Diseño y Construcción de un Calentador Solar con Materiales de Bajo Costo R. Mendoza-Rojas, B. Ruiz-Camacho, O. Martínez-Alvarez.

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1 Diseño y Construcción de un Calentador Solar con Materiales de Bajo Costo R. Mendoza-Rojas, B. Ruiz-Camacho, O. Martínez-Alvarez. * Ingeniería en Energía. Universidad Politécnica de Guanajuato. Avenida Universidad Norte s/n, Juan Alonso Cortázar, Gto. Resumen La implementación de calentadores solares para el calentamiento de agua comienza a tener un mayor auge en nuestro país por el alto costo de los combustibles fósiles, estos dispositivos reducen hasta un 80% el uso de estos combustibles, reflejando así no solo un ahorro económico sino también un menor daño ambiental. En el mercado existen dos tipos de calentadores solares; los de tubo al vacío que alcanzan temperaturas hasta de 00 C y los calentadores planos que alcanzan temperaturas de 80 C. Actualmente la adquisición de estos calentadores solares resulta un tanto difícil, ya que por ser considerados nueva tecnología su costo es elevado. El principal objetivo fue la elaboración de un calentador solar plano de bajo costo,para esto los materiales con lo que se construyó son reciclados, buscando siempre que la eficiencia de este, sea equivalente a los comerciales. En esta primera etapa se realizóuna evaluación tanto teórica como experimental al colector de placa plana para determinar las pérdidas de calor que podrían presentarse y así Palabras clave: calentador solar, colector de placa plana, materiales reciclados. Introducción. El calentamiento de agua constituye un gasto energético importante en el hogar teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios referentes a este consumo. En general se considera que un consumo medio típico es del orden de los 40 litros al día por persona. En los países en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del gasto de energía de un hogar, este porcentaje es mayor que en los países desarrollados, donde el consumo de energía para producir agua caliente sanitaria, se supone del 6% del consumo total de la vivienda []. A nivel mundial, se ha convertido en el segundo uso energético doméstico en importancia después de la calefacción y la refrigeración. Por esta razón, el calentamiento de agua mediante energía solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una tecnología económicamente atractiva y competitiva en muchos países. En los últimos años se está produciendo un aumento notable de instalaciones de energía solar térmica en el mundo; los avances tecnológicos permiten la fabricación de sistemas de mejor calidad, menor costo y la sociedad está concibiendo la necesidad de sustituir los combustibles fósiles. Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y transferir energía solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energía solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas de calefacción o para climatización de piscinas. Desde su primera invención, hace 0 años, se han desarrollado diversas formas de colectores solares térmicos, que van desde los colectores planos a los colectores parabólicos y helióstatos. Se estima que en todo el mundo, el área instalada de colectores solares supera los 58x0 6 m. En América Latina el uso de colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros países como los europeos y China []. Para calentar agua a temperatura media, para 44 Volumen 6 Número Abril Junio 04

2 calefacción de espacios y para procesos industriales, las aplicaciones más utilizadas son los colectores planos, en los cuales el área de la superficie absolvedora es la misma que el área total del colector; o tubulares, en los que el absorbedor se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vacío. Estos últimos pueden incluir, ya sea dentro o fuera del tubo, espejos cilindros-parabólicos para centrar la energía solar en el absorbedor. Temperaturas de 40 a 70 ºC son alcanzadas fácilmente por los colectores planos; el uso de superficies selectivas y reflectores junto a la retención de calor, hace que los colectores de tubos de vacío alcancen temperaturas significativamente más elevadas que van de 70 a 77 C. Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicación prevista y de acuerdo al clima del lugar en el cual va a estar emplazado. Con la finalidad de contribuir en el tema y siendo el colector de placa plana la parte en donde la energía solar incide de forma directa, se llevó a cabo el diseño y construcción de dicho colector (Fig. ) y su utilización en un calentador solar plano, como el que se muestra en la figura, fue construido de materiales reciclados, con la finalidad de disminuir hasta un 50%de su costo. Los materiales empleados para la construcción fueron, madera, aluminio, vidrio templado, lamina, tubo y conexiones de pvc hidráulico, pintura negra mate y unicel. Para la elección de la tubería se evaluaron tres distintos materiales: cpvc, cobre y latas de aluminio, los cuales fueron pintados de color negro y expuestos a radiación solar, las temperaturas obtenidas en los diferentes materiales son presentadas en la figura 3, en donde se observa que el aluminio presenta una ligera temperatura mayor que los otros materiales evaluados incluso sobre el cobre que presenta una mayor conductividad térmica, sin embargo las latas dealuminio al tener paredes más delgadas que la tubería de cobre aumenta la conducción de calor y se manifiesta en un ligero aumento de temperatura mayor que el de cobre. Figura. Colector de placa plana construido de materiales reciclados. Figura. Calentador solar de placa plana [3]. 45 Volumen 6 Número Abril Junio 04

3 Temperatura (ºC) Radiación (W/m ) Aluminio Cobre cpvc Radiación : 9:36 :00 4:4 6:48 Tiempo (h) Figura 3. Temperaturas obtenidas en la evaluación de distintos materiales y radiación solar. Primero se llevó a cabo la construcción de la base donde se ubica el vidrio, al ser de un automóvil y tener figura de trapecio estará definiendo la forma y dimensiones del colector, las medidas son.7 m. x.89 m. y con un ancho de 0.5m, formando así la cubierta del dispositivo. Las latas de Aluminio fueron unidas con silicón para altas temperaturas formando así pequeñas secciones de la tubería, posteriormente se acoplaron codos de pvc hidráulico de ½ in pues coincide su diámetro exterior con el diámetro interior de las latas, de esta forma la tubería adquiere una configuración en serpentín. La tubería está unida a la placa de lámina metálica utilizando abrazaderas constituidas con las mismas latas de Aluminio evitando así movimientos, dando mayor soporte y rigidez, para que la tubería no pueda separase. Con la finalidad de evitar pérdidas de calor por los lados y la parte de abajo del colector se colocaron hojas de unicel como aislante con un espesor de 0.05m que a su vez está cubierto por lámina tratando de mantener un equilibrio de temperaturas. Para los cálculos teóricos de pérdidas de temperatura es importante definir las características de los materiales. Espesor del aislante en el fondo y a los lados de 0.05 m. Distancia entre placa y cubierta 0.08 m. Emitancia de la placa de absorción (película selectiva) y del vidrio, 0. y 0.88 respectivamente. Inclinación del colector º. Temperatura promedio de la placa de absorción 70.0º C Altura del colector 0.6m. Conductividad térmica del aislante 0.06 W/m C. teniendo en cuenta las condiciones de temperatura y velocidad de viento promedio en lugar donde se instalara el colector, temperatura ambiente de 3.8 C y una velocidad de.8m/s. Para evaluar la pérdida global de calor se siguió la metodología establecida por diferentes autores acoplando las características de nuestros materiales [4-7]. Se determinó el coeficiente de pérdidas superiores considerando una temperatura promedio en la placa absolvedora de 70º C. utilizando la siguiente ecuación: Ut () hc, p c p c hw c a Se determinó el coeficiente convectivo. 46 Volumen 6 Número Abril Junio 04

4 hw v (.8).54W / m C () La temperatura promedio de placa Tp, suponiendo una temperatura de cubierta, Tc inicial, igual a 45º C (restando 30º C a la temperatura de placa). c c a Tc TsTc Ts Tc Ts Tc Ta (3) Se considera que la temperatura del firmamento Ts, es igual a la temperatura ambiente Ta, así la ecuación anterior se reduce a: Tc TsTc c a Ts (3.) c a 5.67x0 Después, p-c se calcula por la ecuación Número de Rayleigh W / m K Tp TcTp Tc p c (4) p c 5.67x0 p c 8 p c 0.99W / m K g TL Ra (5) va 9.8( ) Ra x x0 El número de Nusselt es el coeficiente convectivo entre la placa y cubierta K hc, p c Nu 3.38W / m K (6) L Se obtiene el coeficiente de perdidas 5 47 Volumen 6 Número Abril Junio 04

5 Ut W / m K Ahora se determina una nueva temperatura de la cubierta la cual es: Se calculó las pérdidas de borde e inferiores Ut Tp Ta Tc Tp K (7) hc, p c p c K 0.06 Ub.W / m C (8) L 0.05 El perímetro exterior fue usado para calcular las pérdidas del borde: Ue Ue K PGc L Ac (9) Finalmente el coeficiente global de pérdidas del colector es Conclusiones W / m UL Ut Ub Ue (0) UL W/m La finalidad de utilizar materiales reciclados fue disminuir costos y evaluar con un material diferente a lo que usualmente se utiliza, el cobre. Este material reciclado es de aluminio, donde las características de transferencia de calor son menores a las del cobre, sin embargo el espesor que se utiliza convencionalmente es mayor al utilizado en este proyecto y esta es una ventaja clara bien utilizada en la parte de conductividad del metal al fluido. El colector de placa plana es la parte esencial en un calentador solar, en esta parte del proyecto se evaluó la perdida de calor en dicho colector y presenta una buena eficiencia, sin embargo las pérdidas del colector se pueden reducir aún más al tener un mejor aislante, en una segunda etapa se evaluara y construirá el termo tanque, el cual se acoplara al colector, para determinar las pérdidas totales del sistema y por consiguiente su eficiencia global. C C 48 Volumen 6 Número Abril Junio 04

6 Agradecimientos. A la Universidad Politécnica de Guanajuato mediante el Programa de Fortalecimiento Institucional (PIFI), por su apoyo en la presentación de este trabajo en este foro. También a Juan Manuel Rojas Peña por su apoyo para realizar este proyecto. Referencias [] White Paper ISES (Internacional Solar EnergySociety)- Un Futuro Para el Mundo en Desarrollo Basada en las Fuentes Renovables de Energía. DieterHolm, D.Arch [] C. Placco. L. Saravia. C. Cadena. Colectores solares para agua caliente. INENCO, UNas CONICET. [3] [4] C. A. Flores barrios. M. M. Ruiz amelio Evaluación técnica y experimental de un colector solar plano instalado en la uam-i México, D.F. abril 005. [5] Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental Organización Panamericana de la Salud. Oficina Sanitaria Panamericana Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud. Teoría para el diseño de calentadores solares de agua. [6] C. Agustín. L. Martínez Díaz. V Sousa Santos. Cálculo de una instalación solar térmica y fotovoltaica. [7] A. C. González. P. A. Rodríguez Aumente. Diseño de una instalación solar térmica multipropósito para un edificio de viviendas en granada. *Corresponding author: omartinez@upgto.edu.mx 49 Volumen 6 Número Abril Junio 04