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Introducción.
La energía solar, es un recurso natural el
cual ha tenido múltiples usos a lo largo
de la historia en diferentes lugares de
esta manera, podemos mencionar que la
intensidad de la radiación solar en el
borde exterior de la atmósfera,
considerando la distancia promedio entre
la Tierra y el Sol, se llama constante
solar, y su valor medio es 1353 W/m2,
sin embargo la intensidad de energía real
disponible en la superficie terrestre es
menor que la constante solar, siendo
alrededor de 1000 W/m2, esta porción de
energía se conoce como radiación
directa, esta es sólo una porción de la
energía que llega a la tierra.
Otra parte de la energía solar que llega a
la superficie de la tierra se denomina
radiación difusa que es aquella energía
solar reflejada por la atmósfera terrestre,
en especial por las nubes, además, a
nivel del suelo se tiene la radiación
reflejada que es parte de la energía
reflejada por los objetos terrestres.
La radiación total es la suma de las
radiaciones directa, difusa y reflejada que
se reciben sobre una superficie.
Un calentador solar de agua es un
dispositivo que realiza la conversión de
energía solar a energía térmica. Este
proceso puede ser llevado a cabo a
través de un colector solar plano
haciendo pasar un líquido a través de un
arreglo de tubos hechos a base de cobre
o tubos de vidrio al vacío y por medio de
una lámina de acero inoxidable,
convirtiendo la energía luminosa del sol
en calor y elevando la temperatura del
líquido que fluye. Este puede ser agua,
aceite, salmuera, glicol o incluso aire.
Desde tiempos atrás el uso de la energía
solar ha tenido gran importancia, de echo
desde los primero años del siglo XX en
España existía un proyecto denominado;
“proyecto de motor solar” el cual
consistía en un invernadero con una
chimenea adosada. En los días soleados
el aire en su interior se calentaba y por
convección tendía a subir, esta corriente
era canalizada y concentrada por la
chimenea en la cual había una pequeña
turbina que transformada ese aire en
movimiento en electricidad.
Por otra parte en 1911 el inventor
estadounidense Frank Shuman fundó la
1
Proyecto Conversión de la Energía: Calentador solar de agua tipo plano “AK´KIN”UNIVERSIDAD AUTONOMA DE LA CIUDAD DE MÉXICOJosé Alfredo Martínez Pérez.Silverio Hernández Hernández.Rogelio Jesús Rivas Sánchez.José Antonio Carrera Monrroy.Correo: [email protected]
empresa Sun Power Co, que ese mismo
año fue la encargada de construir una
planta solar de concentración en Tacony
EEUU la cual llegó a tener una potencia
de 20 KW, posteriormente ya para el año
1912 el gobierno egipcio contrató a la
empresa de Shuman para construir una
gran planta solar de concentración en
Maadi a orillas del río Nilo, esta central
estaba dotada de 5 filas de espejos
cilindro-parabólicos de 62 metros de
largo y tenía una potencia total de 88
KW, su función era la de proveer
energía para bombear agua desde el Nilo
hasta unos campos de algodón
adyacentes para regarlos, con una
capacidad de bombear cerca de 27.000
litros por segundo. El éxito de estos
proyectos los llevó a construir algo
similar en el desierto del Sahara el cual
fuera capaz de proporcionar 198 MW, lo
que equivalía a toda la potencia
consumida en el mundo, esta planta
ocuparía la extensión de 52.600 Km2 en
el gran desierto del Sahara.
A principios del siglo XX, hubo un hecho
importante para la industria solar cuando
en 1909 William Bailley patentó su
modelo de calentador solar para agua,
este modelo era capaz de mantener el
calor ganado durante toda la noche,
siendo posible disfrutar del agua caliente
solar a la mañana siguiente. El sistema
tenia separado el área de calentamiento
solar y el del almacenaje, consistía en
una serie de tuberías adherida a una
placa de color negro en el interior de una
caja caliente, el agua circulaba por las
tuberías y al ser calentada por el sol se
movía por convección hacia un depósito
termo- aislado colocado en la parte alta
del calentador, este mismo esquema es
que el hoy día se sigue usando en los
calentadores solares termo-sifónicos.
De esta manera este nuevo sistema se
expandió rápidamente en otros estados,
principalmente en el sur de Estados
Unidos, los cuales eran muy calurosos.
En años recientes, en México la
utilización de los calentadores solares ha
ido en aumento ya que para el 2012 los
equipos solares para calentar agua
representaron ventas cercanas a 1,200
millones de pesos (mdp) y para el 2013
se pretendía instalar 350,000 m2
(metros cuadrados ) de calentadores
solares, lo que representará 15% de
crecimiento en comparación con el año
pasado, cuando la suma fue de
aproximadamente 300,000 m2, sin
embargo el crecimiento de la industria
mexicana de los colectores es lenta,
debido a la falta de financiamiento e
incentivos para crecer su demanda.
2
Justificación.
La energía solar es un recurso natural,
que está constituida por una porción de
la luz que emite el sol, que a su vez es
interceptada por la tierra, de esta manera
es un recurso aprovechado para iluminar
hogares, para cocinar para calentar agua
y algunas otras actividades cotidianas y
de esta manera se beneficia a un gran
sector de la población, con la utilización
de los calentadores solares, que son los
encargados de captar la energía solar
para su uso.
En la actualidad el uso de la energía es
de suma importancia para realizar las
diferentes actividades cotidianas y sin
duda es un recurso que ha facilitado la
vida de todas las personas desde tiempo
atrás y hasta la actualidad.
sin embargo aun siendo unos de los
recursos más indispensables su
utilización es un tanto complicada debido
al costo y alcance de ésta a todos los
lugares del mundo, con el paso del
tiempo se han desarrollado diversas
alternativas además de la energía
eléctrica para el abastecimiento a la
totalidad de la población y que de alguna
manera resultan un tanto más
económicas y accesibles, pero a pesar
de ello su utilización depende en gran
medida de la situación de cada lugar,
además de los recursos con los cuales
se cuente.
El calentador solar es una de estas
alternativas que se tienen en la
actualidad para abastecer de energía no
solamente a los hogares sino también al
sector industrial, por esta razón en esta
ocasión, se pretende llevar a cabo una
investigación en la cual indagaremos lo
relacionado con la construcción y
funcionamiento, ya que sin duda es un
instrumento que ha formado parte
importante del desarrollo industrial y que
tiene como principal componente un
recurso natural, que es de gran beneficio
para la población en general.
El diseño y la construcción de un
calentador solar, es un proyecto muy
importante debido a que nos permitirá
conocer a mayor profundidad sobre éste
como una alternativa para al
abastecimiento de energía, que sin duda
es una opción viable para el uso de uno
de los recursos naturales más
abundantes y económicos.
Un diseño de un calentador puede verse
en la siguiente imagen 1.
3
Imagen 1 diseño básico de un calentador solar.
Desarrollo.
Objetivo del proyecto.
Diseñar un calentador solar que
aproveche toda la energía solar posible y
la convierta en energía térmica y poder
calentar agua, de esta manera pueda
ser utilizada en diferentes actividades en
una casa.
Usaremos una configuración plana, es
decir el colector se colocara en una
superficie plana que será una lámina
dentro de un cajón muy delgado de
madera para después ser cubierta por un
acrílico que aportara en el aumento de la
temperatura.
Para el diseño, La relación geométrica
entre un plano con cualquier orientación
particular relativa a la tierra a cualquier
hora y la radiación solar incidente, esto
es, la posición del sol con respecto a
este plano, se puede escribir, en
términos de los siguientes ángulos.
Considerando en primer lugar la latitud y
altitud que tiene el distrito federal es el
siguiente:
Posicióndel distrito federal :19° 24 ´
Solo se dividen los minutos entre 60 y se
suman con los 19 grados obteniendo el
siguiente resultado.
24 /60=0.4 ° ,
19 °+0.4 °=19.4 °
Así con ello, el calentador será colocado
a ese ángulo mirando hacia el sol
dirección oeste para lograr la mayor
captación de rayos solares.
La cantidad de agua acumulada en el
calentador solar (tubería) se demuestra
de la siguiente manera:
Total de Tubería:
12 tubosde 75cmdelargo=900 cm
2 tubos de113cm de largo=226 cm
Total : 900 cm+226 cm=11.26m
Diámetro del tubo utilizado:
3/ 4 pulgada=0.01905m
4
Por lo tanto el volumen total es de:
V=π∗r2∗h
Donde:
π es3.1416
r es elradio del tubo .
hes la alturadel tubo.
V=(3.1416)(0.009525m)2(11.26m)=0.00320m3
Sabemos que un metro cubico equivale a
1000 litros, por lo tanto:
L=m3 /0.001000
L=0.00320/0.001000=3.2 litros
El calentador solar que se construyó
acumula 3.2 litros de agua en su
tubería. Considerando que una
familia común en México está
constituida por 4 personas y cada una
de ellas ocupa 20 litros de agua
caliente al día. Tenemos lo siguiente:
20 litros x 4=80 litros
Colocando un termo-tanque que acumule
el agua y la mantenga caliente de 100
litros de agua, y tomando en cuenta que
la temperatura ambiente y constante en
la ciudad de México en el mes de junio
es de 25 °C.
Para calentar los 3.2 litros de agua con la
temperatura mencionada se requiere de
un tiempo aproximado de 20 minutos
para alcanzar unos 35 °C, con lo que es
la temperatura normal del agua para
poder bañarse, otra de los puntos
analizados es que si en 60 minutos la
temperatura del agua alcanza los 60°C
combinados los 3.2 litros con agua fría,
saldrían unos 10 litros con temperatura
de 35 °C, por lo que en 2 horas se
tendrían idealmente los 20 litros
necesarios por persona, esto es debido a
que nuestro calentador es muy pequeño.
En resumen, si 3.2 litros se tienen en 20
minutos, 20 litros de agua a 35°C se
tendrían en 2 horas. Esto es:
6.4 litros en40minutos y 60min
secalentarían 9.6 litrosdeagua
Y en2horas19.2litros .
Debido a esto se recomienda hacer un
calentador solar con las siguientes
medidas para un periodo de tiempo más
pequeño y más cantidad de agua
caliente.
Se calentarían 40.5 litros de agua en una
hora y en 2 horas se tendrían los 80 litros
necesarios para abastecer a las 4
personas solo para bañarse.
5
Una vez considerando los cálculos
anteriores se procede a la construcción
del calentador solar y para cubrir el área
que tendrá colector, se realizó de la
siguiente manera como se muestra en la
imagen 2.
Imagen 2 construcción del colector.
Al final el colector quedo constituido por
12 de tubos de PVC como se muestra en
la siguiente imagen 3.
Imagen 3 colector completo.
Para ello se hizo una primera prueba que
es sin acrílico y sin pintarse el cual se
obtuvo la siguiente gráfica.
1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8
2024 26 27 27 28 29 30
PRIMER MUESTRA3 DE JUNIO DEL 2014
MuestrasTemperatura en °C
Como se muestra en la gráfica la
temperatura es la línea naranja marcada
y con las condiciones que se indicaron
anteriormente no se logró una
temperatura del agua más de los 30
grados centígrados, cabe resaltar que las
pruebas se hicieron con un termómetro
de mercurio y una termocupla adaptada
a un multímetro.
En la segunda prueba se le coloco el
acrílico al colector como se muestra en la
siguiente imagen 4 y obteniendo los
resultados en la nueva gráfica.
Imagen 4 calentador sin pintar y con acrílico.
6
1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8
18 20 23 26 29 33.5 37 39
SEGUNDA MUESTRA9 JUNIO DEL 2014
MuestrasTemperatura en °C
Para este caso la temperatura en esta
prueba incremento bastante llegando a
los 39 grados centígrados, lo peculiar de
esta prueba a la anterior es que si se
contó con un día bastante asoleado
aportando al objetivo de nuestro proyecto
de calentar el agua de manera
importante.
Se realizó una tercera prueba con el
colector y la lámina pintados de negro y
se obtuvieron los siguientes resultados.
Imagen 5 calentador terminado.
1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8
1826 29
40 43 48 51 56
TERCER MUESTRAJUNIO DEL 2014
MuestrasTemperatura en °C
Todas las pruebas fueron hechas
aproximadamente entre la una de la
tarde y las dos donde el sol comúnmente
es más intenso y podamos calentar el
agua de manera rápida.
Por lo que podemos demostrar que ya
pintado el colector y la caja sumado con
el acrílico, si se tuvo ese incremento
importante que esperábamos tener.
El gasto total para construcción de este
prototipo fue de 616 pesos con IVA
incluido.
7
Conclusiones del proyecto.
Se Diseñó un calentador solar que
aprovecha la energía solar posible y
convierte en energía térmica y así poder
calentar distintos líquidos en particular
agua, de esta manera pueda ser
utilizada en diferentes actividades en una
casa
Otra de las razones por cual elegir este
tipo de tecnología es que se evitan
grandes cantidades de gases de efecto
invernadero (co2), los cuales son
expulsados hacia la atmósfera, en países
altamente desarrollados y poblados es
una manera de influir en la reducción de
este tipo de contaminantes.
Este tipo de calentadores pueden
desarrollarse con diferentes tipos de
materiales, que pueden mejorar la
eficiencia del calentamiento del líquido
como lo son los tubos de cobre y la
cubierta de vidrio.
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