico selectivo, lo que mejora todavía más la eficiencia
del colector. Entre el tubo interior y el exterior, ambos concéntricos, existe vacío.
Existen varios modelos de colectores de tubos al vacío (Figura 1.5), en
dependencia del movimiento del fluido y el método de transferencia de calor
utilizado.
Figura 1.5 Distintos tipos de Tubos de Calor.
Fuente: Cubasolar
• Tubos termosifónicos.
31
• Tubos calóricos.
En todos los casos, los tubos van directamente acoplados al tanque-termo, o a
un cabezal por donde fluye el agua o líquido que se desea calentar.
En el caso de los tubos termosifónicos, el agua del tanque-termo fluye
directamente por dentro del tubo interior, y su movimiento dentro del mismo se
debe al cambio de densidad del agua más caliente (la cual sube) y la menos
caliente (la cual baja). En este caso, la presión del tanque-termo se transmite al
tubo de vidrio.
Otra variante es el calentador de tubos al vacío con tubos calóricos, que ha
significado un gran avance en la tecnología de transferencia de calor, aplicada
en este caso al calentador solar. En este modelo por dentro del tubo de vidrio no
fluye el agua, sino que tiene en su eje central un tubo calórico para transmitir el
calor solar ganado al agua del tanque-termo o cabezal.
El tubo calórico forma un sistema cerrado de evaporación-condensación, y suele
ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente cerrado, el cual contiene un
líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión (vacío) y
temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si
disminuye, aumenta la fase líquida. La presión (vacío) dentro del tubo se
selecciona de tal forma que empiece la evaporación a 25 °C, lo que garantiza el
funcionamiento del colector solar aún con baja radiación.
La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque-termo o
cabezal. De esta forma, cuando la parte que está expuesta a la radiación solar
(dentro del tubo de vidrio al vacío) se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando
32
el vapor se pone en contacto con el agua del tanque-termo, la cual está más fría,
se condensa, bajando en forma líquida por gravedad a la parte baja del tubo
calórico. De esta forma se completa el ciclo Figura 1.6 a) y b).
Figura 1.6 a) Tubos termosifónicos b) Tubos calóricos.
Fuente: Cubasolar
Figura 1.7 Principio de Funcionamiento del Tubo de Flujo Directo.
Fuente: Cubasolar
33
Ventajas y desventajas de los calentadores de tubos al vacío.
Son productos de alta calidad, y dada la baja emisividad del tubo (0,08),
su alta absorbencia (0,93) y su aislamiento por vacío, se consiguen
rendimientos superiores a otros tipos de calentadores solares.
El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por
encima de 40 °C en días totalmente nublados.
En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas superiores
a los 75°C.
El comportamiento térmico es superior a otros colectores solares que se
comercializan, pudiendo trabajar a temperaturas superiores a los 80 °C,
con una eficiencia superior a 50%.
La curvatura del tubo de vidrio (de 30 a 40 mm de diámetro) ofrece una
mayor resistencia a los impactos que los colectores planos. Su montaje
es muy sencillo si se tienen experiencias.
El mantenimiento es muy sencillo y solamente requiere de limpieza una
vez al año. No son sensibles a las incrustaciones.
En los modelos de tubos calóricos se puede trabajar con presiones en el
tanque-termo superiores a cuatro atmósferas, no así en el modelo de
tubos termosifónicos, que no resiste sobrepresiones.
En los modelos de tubos calóricos, si un tubo de vidrio se rompe, el
calentador sigue funcionando; sin embargo, si un tubo de vidrio se rompe
en el modelo de tubos termosifónicos, la instalación se vacía y deja de
funcionar.
34
Por la forma aerodinámica de los tubos, resisten vientos fuertes, por lo
que si el montaje ha sido correcto, no es necesario desmontarlos durante
ciclones (Figura 1.8).
Figura 1.8 Estructura del tubo al vacío.
Fuente: Cubasolar
Figura 1.9 Esquema de conexión de los tubos.
Fuente: Cubasolar
Características fundamentales de estos calentadores.
¿Cómo es la resistencia a los vientos y otros eventos meteorológicos?
•Como la estructura del colector permite el paso del viento por dentro de los
tubos, con un correcto anclaje en un ángulo de inclinación máximo de 30° y el
D: Diámetro exterior del tubo.
L: Longitud del tubo.
a: Tubo de vidrio interior.
b: Capa selectiva.
c: Zona de vacío.
d: Diámetro interior del tubo.
e: Tubo de vidrio exterior.
f: Soporte de acero.
g: Presilla
35
tanque termo lleno de agua soportan vientos máximos de hasta 150 km/h, el tubo
de vidrio soporta impactos de granizo de hasta 25 mm de diámetro.
¿Cómo se comportan estos equipos ante las incrustaciones?
•Como todo sistema de calentamiento de agua, las altas concentraciones de
calcio y magnesio provocan incrustaciones, en el caso del vidrio del tubo la
limpieza manual o química es mucho más sencilla, se recomienda siempre lograr
un contenido de sales de calcio y magnesio inferior a 150 mg/l.
¿Cuál es el mantenimiento que necesita este tipo de sistema?
•El mantenimiento requerido es el mismo que un sistema convencional, con la
ventaja que cada tubo es independiente, pudiendo ser sustituido de manera
rápida, sin necesidad de parar la instalación, y pudiendo funcionar el resto de los
tubos perfectamente.
•Un plan de vigilancia y mantenimiento preventivo aumentan la fiabilidad y
prolongan la duración del sistema, que se traduce en limpiar los tubos
periódicamente, que el equipo se revise semestral o anualmente por un técnico
calificado dependiendo de las dimensiones del campo de colectores y la
sustitución de elementos fungibles o desgastados por el uso.
•En caso de rotura de un tubo de vacío, el reemplazo es muy sencillo y rápido.
Importante: los tubos de vacío pueden llegar a alcanzar 270 ºC si se instalan sin
agua en su interior o se dejan descuidadamente expuestos al sol durante el
montaje. Si a ésta temperatura se introduce agua fría, se romperán
inmediatamente, por lo que se deberá prestar especial atención para evitar estos
problemas. [17]
36
1.16.3 Calentador compacto.
Un calentador solar compacto está formado, en esencia, por un recipiente
cerrado pintado de negro, con una entrada y una salida de agua. Este recipiente
está convenientemente aislado por el fondo y los lados con cualquier material
aislante, y por arriba (por donde le llega la radiación solar), con un vidrio u otro
material transparente.
Figura 1.10 Calentador compacto.
Fuente: Cubasolar
Figura 1.11 Corte transversal del calentador compacto.
Fuente: Cubasolar
37
El recipiente puede tener cualquier forma, pero preferentemente debe hacerse
con un tubo de un diámetro adecuado, pues tolera más presión y es más fácil
taparlo por los extremos.
La envoltura o caja aislante del calentador solar puede hacerse también con
materiales de la construcción, tales como ladrillos, bloques, etc. En la figura
siguiente puede observarse el corte transversal de una variante de calentador
solar construido con un tubo de aluminio, ladrillos y vidrio.
Como a veces el sellado de la cubierta no puede ser perfecto, debe dejarse la
posibilidad de que salga el agua, en caso de que entre, mediante un pequeño
agujero situado en la parte inferior de la base. Un calentador compacto bien
construido y aislado, puede conservar el agua caliente inclusive por la noche.
Ventajas y desventajas de los calentadores compactos.
Son los calentadores más sencillos que existen en el mercado. A
diferencia de los otros tipos, no requieren de tanque-termo
independiente, ya que el colector hace también la función de tanque-
termo.
El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por
encima de 40 °C en días nublados.
En días de radiación normal en Cuba, adquiere temperaturas de 60 °C.
El comportamiento térmico es aceptable, pudiendo trabajar a
temperaturas de 50 °C, con una eficiencia superior a 50%.
Son sensibles a la rotura del vidrio. Deben fabricarse con vidrios térmicos
resistentes a impactos, o con policarbonato estabilizado a la radiación
38
ultravioleta. En caso de rotura del vidrio, siguen trabajando, aunque con
una eficiencia inferior.
Su montaje es muy sencillo.
El mantenimiento es muy sencillo, y generalmente no lo requiere.
Soportan presiones superiores a cuatro atmósferas.
Por su forma, resisten vientos fuertes, por lo que no hace falta su
desmontaje en caso de ciclones.
Debido a su sencillez, es fácil su fabricación, así como su montaje y
explotación. [7]
1.17 Determinación del sur geográfico.
Con el objeto de obtener la mayor cantidad de irradiación solar, los colectores
solares se deben orientar e inclinar hacía el Sur Geográfico, también llamado Sur
Verdadero (SV), y es importante no confundirlo con el Sur magnético (SM). Se
debe tener en cuenta que existe la declinación magnética y que ésta varía en
cada lugar y con el tiempo, debido a que el Norte magnético de la tierra está en
movimiento y no coincide con el Norte geográfico (NV). [12]
Los puntos del horizonte por donde sale (orto) y se pone (ocaso) el Sol varían
constantemente en el transcurso de un año. El 21 de marzo, fecha del equinoccio
de primavera (en todas las explicaciones el observador está situado en el
Hemisferio Norte), el Sol sale por el Este y se pone por el Oeste. Al pasar los
días, estos puntos van variando hacia el Norte, primero rápidamente, luego
lentamente, hasta el 21 de junio, fecha del solsticio de verano, en que el Sol
alcanza su máxima altura.
39
A partir del 21 de junio, los puntos se alejan del Norte y se van acercando al Este
y al Oeste, cuyas posiciones vuelven a ocupar el 22 o 23 de septiembre,
equinoccio de otoño. Luego se acercan al punto Sur, hasta el 22 de diciembre,
solsticio de invierno, del cual se alejan después.
Transcurrido un año, vuelven a coincidir con los puntos Este u Oeste. [13]
Los rayos energéticos de la luz del Sol sobre la Tierra son de diferente intensidad
según se mueva usted del Ecuador (más intensos) hacia los polos (más débiles).
Esto no es debido a que los últimos estén más alejados del Sol, sino a que la luz
debe viajar a través de la atmósfera de la Tierra. Esta atmósfera es del mismo
grosor en todo el globo terrestre pero la luz que llega a los polos viaja a un ángulo
a través de la primera antes de que llegue a la superficie de la Tierra.
La luz debe viajar a través del aire cinco veces más en los polos que en el
Ecuador antes de llegar a la superficie. Esta es la razón, por la cual el
calentamiento solar del agua se hace impráctico en las latitudes por arriba de los
45º a menos que el lugar esté a una altitud sobre los 4 000 m donde el aire es
menos denso.
Las ondas luminosas del Sol son paralelas y golpean la Tierra en diferentes
ángulos dependiendo de la época del año. Durante el invierno cuando el Sol está
bajo en el cielo, la luz solar tiene que pasar a través de más atmósfera habiendo
menos energía disponible para calentar un absorbente. Esta es la razón por la
cual muchos absorbentes solares afrontan el Sol en su ángulo de invierno. [14]
40
Figura 1.12 Trayectoria del Sol en las etapas del año.
Fuente: Colectores solares planos Construcción Vol. 2
1.17.1 Método práctico para determinar el sur geográfico.
En su defecto, localizar el sur geográfico observando la dirección de la sombra
proyectada por una varilla vertical a las 12 horas o mediodía solar, que es cuando
el sol está en su cenit o punto más alto de su trayectoria diaria. Para ello, por la
mañana (faltando dos o tres horas para el mediodía), se marcará el punto A de
la figura en el extremo de la sombra de la varilla y se dibuja en el suelo una
circunferencia alrededor de la varilla de radio OA, igual al de su sombra (Figura
1.13).
Por la tarde, cuando la sombra de la varilla alcance la misma longitud se marca
el punto B. La recta que une los puntos A y B estará orientada exactamente en
la dirección del paralelo terrestre y trazando una perpendicular a dicha recta,
indicará la dirección Norte-Sur. [15]
41
Figura 1.13 Método práctico para determinar el sur geográfico.
Fuente: CLEANERGYSOLAR-PORTAL
La Norma Cubana NC 15 – 68 1987 sobre sistemas solares para el
calentamiento del agua establece los requisitos para el montaje de los mismos y
señala que los colectores se colocaran inclinados 30° con respecto al plano
horizontal según Figura 1.14.
Figura 1.14 Inclinación de los colectores solares según NC15-68 1987.
Fuente: Norma Cubana NC 15 – 68 (1987)
Además especifica que la cubierta del colector o de los colectores se orientará
al sur permitiéndose una desviación de + 10° con respecto a esta orientación,
según se muestra en la Figura 1.15. [16]
42
Figura 1.15 Orientación de los colectores solares según NC15-68 1987.
Fuente: Norma Cubana NC 15 – 68 (1987)
1.18 Caudal de agua en una tubería.
La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1
y A2) de un conducto (tubería) o tubo de corriente establece que: la masa que
entra es igual a la masa que sale.
Para que el agua fluya entre dos puntos, desde un punto inicial a un punto final,
debe existir entre estos dos puntos una diferencia de energía. Esta diferencia de
energía debe igualarse a la energía necesaria para:
Vencer el rozamiento debido a la rugosidad de la tubería.
Mantener o no los efectos de la viscosidad del líquido, sin importar el régimen
(laminar, transicional o turbulento).
Cuando la diferencia de energía es capaz de mover cierto volumen de líquido
desde un punto inicial hasta otro punto final, se tiene un fluido. El cual posee
propiedades físicas intrínsecas medibles tales como:
43
Régimen de funcionamiento (régimen laminar, régimen transicional o régimen
turbulento).
Caudal circulante, volumen de agua sobre unidad de tiempo (energía por
velocidad dinámica).
Presión interna (energía cinética).
Energía por posición (energía potencial).
44
Capítulo 2
45
CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Calentadores solares ajustados a las condiciones actuales.
Se describen a continuación los pasos a seguir para la realización de un
proyecto de energía solar térmica para agua caliente en la cocina del Combinado
Lácteo de Pinar del Río (Figura 2.1).
Figura 2.1 Fotografía satelital del área industrial del Combinado Lácteo de Pinar
del Río.
Fuente: Google Hearth.
2.2 Los valores de la irradiación solar promedio diaria anual.
H (�� ℎ ���í�⁄ ) para la Ciudad de Pinar del Río (Latitud= 22° 26�; Longitud=
83° 41� ). [21]
46
Tabla 2.1 Impactos específicos de radiación.
Fuente: Web de Cubasolar.
Al analizar estos valores llegamos a la conclusión que en todo nuestro territorio
será factible el uso de calentadores de agua para así colaborar con los procesos
que necesiten de agua caliente y también disminuir el consumo excesivo de
energía necesario para realizar esta función.
2.3 Instalación atendiendo a requerimientos de temperatura.
Para seleccionar correctamente los calentadores solares de tubos al vacío se
consideraron las siguientes demandas:
Agua para la cocción de alimentos de 400 comensales.
Agua para el fregado de bandejas y utensilios de cocina.
47
En este proyecto se analizará el montaje de una batería de calentadores de agua
solar, para energéticamente aligerar el consumo de fueloil destinado a la cocción
de alimentos de los 400 comensales con los que cuenta la entidad. Actualmente
se consume alrededor de 350 a 400 litros mensuales de fueloil en esta función
dependiendo de lo que se cocine en el menú, así como dos balas de 100 libras,
cada una, de gas licuado, en casos de necesidad. Al implementar esta tecnología
se utiliza el agua caliente para disminuir el tiempo de cocción de los alimentos,
así como lograr un potencial de ahorro de la energía necesaria para la correcta
elaboración de estos.
Energéticamente no es igual calentar el agua desde 20-25 oC hasta el punto de
cocción de los alimentos mayor a los 100 oC, que utilizar el agua caliente de
alrededor de los 70-80 oC hasta el punto de cocción de los alimentos. Al verlo en
estos rangos de temperatura definitivamente este clasifica dentro de los
calentadores de baja temperatura.
La cocina utiliza alrededor de 700 litros al día para todos los procesos que
necesitan de esta agua caliente satisfaciendo toda la demanda diaria.
2.4 Selección de los calentadores.
Al investigar con la empresa encargada en nuestro territorio de comercializar los
calentadores (ALASTOR) se decidió utilizar los calentadores de agua solar de
tubos al vacío, modelo LPC 47-1525-30 ACF, al ver las cualidades que posee
este, tanto de eficiencia, rendimiento y capacidad no se dudó en seleccionarlo
para que satisfaga la problemática existente.
48
Tabla 2.2 Calentadores solares de tubos al vacío producidos en Cuba.
Datos técnicos LPC 47-1525-30 ACF
Capacidad tanque (litros) 200
Producción (l/día a 50 °C) 300
Tanque interior Ø 350 mm, material Acero inoxidable SUS, 304-
2B, Espesor 0,5 mm
Tanque exterior Ø 450 mm, material Acero prelacado, Espesor
0,4 mm
Aislamiento térmico Espuma de poliuretano de espesor 50 mm
Tubo de vacío Dimensiones Ø 47 x 1 500 mm
Cantidad de tubos 25
Unión tubo tanque Anillo de silicona ø 47 mm
Diámetro de conexión 15 mm (1/2” NPT)
Presión de trabajo Atmosférica
Área bruta/de apertura (m²) 3,9/2,4
Peso vacío/ lleno 50/260
Respaldo eléctrico (En el tanque) 1,5 kW (Opcional)
Soldadura Automática de Argón-Continua de contactos
Fuente: ALASTOR
Tabla 2.3 Características de los tubos de vacío.
Material Cristal de boro-silicato 3,3/nitrito de aluminio
Dimensiones en mm exterior 47, interior 37/espesor 1,6/longitud 1 500
Absortividad del recubrimiento selectivo ≥0,92 (AM1,5)
Emisividad del recubrimiento selectivo ≤0,065 (80℃ ± 5℃ )
Vacío <3 ×10-2 Pa
Exposición a la radiación solar ≤3,0 MJ/m2
Coeficiente promedio de pérdidas de calor<0,70 W/ (m2℃ )
Recubrimiento selectivo Nitrato de aluminio
Máxima presión 0,6 Mpa
Resistente a impactos de granizo de hasta 25 mm
Con el anclaje adecuado resiste vientos máximos de hasta 150 km/h
Fuente: ALASTOR
49
Figura 2.2 Calentador de agua LPC 47-1525-30 ACF.
Fuente: ALASTOR
2.5 Número de colectores.
Para el cálculo del número de colectores debe conocerse la demanda de agua
caliente en función de las horas del día. (ml).
Nc = ��
�∙��∙ ∑�� (2.1)
Donde:
� = Eficiencia del colector
Ac = Área de captación del colector, (m2)
∑Ht = Radiación solar incidente diaria, (kcal/m2)
Deberá tomarse como resultado el entero más próximo por exceso al valor que
arroje la fórmula, según [5]
50
2.6 Colocación de los colectores.
Los colectores se deben situar de tal forma que a lo largo del período de
utilización el equipo solar aproveche día a día el máximo posible de la radiación
incidente. Por ello, preferentemente se orientarán hacia el Sur geográfico, no
hacia el Sur magnético (definido mediante una brújula). Para localizarlo se
observará, por ejemplo, la dirección de la sombra proyectada por una varilla
vertical a las doce horas o mediodía solar. En la práctica, desviaciones de un 15
% hacia el SE o SW, con respecto a la orientación Sur preferente, no afectan al
rendimiento ni a la energía térmica útil aportada por el equipo solar.
Además de la orientación, el ángulo de inclinación que forman los colectores
con el plano horizontal es un factor importante en la eficacia del equipo solar.
Los colectores deberían inclinarse de modo que los rayos del Sol incidan
perpendicularmente en su superficie al mediodía solar. El ángulo de inclinación
de los colectores dependerá del uso del equipo solar.
Figura 2.3 Superficie terrestre respecto a la dirección de la radiación solar.
Fuente: Cubasolar
51
Figura 2.4 Parámetros de colocación de los calentadores.
Fuente: Elaboración propia
La altura Z se determina como:
� = � ��� ∝ (2.2)
Finalmente se determina el área total ocupada por el sistema por la expresión:
� = �(�� + �.����) + ����� (2.3)
Donde:
Ac- Área de un colector (por catálogo).
n – número de colectores
Acor – Área de corredor
k – número de filas
El área del corredor será:
���� = ������ (2.4)
Donde:
n1 – número de colectores en una fila
ac – ancho del colector
52
���� = 0 �� Es igual cero porque es solo una fila de cuatro calentadores.
2.7 Instalación de los colectores.
Se recomienda que los captadores que integren la instalación sean del mismo
modelo, tanto por criterios energéticos como por criterios constructivos. Los
captadores se dispondrán en filas constituidas, preferentemente, por el mismo
número de elementos. Las filas de captadores se pueden conectar entre sí en
paralelo o en serie:
En la conexión en serie el agua atraviesa todos los colectores para realizar un
ciclo, adquiriendo mayor temperatura. Los inconvenientes que se presentan son
que el agua debe vencer una resistencia mayor para atravesar los circuitos.
Además en cada colector la temperatura del agua iría en aumento hasta llegar
al último colector donde se producirían muchas pérdidas de calor.
La conexión en paralelo es mucho más efectiva puesto que la resistencia al paso
del agua es mucho menor. Incluso si un colector dejara de funcionar los demás
no se verían afectados.
Figura 2.5: Conexiones para el montaje de los calentadores.
Fuente: ALASTOR
53
2.8 Cálculos de la red hidráulica
El cálculo de caudales se basa en el Principio de Bernoulli que considerando el
rozamiento presente en las paredes de la tubería al desplazarse el líquido, la
ecuación entre dos puntos 1 y 2 se puede expresar como:
�� +��
�+
���
��= �� +
��
�+
���
��+ �� (2.4)
Donde
z: altura geométrica (m)
p: presión manométrica (Pa)
V: velocidad media del fluido (m/s)
γ: peso específico del fluido (N/m3)
� = 9.81 ���� : Aceleración de la gravedad
Σh: Sumatoria de las pérdidas geométricas y por rozamiento (m)
� � =���
�=
��
� (2.5)
Donde:
V: Velocidad media del líquido en la sección transversal de la tubería (m/s)
d: Diámetro de la tubería (m)
µ: Viscosidad dinámica (N·s/m)
ν:Viscosidad cinemática (m2/s)
ρ:Densidad (kg/m3)
54
Siendo las expresiones para el cálculo de las pérdidas geométricas y por
rozamiento las siguientes:
Para las perdidas locales:
���� = ������� �
������ (2.6)
Para las pérdidas por fricción:
���� = ��,��
�
��� �
������ (2.7)
El valor del coeficiente λ puede obtenerse de la fórmula de Konakov. [19], [20]
� = �(�.������ � − �.�)� � (2.8)
2.9 Comprobación de satisfacción de la demanda.
Para que el cálculo de la instalación sea aceptable, debe saberse cuál es la
demanda de agua caliente o fluido en función de la hora del día. Entonces se
puede determinar un valor aproximado de la demanda de energía diaria, por
medio de la ecuación:
� � = �� ∙ �� ∙ (�� − ��) (2.9)
Ql = demanda de energía diaria, (kcal).
ml = demanda de agua caliente, (l)
Ts = temperatura de demanda del fluido (oC)
TL = Temperatura del fluido en el deposito frio, (oC)
Cp = Calor especifico del agua, (1 kcal/kg oC)
55
Teniendo en cuenta las pérdidas del sistema y lo requerido para calentar la masa
de reserva de agua, se estipula el valor aproximado de la energía útil que debe
ganar la batería de los colectores en un día por la fórmula
� � = �,�� ∙ ∑� � (2.10)
El valor de la radiación solar incidente HT se puede hallar por la ecuación:
� �= (� − � �)�� + ⦋� � (�� ����)
�⦌+ ⦋� ∙
(������)��
� ⦌ (2.11)
∑Ht = Puede ser obtenida por métodos experimentales cuando se tiene un
Piranómetro.
En Cuba ∑Ht ≈ 4800 kcal
Entonces se procede al cálculo del número de colectores por la expresión
(2.0).
Con el número de colectores hallado debe comprobarse en la instalación si
satisface los requerimientos de la demanda en cada hora del día. Esta
comprobación se efectúa calculando el valor de la temperatura en el tanque de
almacenamiento al finalizar cada hora, por medio de la ecuación.
��(�) = ��(���) + �∆�
� �∙���.�� � − � � − � �� (2.12)
Donde:
Ts(i) = Temperatura del agua al finalizar la hora i, (oC).
Ts(i – 1) = Temperatura del agua dentro del colector al comenzar la hora i, (oC).
Δt = Periodo tomado como 1 hora.
ms = Capacidad de agua del tanque de agua caliente.
56
Qt = Energía útil generada, por el colector en la hora i, (kcal/h)
Qp = Energía perdida en el almacenamiento en la hora i, (kcal/h)
Ql = Demanda de energía en la misma hora, (kcal/h)
� � = (��)� ∙ ���(���) − ��� (2.13)
Donde:
(UA)s = Producto del coeficiente de pérdidas del tanque de almacenamiento por
su área, (kcal/h oC).
Ta = Temperatura ambiente.
Coeficiente total de pérdidas térmicas se puede encontrar entonces.
(��)� = �
����
������
����
���
∙ ����� (2.14)
K = 0,021 kcal/h m oC para el poliuretano.
� � = �� ∙ �� ∙ �� �� − �����(���) − ���� (2.15)
Donde:
nc = Número de colectores.
Ac = Área de captación del colector, (m2)
Fr = Factor de remoción del colector.
S = Radiación total absorbida por el colector por unidad de área, (kcal/m2 h)
� = � �(��)� ∙ (� − �)(� − �) (2.16)
Ht = radiación solar incidente por horas.
(��)� = Producto de transmisividad – absorbencia del colector.
57
(1 - a) = Factor del efecto de polvo sobre el colector. (a = 0,02)
(2 – b) = Factor del efecto de la sombra sobre el plato de absorción. (b = 0,03)
UL = Coeficiente total de pérdidas, (kcal/m2 oC h)
�� = �� + �� + �� (2.17)
Ut = Coeficiente de pérdidas por la cubierta, (kcal/m2 oC h)
Ub = Coeficiente de pérdidas por el fondo, (kcal/m2 oC h)
Ue = Coeficiente de pérdidas laterales, (kcal/m2 oC h)
2.10 Sistema auxiliar.
Como se había comentado anteriormente, el proceso de cocción de alimentos
de la empresa está respaldado por dos balas de Gas Licuado de 100 libras cada
una, para caso de que existan fallos. El sistema de calentadores no necesita un
respaldo para asegurar la continuidad en el abastecimiento de la demanda, no
siendo necesaria la instalación de una resistencia eléctrica en los calentadores.
2.11 Factores a tener en cuenta para la instalación.
1. Similar recorrido hidráulico en todos los módulos. Similares pérdidas de
carga.
2. Garantizar el mismo caudal en todos los ramales. Garantiza un mejor
rendimiento térmico.
3. Garantizar el caudal recomendado por el fabricante para el modelo de
colector seleccionado. Garantiza la mejor transferencia de calor entre el
absorbedor y el fluido.
4. Minimizar las longitudes de tuberías en los ramales colectores de agua
caliente, con ello se disminuyen las pérdidas térmicas e hidráulicas.
58
5. Utilizar el aislamiento térmico adecuado, evitar puentes térmicos.
6. Permitir eliminar el aire de arrastre y el vapor formado al calentarse.
7. Permitir desmontar los equipos y reinstalarlos en ocasión requerida.
8. Garantizar espacio para realizar los mantenimientos de los equipos en la
instalación.
2.12 Condiciones generales de montaje.
La instalación se construirá en su totalidad utilizando materiales y
procedimientos de ejecución que garanticen las exigencias del servicio,
durabilidad, salubridad y mantenimiento. Se tendrán en cuenta las
especificaciones dadas por los fabricantes de cada uno de los componentes.
Para efectos de las especificaciones de montaje de la instalación, éstas se
complementarán con la aplicación de las reglamentaciones de construcción
vigentes en la localidad donde tengan competencia en cada caso.
Independientemente del tamaño de la instalación térmica solar, siempre se
deberá prestar atención a las medidas de seguridad más elementales. Por lo
anterior, se recomienda:
59
Capítulo 3
60
CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
3.1 Colocación de los colectores.
Como se puede apreciar en la fórmula 2.2 la altura Z queda.
α = 30o, L = 1 500 mm
� = 1500sin30�
� = 750 ��
Finalmente se determina el área total ocupada por el sistema según la ecuación
2.3 y 2.4 quedando:
� = 4(3.9 + 0.01 × 3.9) + 1 × 0
� = 16,75 ��
Como se muestra en el anexo 1, los calentadores se montarán en el techo de la
propia cocina comedor de la empresa de forma lineal uno al lado del otro,
evitando así el posible factor de sobra.
Los cimientos, anexo 1, se alinearán tres para cada lado del calentador y a una
distancia de 960 mm y una separación entre calentadores de 700 mm.
La base del tanque, anexo 1, se construirá para soportar el peso que ofrece al
tener una capacidad máxima de 2 000 litros y se ubicará sobre el mismo techo
lo más cerca posible de los calentadores, para favorecer a la estabilidad de la
instalación.
Los ganchos de fijación se ven en el anexo 1, estos son los encargados de
garantizar la estabilidad y resistencia de los calentadores llegando a resistir
vientos de más de 100 km/h.
61
Figura 3.1: Ejemplo al terminar el montaje.
Fuente: ALASTOR
Figura 3.2: Diagrama general de la instalación.
Fuente: ALASTOR
3.2 Cálculos de la red hidráulica.
Para el cálculo de los parámetros hidrodinámicos se parte de la ecuación de
Bernoulli expresada en la fórmula (2.4)
62
�� +��
�+
���
��= �� +
��
�+
���
��+ ��
Donde:
z1 = 8,5 m, z2 = 1 m, p1 = p2 = presión atmosférica, V1 = 0, g = 9.81 m/s2
Para las pérdidas geométricas por resistencias locales se emplean los
coeficientes que se señalan en la tabla 3.1
Tabla 3.1 Coeficientes para resistencias locales
Tipo de resistencia Cantidad Coeficiente ����
Codos de 900 5 1.5
Codos de 450 1 0,5
Conexiones (T) 1 0.35
Válvulas 3 1.8
Fuente: Formulario de Mecánica de L. Pareto Tomo 1 pagina 278.
Para las pérdidas locales se emplea según la expresión 2.5.
���� = ����
��
��
Σℎ��� = (5 × 1,5 + 1 × 0.5 + 1 × 0.35 + 3 × 1.8)��
�
2 × 9.81
Σh��� = 0,7008 V��
Para las pérdidas por fricción se emplea según la expresión 2.6.
���� = ��
�
�
���
��
Donde:
d = 20 mm, λt = 0.035, l = 30 m
h��� = 0.035 ×30
20 × 10��×
V��
2 × 9.81
h��� = 2.67V��
Σh = 3.63V��
63
V� = �z1 − z2
3,63= �
8,5 − 1
3,63
�� = �.�� � /�
Valor que cumple con las exigencias de la cocina de la entidad y también es
aceptable según las consideraciones del estudio realizado por [25], para
calentadores de tubos al vacío.
3.3 Energía necesaria para la cocción de los alimentos sin tener en cuenta
el agua de los calentadores.
Se parte del procedimiento de calcular la cantidad de calor sensible que se
necesita para que cierta masa de líquido cambie la temperatura desde un valor
inicial hasta el valor final deseado.
Se representa por la fórmula:
� = � ∙ �� ∙ (�°� − �°�) (3.1)
- Q es la cantidad de calor entregada o recibida por un cuerpo (Kcal)
- m es la masa del cuerpo (Kg)
- Ce es el calor específico de la sustancia (Kcal/Kg°C)
- T ° i es la temperatura inicial del cuerpo (°C)
- T ° f es la temperatura final del cuerpo (°C)
Los 700 kg de agua representan la demanda diaria promedio que se usa en la
entidad. Entonces, para calentar dicha cantidad de agua desde 25oC hasta 100oC
se emplearía la cantidad siguiente de calor:
64
� =700��
0,5ℎ∙ 1����/��°� ∙ (100 − 25)°�
Q = 105000kcal
h ∙
1kWh
860kcal
� = ���,���� ��
El fueloil tiene un poder calórico inferior a 11,1 kWh/kg [23], que es la cantidad
total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de volumen
de combustible, sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de
agua generado en la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se
expulsa como vapor.
Se puede calcular la cantidad necesaria de Fuel Oíl para obtener la misma
cantidad de calor empleada para calentar el agua diariamente según:
���� �í� = ���,���� ��
��,�����
= �� �� ≈ �� L
Lo anterior representa un consumo diario de combustible de 11 litros.
3.4 Proporciones reglamentadas.
Haciendo un estudio de los reglamentos de la dieta y nutrición utilizados en la
industria mencionada para satisfacción de la alimentación de los trabajadores,
se ha considerado que para una persona se proporcionan 62 gramos de arroz,
lo que implica que se requieren cocinar alrededor de 2 calderos de arroz para los
400 comensales diarios. Los potajes son proporcionados a razón de 20 gramos
por cada persona, por lo que sería necesario cocinar un caldero de potaje. Las
verduras, viandas y hortalizas requieren de 1 caldero diario para todos los
trabajadores, y como plato de primera, por ejemplo carne de pollo, son unos 120
gramos por persona lo que serían cocinados en 2 calderos. En caso de otros
65
productos cárnicos o derivado las proporciones están entre los 70 a 90 gramos,
lo que habitualmente requieren de un caldero. Cada caldero utilizado en la
cocción de los alimentos requieren alrededor de 50 litros de agua. La valoración
anterior sería necesaria considerarla en los horarios de desayuno, almuerzo y
comida, ya que esta empresa tiene las características de tener una producción
continua con turnos de trabajo diurnos y nocturnos.
Obtenido el valor de la cantidad de fueloil necesario y con la suma de 400
comensales y las proporciones en gramos requeridas por cada alimento, se tiene
un gasto promedio diario de 11 litros de fueloil aproximadamente, dependiendo
del menú de cada día. Teniendo en consideración algunos días en los que no se
cocine o días con menos cantidad de comensales como ejemplo los domingos,
se hace un cálculo promedio, lo que serían unos 3960 litros anuales para el
proceso de cocción de alimentos.
3.5 Energía necesaria para la cocción de los alimentos teniendo en cuenta
el agua de los calentadores.
La cantidad de calor necesaria para calentar 700 kg de agua desde 85 a 100C°
sería:
Q =700kg
0,5h∙ 1kcal/kg°C ∙ (100 − 85)°C
Q = 21000kcal
h ∙
1kW h
860kcal
� = ��,���� ��
66
Igualmente a como se valoró en el epígrafe anterior la cantidad de energía
necesaria para calentar 700 litros de agua, pero con el combustible utilizado para
esto, sería:
���� �í� = ��,���� ��
��,�����
= �.�� �� ≈ �,�� �
Representando un consumo diario de 2,20 litros teniendo en cuenta el aporte de
los calentadores solares. Lo que serían unos 880 litros anuales para el proceso
de cocción de alimentos, exceptuando los días que pudiera existir una problema
técnico, o simplemente por afectaciones climatológicas en los que la eficiencia
de los calentadores no sea la más óptima.
Ahorro de energía teniendo en cuenta el aporte energético de los
calentadores.
Los datos obtenidos desprenden un ahorro de 8,8 litros diarios lo que sería 3080
litros anuales representando un ahorro considerable en la economía de la
empresa y por ende del país. Importante también tener en cuenta cuanto CO2
se deja de emitir a la atmósfera anualmente.
3.6 Cálculo del producto transmisividad-absorbencia (), de la radiación
total absorbida(S) y la radiación solar incidente (HT).
La radiación total absorbida por el colector (S) depende de la radiación que llega
a él (HT) y de ciertas propiedades de los materiales y características del colector,
tales como la transmisividad (del vidrio, la absorbencia de los tubos (α), etc.
67
Es necesario primeramente calcular el valor del ángulo de inclinación de la
radiación directa sobre el colector, magnitud que se denomina θT, para ellos se
requieren los datos contenidos en la Tabla 3.2 que a continuación se muestra.
Tabla 3.2 Datos iniciales:
Latitud Pinar del Río, 22,4
Inclinación, 30
( -7,6
Fuente: Elaboración propia
Con los valores de la latitud y la inclinación del colector se utilizan los datos
contenidos en el Anexo 4, [5] para hallar los valores de θT para diferentes horas
del día y en el mes de febrero como mes elegido para el análisis. Anexo 4 la
tabla 9,8b.
Una vez que se tiene el valor del ángulo de incidencia de la radiación, los valores
de se hallan mediante los datos referidos en el Anexo 5, [5]. Anexo 5 la tabla
9,14b.
Los valores de la radiación solar incidente (HT) se han obtenido de forma
experimental utilizando la Estación Meteorológica de la Universidad de Pinar del
Río, aunque también pueden ser calculados por medio de la ecuación (2.11).
Finalmente la radiación total absorbida por el colector por unidad de área (S) se
calcula a partir de la ecuación (2.16).
Los resultados de las mediciones experimentales y los cálculos realizados se
muestran a continuación:
68
Tabla 3.3 Resultados de transmisividad-absorbencia (), la radiación solar
incidente (HT) y de la radiación total absorbida(S) para el colector.
Hora T () HT S
6 81 0,41 160 62
7 66,5 0,71 190 128
8 51,9 0,81 300 231
9 37,3 0,82 450 351
10 22,9 0,83 600 473
11 9,4 0,83 720 568
12 9,4 0,83 710 560
13 22,9 0,83 620 489
14 37,3 0,82 480 374
15 51,9 0,81 336 259
16 66,5 0,71 203 137
17 81 0,41 90 35
Fuente: Elaboración propia
3.7 Cálculo del coeficiente total de pérdidas en el tanque, (UA)s.
Resultados obtenidos haciendo uso de la ecuación (2.14), teniendo en cuenta
las dimensiones de la instalación y los coeficientes de conductividad térmica para
el material aislante (poliuretano) y el coeficiente de convección del aire exterior.
En el Anexo 2 se detallan el croquis y las dimensiones del Colector Industrial
LPC- 47- 1525 seleccionado en este trabajo.
Tabla 3.4 Obtención del coeficiente total de pérdidas en el tanque, (UA)s
Radio interior, (m) r1 0,21
Radio exterior, (m) r2 0,26
Longitud de tanque, (m) L 2,11
Conductividad térmica, (kcal/h m C) k 0,02
Coeficiente de convección, (kcal/h m C) h 4,30
Coeficiente total de pérdidas térmicas, (kcal/h m2 C) U 0,43
Área del tanque, (m2) A 2,78
Coeficiente total de pérdidas en el tanque, ((kcal/h C) (UA)S 1,20
Fuente: Elaboración propia.
69
3.8 Cálculo de la temperatura de servicio en cada hora.
Se debe comprobar entonces si la instalación satisface los requerimientos de la
demanda en cada hora del día. Esta comprobación se efectúa calculando el valor
de la temperatura del fluido en el tanque de almacenamiento al finalizar cada
hora según la ecuación (2.12).
Los datos se obtienen de cálculos y del catálogo del fabricante de los colectores,
y en el caso específico del factor de remoción apoyándonos en los estudios de
[5] para Cuba, mediante la ecuación:
�� = ���
�����´�� − �
�����´
��� � (3.2)
Tabla 3.5 Datos de catálogo.
T servicio (oC) Ts 80
T tanque frío (oC) Tt 20
Número colectores n 6
Volumen del tanque (l) V 200
Area captación (m2) Ac 2,4
Factor remoción Fr 0,93
Pérdidas totales colector (kcal/h oC) Ul 0,6
Pérdidas tanque (kcal/h oC) (UA)s 1,2
Elaboración propia.
Tabla 3.6 Datos de catálogo y calculados de las formulas (2.10), (2.11) y (2.0).
Eficiencia del colector 0,75
Radiación total en un día, (kcal/h m2 ) HT 4800
Energía útil ganada en un día, (kcal) QT 48300
Número de colectores n 5,590277778
Elaboración propia.
70
Los consumos de agua caliente en la cocina- comedor del Combinado Lácteo de
Pinar del Río son variables a lo largo de un día de trabajo. Estos datos han sido
recogidos por entrevistas realizadas a los maestros cocineros y empleados en la
cocina, y promediados a razón de un uso lógico y cercano a la realidad de su
uso en el transcurso del día y la noche. El gráfico 1 muestra el comportamiento
típico de los consumos del agua caliente sanitaria de la cocina comedor para un
día típico del mes de febrero. Como puede apreciarse ya desde las 5:00 am
comienza a utilizarse agua caliente en la preparación del desayuno. En el horario
del medio día los consumos de agua caliente son los mayores, por cuanto se
están realizando las tareas de almuerzo y lavado de los utensilios. En la tarde
también hay preparación de alimentos para los turnos nocturnos de trabajo y
como puede verse en horarios de altas horas de la noche también el uso de agua
caliente sanitaria es necesaria.
Para que el cálculo de la instalación sea aceptable, debe saberse cuál es la
demanda de agua caliente o fluido en función de la hora del día.
Si Ts(0) es casi igual a Ts(24); o sea, si la temperatura inicial tomada para empezar
el proceso se aproxima a la calculada al transcurrir 24 horas, el número de
colectores seleccionado ha sido el correcto. Si la diferencia es muy grande, se
disminuye o se aumenta en uno el valor de nC según sea Ts(24) mayor o menor
que la temperatura inicial Ts(0), y se repite el proceso de cálculo hasta que la
diferencia entre las dos temperaturas sea aceptable. Se aconseja que el valor
calculado de Ts(24) no quede nunca por debajo de Ts(0).
Se recomienda tomar como hora 0, la primera hora del día donde el colector
tenga ganancia, que en la tabla número 3.7 se toma como las 8:00 am, la hora
cero.
71
Como se puede apreciar la diferencia de temperatura no varía bruscamente por
lo que satisface la demanda con un total de seis colectores, no de cuatro como
se tenía previsto en el proyecto anteriormente. El rediseño de la cantidad de
colectores a una cantidad de 6 permite satisfacer la demanda de 700 litros de
agua diarios a una temperatura entre los 70- 80 ̊ C teniendo en cuenta las épocas
del año más frías, los días nublados y todas las pérdidas que puedan ocurrir en
la instalación.
Es significativo señalar que el comportamiento de la temperatura del agua en
cada hora del día es aproximadamente cercana a los 70 ˚C, aspecto que
demuestra que la selección de la cantidad de colectores solares es satisfactoria,
y se satisface la demanda de agua caliente a esa temperatura a cualquier hora
del día, incluso en horas de la noche donde se supone que las reservas de agua
caliente tienen que ser suficientes para poder garantizar dicha temperatura. Lo
anteriormente valorado se muestra en el gráfico 2, donde se puede ver el
comportamiento de la temperatura del agua y la del medio ambiente a lo largo
del día.
En el desarrollo de los cálculos que se han hecho en el transcurso del capítulo,
se ha podido hallar el comportamiento de la energía captada por los colectores
solares en el período de un típico día invernal del territorio donde se ubica el
Combinado Lácteo de Pinar del Río. También se ha calculado la energía perdida
por termo- transferencia en los tanques de almacenamiento y la energía
calorífica ganada por el fluido y que lleva en el momento de su uso. El gráfico 3
muestra el comportamiento de dichas energías y describe el balance térmico que
entre colectores y tanques de almacenamiento se produce. Como se puede
apreciar en el gráfico la energía ganada por la batería de colectores es
72
dependiente de los momentos del día en que existe captación de energía solar
y tiene que ser suficientemente considerable para que la diferencias de energía
por pérdidas y la propia del uso del agua no hagan que la temperatura de servicio
del agua caliente disminuya por debajo del valor tomado (aproximadamente 70
˚C).
3.9 Comprobación de satisfacción de la demanda.
73
74
Figura 3.3: Demanda de agua caliente a lo largo de un día, basándonos en
los datos de la tabla 3.7.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3.4: Temperatura de servicio contra la del medio ambiente.
Fuente: Elaboración propia.
75
Figura 3.5: Energías en el sistema.
Fuente: Elaboración propia.
Así, podemos afirmar que los colectores necesarios para satisfacer las
necesidades del Combinado de Productos Lácteos y Confiterías de Pinar del Río
en el precalentamiento del agua para la cocción de los alimentos, es de seis
colectores ya que con estos se garantiza la estabilidad energética de la
instalación y de la demanda requerida.
76
3.10 Valoración económica y medioambiental.
Un calentador solar de agua de tubos al vacío puede durar funcionando entre 15
y 20 años, brindando beneficios los cuales los podemos clasificar en dos:
económicos y ambientales.
Análisis Económico.
Con la instalación de un sistema adecuado a nuestras necesidades, podemos
satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua caliente de nuestra
instalación, sin tener que pagar combustible, pues la energía solar no cuesta.
De esta forma se obtienen ahorros de electricidad y diésel, además de utilizar el
agua sobrante en cuestiones de higienización de los utensilios de trabajos y de
las propias personas.
Teniendo en cuenta todos los resultados obtenidos en la investigación así como
el costo de compra del fueloil por la empresa y el costo de la inversión de los
calentadores el autor puede declarar que se incurre en un ahorro de:
Dato importante: La empresa compra el combustible a 796.66 la tonelada de
fueloil y esto si se tiene en cuenta que un litro de fueloil es 0,939 kg se llega a
1.33 CUP el litro.
77
Tabla 3.8. Gastos y ahorro de combustible.
Cantidad de litros/año Costo
Combustible consumido antes. 3 960 5 266,8 CUP
Combustible consumido después. 880 1 170,4 CUP
Ahorro en un día. 11,70 CUP
Ahorro en un año. 4 096,4 CUP
Ahorro en toda la vida útil de los calentadores (de 15 a 20 años).
De (61446 a 81928) CUP
Fuente: Elaboración propia.
Al intercambiar con el encargado de la empresa de Alastor de Pinar del Río para
la realización del proyecto, así como con el inversionista de la empresa nos
plantearon que el costo total de la inversión incluyendo servicios, equipos y mano
de obras saldría en 2513.86 CUC y 3533.60 CUP y como la tasa de cambio de
las empresas cubanas entre el CUC y el CUP es de uno por uno, llagamos al
costo total de la inversión 6047.46 CUP = Ct.
El período de recuperación de la inversión se determina como:
�� =��
��=
6 047.46
4 096,40= 1.48 �ños
Análisis Ambiental.
El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante nuestro
entorno ambiental. Los problemas de la contaminación en las zonas urbanas son
provocados por los combustibles utilizados en el transporte la industria y los
hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la
emisión de gases de efecto invernadero.
78
La cada vez más utilizada energía del sol ha demostrado ser una alternativa
viable para los procesos industriales y para colaborar con la protección y cuido
del medio ambiente, logrando minimizar la contaminación ambiental.
Las ventajas de construir este tipo de eco-técnica son múltiples:
Se usa la energía del sol que es limpia, infinita y gratis.
Los materiales usados son baratos y casi todos se pueden obtener del
reciclado urbano.
Es una tecnología a favor del medio ambiente.
No produce ruido ni contaminación.
Emisiones de CO2 producto de la combustión anualmente.
Al analizar las variables con las que contamos nos percatamos que la densidad
del fueloil es de 0,9998 kg/L y cuenta con un factor de emisión de 3,16 kgCO2
/kg de fueloil [24], por lo que tendríamos un descuento de emisión de alrededor
de los 9732,8 kg de CO2 anuales al ambiente, llegando a tener solamente 2780,8
kg de CO2 después de implementados los calentadores, frente a los 12513,6 kg
de CO2 sin implementar los calentadores.
3.11 Mantenimiento de Calentadores Solares.
El mantenimiento de un calentador solar de tubos evacuados al vacío, consiste
en cambios de ánodos de magnesio y la limpieza del colector tubos de boro-
silicato.
1. El tanque requiere de un drenado anual.
2. Cambio de ánodo de magnesio semestralmente o anual según sea el caso
79
3. Limpieza exterior anual.
4. Limpieza del colector o tubo de vidrio cada seis meses.
La propia lluvia natural puede favorecer en la limpieza de sus partes, pero es
preciso no despreocuparse.
80
CONCLUSIONES
Los resultados del estudio que se plasman en esta tesis permitieron arribar a las
siguientes conclusiones:
1. El proyecto original para el montaje del sistema de Calentadores Solares
de agua con fines sanitarios en el Combinado Lácteo de Pinar del Río
contempla una cantidad de 4 calentadores del modelo LPC- 47- 1525.
Según los cálculos realizados en el transcurso de esta investigación se
necesitan 6 calentadores del mismo tipo, para abastecer toda el agua
demandada para los procesos de la cocina e incluso permitiría tener un
margen de respaldo del agua necesaria.
2. El balance de la energía total absorbida por la radiación solar en los
colectores solares y las energías perdidas por termo transferencia, así
como la energía utilizada por el agua caliente permiten garantizar una
temperatura de servicio de 70 ˚C las 24 horas del día.
3. El sistema de calentadores cuenta con un índice de amortización de la
inversión que garantiza la recuperación de la inversión en un plazo
aceptable, positivo ahorro energético y cuidado medioambiental, evitando
considerables toneladas de CO2 al ambiente.
4. Se demuestra la factibilidad en el abastecimiento de la demanda de agua
diaria, así como las posibilidades de higienización de los utensilios y el
propio personal de la cocina y la empresa en general, por lo que el impacto
social del proyecto es muy positivo.
81
RECOMENDACIONES
A partir de la investigación realizada, podemos recomendar que la empresa
necesita expandir la utilización de energías renovables, que sustituyan procesos
que consumen diariamente altas cantidades de energía y combustibles fósiles,
pero que también emiten grandes cantidades de CO2 y otros compuestos a
nuestra atmósfera provocando lluvias ácidas y lamentables daños
medioambientales.
A partir de los resultados alcanzados se hacen las siguientes recomendaciones:
- Valorar la posibilidad de montaje de seis calentadores y no de cuatro como se
tenía previsto en l proyecto con la empresa ALASTOR.
- Valorar la posibilidad de incrementar la cantidad de colectores para poder brindar
a los operarios posibilidades de aseo a las diferentes horas del día.
- Determinar la factibilidad de utilizar un sistema de paneles fotovoltaicos que
aprovechen la energía solar en la producción de energía eléctrica para el
accionamiento de algunos sistemas, de forma que disminuya el consumo de la
red nacional.
82
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
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85
ANEXOS
Anexo 1
86
Anexo 2
Figura: Dimensiones del Colector Industrial LPC- 47- 1525.
Figura: Vista en corte del termo-tanque para poder observar el poliuretano del que está compuesto el aislante térmico.
87
Anexo 3
Figura: Descripción de las partes del colector.
Anexo 4
88
Tabla del libro ´´ Manual par a el cálculo y diseño de calentadores solares´´
por Luis Bérriz Pérez y Manuel Álvarez González.
Anexo 5
Tabla del libro ´´ Manual par a el cálculo y diseño de calentadores solares´´
por Luis Bérriz Pérez y Manuel Álvarez González.
89
Preguntas del oponente.
1- ¿Por qué se utiliza un índice de 1,75 L/persona de H2O, de dónde
sale?
Al entrevistar a los compañeros de personal y los cocineros de la entidad nos
brindaron la cifra aproximada de la cantidad de comensales y el gasto
promedio de agua diario, además se realizó un análisis detallado de las
porciones para cada comensal se determinó un valor promedio de 700 litros
de aguas diarios entre la cantidad de comensales llegamos a 1,75 litros de
agua por persona.
2- Hacer una comparación entre los 3 tipos de calentadores solares
que justifique la selección de los de tubos al vacío, relacionando
parámetros y características de la Empresa.
�
(eficiencia)
Ac (Área de
captación) m2
UL (Perdidas)
kcal/h m2 oC
Colector plano 0,52 1,0 3,06
Colector Compacto 0,63 1,0 2,26
Colector de tubos al vacío 0,75 2,4 0,60
Durabilidad
Mantenimiento
3- ¿En la ecuación de 2.4 de Bernoulli no se tiene puesto un
coeficiente que afecta las velocidades, por qué?¿Si la temperatura es
la misma entre los puntos 1 y 2, por qué el peso específico es el
mismo?
�� = � ∙ �
�
La viscosidad se tiene en cuenta a 70 oC y seria 0,413 ˑ 10-6
La velocidad es 1,43 m/s
El diámetro es 0,02 m
�� = � ∙ �
�= 10� > 2300
�� +��
�+
����
��= �� +
��
�+
����
��+ ��
90
Por lo que el régimen es turbulento y cuando es turbulento � = �
4- ¿En las pérdidas tanto locales como por fricción, por qué no
se expresan en forma de sumatoria? El coeficiente de fricción lo
buscas por Konakov. ¿Cuáles son las exigencias de esta
ecuación y mencione otro método?
Para las pérdidas locales se emplea según la expresión 2.5.
���� = ����
��
��
Σℎ��� = (5 × 1,5 + 1 × 0.5 + 1 × 0.35 + 3 × 1.8)��
�
2 × 9.81
Σh��� = 0,7008 V��
Para las pérdidas por fricción se emplea según la expresión 2.6.
���� = ��
�
�
���
��
Donde:
d = 20 mm, λt = 0.035, l = 30 m
h��� = 0.035 ×30
20 × 10��×
V��
2 × 9.81
h��� = 2.67V��
Σh = 3.63V��
5- El sistema auxiliar, ¿por qué está dirigido hacia el gas licuado, que
es el método para cocinar y no hacia el calentamiento del H2O?
El sistema auxiliar con el que se cuenta es para el caso en que exista rotura,
no para mantener la temperatura en el interior de los termo-tanques. Estos
termo-tanques se les puede instalar una resistencia interior que es por
corriente eléctrica pero el presupuesto asignado para la inversión no tuvo en
cuenta las mismas.
