Estudio experimental de un termo eléctrico con energía solar en el clima de Costa Rica. Shyam S. Nandwani

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1 Estudio experimental de un termo eléctrico con energía solar en el clima de Costa Rica Shyam S. Nandwani

2 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN TERMO ELÉCTRICO CON ENERGÍA SOLAR EN EL CLIMA DE COSTA RICA Primera edición Enero, 12 Lima - Perú Shyam S. Nandwani PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 482 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El per sonal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 11 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL UN TERMO ELÉCTRICO CON ENERGÍA SOLAR EN EL CLIMA DE COSTA RICA Shyam S. Nandwani Laboratorio de Energia Solar Departamento de Fisica, Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica. E mail: snandwan@una.ac.cr Miembro: * Red Iberoamericana para las Aplicaciones Sustentables de la Energía Fotovoltaica (RIASEF/CYTED). Perú, * Proyecto: Nueva Tecnología en Cocinas Solares, NUTECSA/ CYTED, Portugal. * International Society for Solar Energy, ISES, Germany, * International Association for Solar Energy Education, IASEE, USA * Solar Cookers International, Sacramento, CA, USA, y * Associate Member, the Abdus Salam International Center for Theoretical Physics, Trieste, Italy. 1. INTRODUCTION: LA CASITA SOLAR. Un lado por falta del estudiantes y presupuesto, y por otro lado las consultas de públicos (principalmente residentes en lugares no electrificados o cabinas ecológicas en lugares turísticas) sobre usos de paneles solares para diferentes aplicaciones, dedico mi tiempo en la realización del proyectos sencillos y prácticos para fines utilización y divulgación con algo de investigación. Hemos tenido a una casita solar de m 2 (Foto 1), dentro del nuestro patio Solar de 1 m 2. Objetivo es que esta casa tenga la energía para todas las necesidades básicas, usando energía proveniente solamente de la Energía Solar. Estas necesidades pueden ser: Foto 1. Nuestro patio con la casita solar, y algunos artefactos. Energía Eléctrica: para Alumbrado, Ventilación, TV, Computadora, Reloj, Refrigeración, Bombeo de Agua, Cargar las baterías, Horno Micro Onda, Soldar cosas pequeñas, taladro etc. con o sin la presencia energía solar, Energía calórica: para, calentar agua, deshidratar frutas y verduras, plantas medicinales; purificar agua, preparar café/té y mantener caliente y cocinar los alimentos (con o sin la presencia del sol).

6 Fotos 2 muestran diferentes otros artefactos, para la casita solar con reguladores y baterías instalados en la Casa. Haciendo las conexiones apropiados, tenemos enchufes de 12VDC, 24VDC, 11 VAC (usando inversor) y hasta algunos enchufes libres (sin batería o regulador etc.) para estudiar un panel solar nuevo de cualquier voltaje. Aunque para las aplicaciones térmicas es recomendable (por razones económicos y rendimiento) aprovechar sistemas térmicas (colectores normales) que convierten energía solar directamente en energía cálorica, (Ref. 1 y 2) pero tiene inconveniencia de no poder usar en tiempo no soleado. Por lo tanto para algunas aplicaciones como preparar o/y calentar café/ te o cocinar pequeña cantidad de comida, se puede usar paneles solares y almacenar la electricidad en las baterías y convertir en energía calórica, a la hora de usar. A la hora de diseñar la casa se tomo en cuenta su ubicación/ orientación y ángulo del techo. Otro lado tiene sistema para recoger agua pluvial, colectado sobre el techo. Después analizare la calidad de agua con la posibilidad de usar en las baterías. En este articulo solo se informará un artefacto Termo eléctrico, para preparar calentar café/té a través de las conversiones, Solar- Eléctrico - Calor. 2. CALENTAMIENTO DE AGUA EN TERMO ELECTRICO (ELECTRO FLASK, 12 V). Heated Thermal Bottle VECTOR (VEC 217) - Como esta mostrada en la Foto 3. Es un termo de 12 VDC, venden para calentar una bebida por la batería del carro (a través de encendedor de cigarrillo) o mantener caliente por un tiempo. Fotos 2. Algunos juegetes utiles- funcionado con energia solar Foto 3. Termo eléctrico (12 VDC)

7 Características como informado por fabricante: Fig. 1a. CALENTAR AGUA EN TERMO- ELECTRICO POR UNA BATERIA (12 V, 12 Amph) 5 cc de Agua, ( I =.8-.9A), 1 de Junio del 2. Fv12a.xls. Temperatura máxima esperada: Corriente durante calentamiento: Corriente para mantener temperatura: Fusible recomendado 65 C, 3.5 A 1.2 A 1 A 12,7 12,6 12,5 7 5 Hemos calentado agua en este Termo por diferentes formas: Voltaje (V) 12,4 12,3 3 Temp. Agua ( C) 2A: BATERÍA CARGADA. 12,2 Hemos usados dos Multimétros, uno para medir corriente DC y otro para medir Voltaje DC. Llenamos termo Eléctrico con ½ l (5 cc) de agua y medimos diferentes variables. Temperatura de agua fue medida por el Dial Stem Termómetro al mitad del Termo. 2Ai. BATERÍA 12V, 12 Ah., Power PS Sonic 121, He estudiado durante los días 5 y 1 de junio del 2. Pero informamos resultados para el día 1 de junio del 2. Foto 4. 12,1 12 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 12:45 13: 13:15 13:3 13:45 14: 14:15 14:3 14:45 15: 15:15 15:3 15:45 16: Hora Local --> hr Voltaje Bate. (V) Temp. Agua ( C) Total energía Qs suministrada por batería = = ΣPi * t = Σ(Vi * Ii)* t = W *.25 hr = Wh Otro lado, Energía útil para calentar agua, Qu = M.Cp. (Twf Twi) =.5 * 1 * (62-26) Kcal = 18 Kcal, =.93 Wh 1 Rendimiento η (elect. - Calor) = Qu/ Qs =.93/57.75 = 36.24% TERMINE EL EXPERIMENTO. Desconecte Batería. Empeze Medir la baja en la temperatura en Agua (Enfriamiento) del 16:45 al 23:3. Grafico del Tw vs Hora esta mostrado en la Figura 1b. Fig. 1b. Enfriamiento de Agua (5 cc) en Termo Electrico 1 de Junio del 2, fv12b.xls 55 Foto 4. Termo eléctrico funcionado con la batería Gráfico del voltaje del batería (V) y temperatura del agua (Tw) vs tiempo local están mostrado en la Figura 1a. Corriente I, durante este periodo (medido pero no gráficado era entre.75 y.9 A. La temperatura del agua alcanzo hasta 62 C, y la temperatura ambiente era entre C. Temp. Agua C Rendimiento del sistema: Usando corriente, Ii y Voltaje Vi, medidos cada 15 minutos (.25 hr), podemos calcular la potencia correspondiente, Pi. 16:45 17: 17:15 17:3 17:45 18: 18:15 18:3 18:45 19: 19:15 19:3 19:45 Hora Local -- hr Temp. Agua ( C) CALCULO del COEFICIENTE DE PERDIDA DEL CALOR DEL TERMO, UL. : :3 21: 21:3 22: 22:3 23: 23:3 24:: Para esto usamos la formula estándar: (S UL (Tpf Ta)) / S UL (Tpi Ta) = exp (- Ac * UL * t / (mc)e)

8 donde S es la energia suplida (sea por Sol o otra fuente), UL = Coeficiente total de perdidad de energia, W/m2 C. Tpf = Temperatura final ( C), después del tiempo t Tpi = Temperatura inicial ( C) Ta = Temperatura ambiente ( C) Ac = Area de la superficie del recipiente, T = tiempo, durante cual se perdio la temperatura, (s) (mc)e = capacidad termica del agua (y estrictamente también el recipiente). (J/ C) Ahora en el caso especial de enfriamiento, S =, (Tpf Ta) / (Tpi Ta) = exp (- Ac * UL * t / (mc)e) Tpf = Ta + {(Tpi Ta) * exp (- Ac * UL * t / (mc)e)} Se puede deducir, UL = {(mc)/ac t} * ln {( Tpi- Ta)/ (Tpf Ta)} En nuestro caso, Por lo tanto Area lateral (de mayor perdida), Radio del recipiente = 3.85 cm y altura del recipiente = 17 cm, por lo tanto, Área del superficie = Ac = 2* Π * R * H = 411 cm 2 =.411 m 2. (mc)e= (solo masa de agua)=.5 kg * 4.2 (kj/kg C) = 21 J/ C. Podemos dividir los datos en dos segmentos, primera mitad y completo. A. Ti = 57 C (16:45 hr) Tf = 41 C (19:3) t = 165 * s, Ta about 24 C. UL = {(mc)/ac t} * ln {( Tpi- Ta)/ (Tpf Ta)} = 3.42 W/m 2 C. Temp.Agua (C) agua alcanzo hasta 8ºC. Además comparando con el batería de 12 Ah, durante el periodo del 4 horas, temperatura alcanzo al 57.5 y 69 ºC, respectivamente. Como en el caso anterior, he calculado el rendimiento del termo de nuevo, y resultado (Rendimiento η elect.- Calor) fue de Qu/ Qs = 3.6%. Vol. Bat. V 12,7 12,65 12,6 12,55 12,5 12,45 12,4 Fig. 2a. Calentar Agua (5 cc) en Termo-Electrico, por una Bateria 12 V, 15 Ah (I= A), fv132.xls 1:15 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 12: 12:3 13: 13:3 14: 14:3 15: 15:3 16: 16:3 17: 17:3 18: Hora Local --> hr Voltaje Bateria (V) Temp. Agua ( C) La Figura 2b muestra la comparación del calentamiento agua por bateria de 12 Ah (1 de junio) y 15 Ah (13 de junio) Fig. 2b. Calentamiento de.5l de Agua por baterias de 12Ah(1/6) y 15 Ah(13/6) Temp. Agua C B. Ti = 57 C (16:45 hr) Tf = 3 C (24:) t = 435 * s, Ta about 22 C. 1 UL = {(mc)/ac t} * ln {( Tpi- Ta)/ (Tpf Ta)} = 2.84 W/m 2 C.,25,5,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 4,25 4,5 4,75 5 5,25 Tiempo (hr) Tag/bat12Ah Tag/bat15Ah 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 arfvmper.xls 2Aii. BATERIA GRANDE SOLTECA (12 V y 15 Ah). Medio litro de Agua. He realizado experimentos durante 12 y 13 de junio del 2. Solo informamos los resultados para el día 13 de junio del 4 (del 1:15 al 18: hr.). Grafico del Vb (Voltaje del batería) y Tw (temperatura del agua) vs Tiempo esta mostrado en la Figura 2a. Corriente tiene valor del Amp. (medido pero no reportado). Temperatura de Vale la pena mencionar que: a. agua (.5l) calentada por batería grande (15 Ah) alcanzo mayor temperatura (79.5 C), en comparación con calentado por batería pequeña (temp C con bateria de 12 Ah), en el mismo periodo (5 hr), b. En el mismo 5 horas, temperatura de agua alcanzo hasta 61.5 y 73.5 C, respectivamente con batería pequeña y grande.

9 c. aunque ambos baterías tenia mismo voltaje inicialmente (12.6 V), después de cinco horas la batería grande tenia voltaje de 12.5 y la pequeña de 12.1 V. 2B. BATERIA GRANDE (15 mah) PERO AL MISMO TIEMPO CARGANDO LA BATERIA CON UN CARGADOR ELECTRICO (2 Amp)- SIMULACION COMO EN UN CARRO NORMAL , 5 cc de agua, datos medidos del 9:45 al 18: hr. Grafico del Voltaje del batería (V) y Tw (Temp. de agua) vs Hora local esta mostrado en la Figura 3. Durante este periodo Intensidad de corriente era entre.8-.9 Amp. Foto 5. Termo eléctrico funcionado con panel solar: Este panel del Arco solar tiene 33 celdas (11 X3), con diámetro de 1 cm de cada uno. área de cada celda = *(5 cm) 2 = 78.5 cm 2 =.785 m 2. área total de panel (33 celdas) =.259 m 2. 13,1 13,75 Fig. 3. alentar Agua (5 cc) Con Una Bateria /12V, 15 Amph), la Cual esta Cargando tambien Con Una Cargador Electrico. (I=.8-1. Amp), fv12.xls Temp. Agua ( C) 1 9 Panel era inclinado (1 grados del horizontal) y Intensidad Solar era medida sobre esta superficie. Cantidad de agua calentada era 5 cc. Datos fueron medidos entre 9:3 al 12:3 hr. Empezó LLUVIA y terminado el experimento. Voltaje (V) 13,5 13, , La Figura 4a muestra la variación del Intensidad Solar y Temperatura del agua dentro del Termo. Se puede observar que aunque día no era muy soleado, la temperatura de agua llego cerca de 7 C, en 3 horas. 12,95 Fig. 4a. Calentamiento de Agua (.5l) por UN Panel FV, (arfvgper.xls) 12, ,2 8 12,9 9:45 1: 1:15 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 12:45 13: 13:15 Hora Local -- hr 13:3 13:45 14: 14:3 15: 15:3 16: 16:3 17: 17:3 18: 1 7 Volt. Bat.(V) Temp. Agua ( C)),8 Se puede ver que la batería esta cargada siempre (cerca del 13V). Comparado con el caso anterior (Fig. 3a), aquí dentro de mismo 5 horas, temperatura de agua alcanzo 69 ºC, pero máxima temperatura alcanzo 8ºC después de 8 horas. Int.Sol (kw/m2),6,4 5 Temp. Agua (C) 4. SOLO EL PANEL SOLAR: En este experimento agua dentro del termo fue calentado no por batería sino directamente conectando Panel Solar (SIN BATERIA Y Sin Regulador). Los datos fueron medidos durante diferentes días. Informare algunos resultados.,2 9:3 9:45 1: 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 Hora Local (hr) Rad. Sol.(kW/m2) Tag.(C) 3 4A. SOLO UN PANEL SOLAR, Panel Solar (Arco). FOTO 5. La Figura 4b muestra la variación del Voltaje producida por el panel y corriente pasando a la resistencia, con el tiempo.

10 Fig. 4b. La Variacion del Voltaje y Corriente pasando por un Termo Electrico (5 cc de agua), Calentado por Un Panel Solar, (fvtermele212.xls). Fig. 5a. CALENTAMIENTO DE AGUA (5 cc) CON Dos Paneles Solares..7.2 (fv72a.xls) 17 1, , , Voltaje --> V 13 12,9,8 Corriente--> Amp. Voltaje (V) Corriente (A) Tw ( ºC ) H ( W/m 2 ) 11,7 1,6 9 9:3 9:45 1: 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 Hora Local --> hr,5 9:45 1:15 1:45 11:15 11:45 12:15 12:45 13:15 13:45 HORA LOCAL fv72a Tw ( ºC ) H ( W/m2) Para tener alguna idea del rendimiento del sistema, podemos calcular la Energía Incidente y Energía útil. Energía Util, Qu =.5 kg (7-26) ºC * 1 Kcal/Kg. ºC = 22 Kcal = 25.6 Wh. Energía incidente/ suministrada responsable para calentamiento de agua, se puede medir por el piranometro e integrador, Qss = 1971 wh/m2 *.259 m2 = 51.5 wh ηsec = Rendimiento solar- eléc..- caloric = 25.6/51.5 = 5% 19 Día era mas soleado y agua alcanzo 73.5 ºC, en menos de 3 horas y también temperatura máxima alcanzo 79 ºC, en menos de 4 horas. La variación del Voltaje del panel y corriente pasando en resistencia vs Hora local esta mostrado en la Figura 5b. Fig. 5b. La variacion del Voltaje y Corriente en un Termo Electrico (.5l de agua), calentado por Dos Panel Solares (64 Wp, c/u), (fvtermele72c) 1,3 4B: DOS PANELES SOLARES: (De INDIA, 12 V, 64 Wp, c/u), conectado en paralelo. Cantidad de Agua = 5 cc. área de cada celda = 3.14 X (5 cm) 2 = 78.5 cm 2 =.785 m 2. No. de celda por panel = 36 área de Un Panel (36 celdas) =.785 X 36 =.2826 m 2. Area de Dos paneles en Paralelo (72 celdas):.785 X 72 =.5652 m 2. Voltaje --> V 18,6 18,2 17,8 17,4 17 9:45 1: 1:15 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 12: 12:15 12:3 12:45 13: 13:15 13:3 Hora Local --> hr 1,2 1,1 1,9,8 Corriente --> A Voltaje (V) Corriente (A) Hemos medidos los datos durante 21 y 28 de junio y 2 de julio del 2. Informamos solo para el día 2 de julio del 2. (9:45-13:45). En la mañana, del 9:45 al 12: md, el Panel Solar estaba hacia al este del 12: al 13:45 estaba hacia al Oeste (Aprox. 15 grados del Horizontal). Intensidad solar (H) era sobre superficie del Panel. La variación del H vs Temperatura de agua (Tw) vs Hora local esta mostrado en la Figura 5a. Energía Util Qu =.5 Kg X 1 (Kcal/ Kg ºC) * (79-26) = 26.5 kcal.= 3.8 Wh. Energía incidente/ suministrada responsable para calentamiento de agua, se puede medir por el piranometro e integrador, Qss = (del 9:45 al 13:3) = 2 * (2867- ) Wh/m2 X.2826 m2 = 16.4 Wh. ηsec = Rendimiento solar-elec.- caloric = 3.8/16.4 = 1.9%.

11 8 ENFRIAMIENTO: Desconecte estos paneles solares, y dejamos enfriar el agua (dentro de la oficina), del 14: al 17: hr. La variación del Tw vs Hora local esta mostrado en la Figura 5c.Como antes hemos calculado UL = 3.36 W/m 2 ºC. Fig. 5c. Enfriamiento de agua en un Termo Electrico (fv72b) para pasteurizar etc., utilizando energía solar directo o a través de almacenado en la batería (12V). Hemos usados baterías de 12 Ah, 15 Ah, un panel solar (5 Wp) y dos panel solares (1 Wp). En el caso de batería, aunque proceso de calentamiento es lento, sin embargo alcanzo máxima temperatura del agua, entre 61.5 y 79.5 ºC en lapso del 5 al 7 horas. Rendimiento de la conversión (Eléctrica- cálorica) varia entre 3-36%. Tw ( ºC ) En el caso de panel solares, el proceso, aunque depende de cantidad de radiación solar, es relativamente menos lento. Con un panel solar (5 Wp), la temperatura de agua alcanzo a 7 ºC y 74 ºC, con uno y dos paneles respectivamente, en menos de 3 horas. Rendimiento de la conversión (solar- Eléctrica- cálorica) varia entre 2 al 5%. Temp. de Agua --> C fv72b 14: 14:3 15: 15:3 16: 16:3 17: HORA LOCAL Tw ( ºC ) La Figura 6 muestra una comparación muy útil indicando la temperatura de agua (.5l) calentado en termo Eléctrico por diferentes medios (ya mencionados anteriormente): Solo batería de 12 Ah (1.6.2) Solo batería de 15 Ah (13.6.2) Batería de 15 Ah pero cargando simultaneo con cargador eléctrico, (14.6.2) * Usando UN panel solar (21.6.2). * Usando DOS paneles solares conectados en paralelos (2.7.2). Fig. 6. La Variacion del Temperatura de Agua (5 cc) calentado en Termo Electrico, por diferentes formas, 2. Fvtermelele2.xls) Tiempo--> hr Resultados en principios son obvios. Bat. 12Ah Bat. 15Ah Bat.15 Ah+ Cargador Elec. Un Panel Solar Wp Dos Panel Solares,64Wp,c/u CONCLUSIONES: El objetivo del estudio era calentar pequeña cantidad agua (5 cc) sea para hacer café o te o Conociendo la baje en la temperatura de agua con el tiempo, hemos medido (teórico/ experimental) coeficiente total de perdida del calor, U L, del Termo Eléctrico estudiado, tuvo variación entre W/m 2 ºC. Como un artefacto más dentro de una casita solar, para calentar una cantidad de agua para pasteurizar, hacer café etc, es justificable. REFERENCIAS: 1. My twenty years of experience with Solar Cooking in Costa Rica- Satisfaction and Frustrations, Shyam S. Nandwani, Conference on World Solar Cooking and Food Processing Strategies and Financing, Varesse, Italia, 3 al 6 de Octubre del pp Soluciones Técnicas, Shyam S. Nandwani, Capitulo 3 del libro de Cocción Solar. Red Iberoamericana de Cocción Solar de Alimentos, RICSA/CYTED, pp. 1-35, 2, ISBN AGRADECIMIENTO: Autor agradece al, Embajada de la India, por donar varios paneles solares y algunos artefactos para usar en la casita solar, al Red Iberoamericana de Aplicaciones Sostenibles de Energía Fotovoltaícas (RIASEF/CYTED) por invitar mi en las reuniones, para compartir experiencia en Aplicaciones Fotovoltaicas. Mayor parte del análisis de los datos se hizo en el Centro the Abdus Salam International Center for Theoretical Physics, Trieste, Italia, donde fu invitado para 3 semanas, como Senior Associate Member. Agradezco el Centro, por el apoyo brindado.

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