92 Desarrollo de un sistema de calefacción de ambientes mediante colectores solares y tubos al vacío Omar Ormachea oormachea@upb.edu Dante Loza dantor_2@hotmail.com (Universidad Privada Boliviana, Centro de Investigaciones Ópticas - CIO) Resumen. El presente trabajo de investigación, consiste en el diseño y construcción de un sistema de concentración de energía solar térmica, mediante colectores de geometría circular de bajo costo, para el calentamiento de agua, el líquido calentado es utilizado como elemento termo-regulador para la calefacción de ambientes en nuestra institución académica. El uso de los colectores solares permite la reducción de la cantidad de tubos al vacio para el calentamiento de volúmenes de agua predeterminados. La eficiencia del sistema construido es comparable a un sistema comercial de 15 tubos al vacio que calientan 100 litros de agua a une temperatura promedio de 70oC, el sistema desarrollado utiliza solo 3 tubos al vacio con la misma eficiencia, lo cual implica la reducción de costos en la parte de recolección solar. Palabras-clave: Energía solar térmica, concentración solar.
93 1. INTRODUCCIÓN El acceso a la energía es de vital importancia para el desarrollo de un país, más aún si es un país en vías de desarrollo. Bolivia es uno de los países con el consumo de energía e ingreso per cápita más bajos en Latinoamérica y con un uso de energía muy desproporcional entre el área urbana y rural. La universalización del acceso a la energía eléctrica, en particular, es un objetivo generalizado en el mundo, se estima que 1.600 millones de personas no cuentan con los servicios básicos de electricidad para satisfacer sus necesidades, como iluminación, calefacción, refrigeración y peor aún para emprender procesos productivos o actividades relacionadas con la salud, educación, trabajo, entre otras. Simposio Nacional de Energias Renovables Figura 1- Distribución anual de la radiación solar global (Lucano et al. 2010), para el Departamento de Cochabamba. La participación de energías alternativas en la matriz energética del sector eléctrico en Bolivia es todavía muy reducida, debido al predominio en la generación de electricidad que utiliza fuentes fósiles e hídricas a gran escala mayores a 2 MW, ambas consideradas como convencionales. Por otro lado, Bolivia cuenta con un gran potencial energético para la generación de energía eléctrica mediante fuentes alternativas, entre las cuales podemos mencionar la energía solar, debido a la posición geográfica privilegiada de sectores importantes del país. En relación con Europa, Bolivia recibe más del doble de radiación solar promedio, por encontrarse en la franja de territorio que a nivel mundial recibe mayor radiación solar. En la Fig. 1. se muestra la distribución promedio de radiación solar global para el departamento de Cochabamba. Considerando un día solar de 8 horas, el promedio anual es de 680 W/m2, teniendo niveles de radiación máximo de 787.5 W/m2 y mínimo de 556,25 W/m2. La mayor parte del total de energía consumida en una vivienda se realiza para el calentamiento de agua y la climatización de ambientes (Duffy y Beckman, 1991). El uso de sistemas de calefacción no es común en Bolivia, sin embargo, un tercio del territorio nacional se encuentra cerca a los 4 mil m.s.n.m en la denominada zona Andina con temperaturas muy bajas principalmente en invierno. Una aplicacion de calefaccion domiciliaria tendría como consecuencia elevar significativamente el consumo de energía en una vivienda convencional. Los dispositivos solares más comunes y disponibles en nuestro medio para aprovechar la energía solar térmica, son los colectores solares planos y los paneles de tubos al vacío. Ambos equipos tienen un costo elevado respecto al poder adquisitivo de la población boliviana, debido a esta situación se vio la necesidad se diseñar un mecanismo solar más efectivo, basado en concentración solar, con un impacto en el valor económico del componente colector gracias a la utilización de materiales baratos disponibles en el medio local para su construcción.
94 2. RESULTADOS EXPERIMENTALES Se experimentó con distintos dispositivos solares hasta llegar a un prototipo final que consiste en la aplicación de colectores solares semicirculares y tubos al vacío. La importancia de la utilización de los colectores solares planteados en el proyecto, es que al emplearlos se reduce la cantidad necesaria de tubos al vacío para el calentamiento de un determinado volumen de agua. El agua caliente obtenida puede ser utilizada para uso sanitario o para el calentamiento de un ambiente. Figura 2- Esquema de diseño del colector semicircular(a), I0 - intensidad de radiacion incidente. Fotografia del colector solar de geometria circular construido y soporte de aluminio (b). 2.1. Caracterización óptica de los concentradores circulares Se realizó la caracterización óptica del foto-reactor, que es básicamente un concentrador semicircular (Escalera et alt. 2011). En la figura 2 se representa el esquema transversal. Como material para la construcción de los colectores solares se utilizó calamina plana No30 de 1 m 2, se le dio forma circular con perfiles de aluminio de 2x5 mm, los cuales están sujetos a perfiles del mismo material de 25x25 mm. La calamina fue recubierta por papel adhesivo reflectante también de Al de 1 m2, la reflectancia de este material en el rango 400 1000 nm es en promedio de un 90%. La potencia real recibida por los tubos al vacio dependen de la geometría del colector y de los parámetros de reflexión del Al y la pared externa del tubo al vacio. (1) Donde: I 0 Intensidad solar incidente, A 0, A 1 - Área perpendicular a la radiación incidente, R Al Reflectancia del Al, T tubo Transmitancia de la pared externa del tubo, causada por reflexión, - Potencia recibida por el tubo bajo concentración. La intensidad recibida dentro del tubo será: (2) Estos parámetros fueron medidos experimentalmente en circunstancias reales al medio día y en días claros sin nubes. Los resultados se presentan en la Tabla 1. Tabla 1. Datos experimentales para la determinación de la potencia real recibida.
95 Con la ayuda de un láser, se definió experimentalmente que el perímetro efectivo en la configuración elegida con radiación solar incidente perpendicular es aproximadamente: (3) Utilizando la Ec. (1) y los datos experimentales de la Tabla 1., se obtiene la siguiente relación para la intensidad solar recibida dentro del tubo: (4) La relación entre el tubo con el colector y el tubo libre será: (5) donde: De la Ec. (5) se tiene: Utilizando (2) se obtiene: = potencia recibida por el tubo sin colector. (6) (7) Simposio Nacional de Energias Renovables que se puede interpretar como la irradiación de 10.4 soles debido a la influencia del colector. En Cochabamba, donde se realizaron las mediciones, el promedio anual de radiación solar es 680 W/m2, obteniéndose una intensidad solar efectiva promedio de, debido al colector implementado. 2.2 Implementación del sistema de calefacción solar Se diseño y construyo un sistema de calefacción para un ambiente de oficinas del campus de Cochabamba de la Universidad Privada Boliviana (latitud 17 22 50.8 S y longitud 66 09 37.3 a 2558 m.s.n.m.). El sistema consiste en una red cerrada de agua que circula por los colectores para luego ser almacenada en un termotanque de 100 litros. Para el calentamiento de este volumen de agua se requieren 3 colectores solares, alcanzando una temperatura aproximada de 70 C. Figura 3- Incremento de temperatura de un colector, en función del tiempo. Los colectores solares están orientados hacia el norte ya que la localización está ubicada en el hemisferio sur y tienen una inclinación de 30. El ángulo adoptado por el proyecto esta optimizado para la época de invierno entre los meses junio a agosto, el área total de recolección efectiva de los 3 módulos es de 2.21 m 2. Los tres colectores y el termotanque se encuentran ubicados en la azotea a una altura aproximada de 15 m. El agua circula atreves de los colectores y es almacenada en el termotanque mediante una circulación por convección. El agua caliente almacenada en el tanque, es trasportada mediante una bomba de agua de ½ HP de potencia, hacia un radiador ubicado en el ambiente elegido para la calefacción.. Se tomaron medidas de aislamiento en las tuberías empleando cobertores de plastoformo, igualmente se tomo previsiones de aislamiento en el ambiente poniendo doble vidrio a las ventanas para evitar las perdidas térmicas a través de las ventanas.
96 3. CONCLUSIONES Figura 4- Fotografía del sistema de recolección solar térmico instalado. En el presente trabajo se caracterizaron concentradores solares ópticos de geometría circular, además se construyó y diseño un sistema de calefacción de ambientes en nuestra institución académica. Los módulos de recolección construidos, permiten incrementar la intensidad solar y efectivizar el proceso de intercambio de calor con los tubos al vacio. La aplicación de los colectores solares permiten reducir de manera sustancial la cantidad de tubos al vació en un factor de 5 para 100 litros de agua, reduciendo los costos de construcción del sistema de recolección solar. Agradecimientos Los autores agradecen a SWISSCONTACT proyecto eco-vecindarios, por el apoyo económico para el desarrollo de este trabajo de investigación. REFERENCIAS Lucano M. J. y Fuentes I. E. (2010). Evaluación del potencial de radiación solar global en el departamento de Cochabamba utilizando modelos de sistemas de información geográfica e imágenes satelitales. Revista Boliviana de Física 16, 13-21. Duffie J.A. and Beckman W.A. (1991) Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd edn. pp. 54-59. Wiley Interscience, New York. Escalera R., Ormachea O., Casanovas N., Ormachea M., Huallpara L. (2011). Remoción de arsénico asistida por oxidación UV solar (RAOS) en foto-reactores tubulares de sección semicircular cinética del crecimiento de flóculos de Fe(OH)3. Investigación & Desarrollo 11, 37-45.