INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA. Diseño y Construcción de un Calentador Solar de Placa Plana

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA. Diseño y Construcción de un Calentador Solar de Placa Plana Cruz T. García M.C. (ITS Tepeaca) e-mail: gatopardo_72@hotmail.com Volumen 1. Número 3. Recibido: Septiembre 2010. Revisado: Octubre 2010. Publicado: Noviembre 2010. 145

Diseño y Construcción de un Calentador Solar de Placa Plana Cruz T. García M.C. (ITS Tepeaca) e-mail: gatopardo_72@hotmail.com Volumen 1. Número 3. Resumen. En este artículo presentaremos el diseño y construcción de un sistema denominado: Calentador Solar de Placa Plana. Se ha desarrollado en el instituto Tecnológico Superior de Tepeaca; forma parte de los proyectos que permiten el ahorro y aprovechamiento de energía. Me muestra la metodología empleada, la justificación matemática de los sistemas que lo componen; así como una metodología de construcción del mismo. Palabras clave: Sistema, calentador de placa plana, energía 146

1. Introducción El crecimiento poblacional desmedido es en esencia el principal causante de los problemas que agobian a la humanidad. Contadas comunidades logran establecer un equilibrio estable en su desarrollo. En nuestra comunidad y en nuestro país, los habitantes y las autoridades no han sido conscientes de la existencia y el peligro de los problemas fundamentales actuales y por lo tanto parece que no están dispuestos a enfrentarlos con seriedad y decisión, por lo que es previsible algún no muy lejano y serio colapso. Son muchos los problemas, pero algunos ya rebasan límites aceptables y demandan con urgencia la participación multidisciplinaria especializada para resolver varios de sus aspectos. Basta mencionar tres condiciones verdaderamente prioritarias, para lograr un sano desarrollo del país: alimentos, agua y energía. La mayor parte de la energía del mundo se ha obtenido hasta ahora a partir de reservas fósiles de carbón y petróleo, pero al estar próximo su agotamiento, es preciso considerar su conservación y el empleo de otras fuentes. La historia muestra que desde hace siglos el hombre ha tratado de aprovechar la energía solar. Empero, solo hasta la década de 1970 es cuando se ha incrementado la investigación y el desarrollo de distintos sistemas para la captación y el aprovechamiento de la energía solar, la cual es abundante, universal, gratuita y no requiere transporte. Para utilizar la energía solar se requiere un colector solar. Un colector solar es un dispositivo que sirve para captar la radiación solar y convertirla en calor utilizable. Actualmente hay varios tipos de colectores en uso. Los tres tipos más comúnmente usados son el colector de placa plana, el colector de tubo evacuado y el colector concentrador. El siguiente proyecto pretende demostrar una hipótesis que se plantea desde el principio del proyecto, para lo cual se llevará a cabo una serie de actividades, experimentos, pruebas y trabajos que nos permitirán demostrarla. La idea fundamental del proyecto es construir un calentador solar diferente a los que comúnmente conocemos y que su precio actual en el mercado es muy elevado. Para la construcción de dicho calentador se optó por considerar tres tipos básicos de colectores solares, los cuales son: a) colector solar de placa plana, b) el colector de tubo evacuado y c) el colector concentrador. Estudiando las características de cada colector, surgió la idea de construir un tubo colector similar al tubo evacuado. Lo innovador y auténtico de nuestro proyecto es que el material que se utilizó para elaborarlo fue material reciclable y de fácil adquisición para su elaboración. Claro está que se utilizaron diferentes materiales para probar cual nos daba mejores resultados en cuanto a lo que queremos lograr. Dentro del material que se utiliza para poder construir nuestro calentador destacan: manguera negra, uniones T, botellas de plástico PET, contenedor de agua, etc. La construcción de nuestro calentador se resume en un diagrama de flujo que se encuentra en la parte de grado de innovación u originalidad. 147

Debido a un previo análisis de viabilidad y factibilidad nos dimos cuenta de que la construcción de nuestro calentador podía llevarse a cabo y con ello nos dimos cuenta de que efectivamente nuestra hipótesis fue probada. Con la elaboración del proyecto se pretendía que nuestro colector solar alcanzara temperaturas con la cual la gente pudiera utilizar esa agua para satisfacer algunas necesidades, tales como bañarse entre otras. La temperatura máxima alcanzada en nuestro colector solar fue de 78 o C y la mínima fue de 45 o C, como podemos darnos cuenta es una temperatura bastante buena para el consumo humano y con estos resultados estamos logrando la hipótesis propuesta al principio del proyecto 2. Justificación El elevado costo de los combustibles en nuestro país y por lo tanto en nuestra comunidad es una de las razones principales que ha motivado la realización de nuestro proyecto. La tecnología para calentar agua para bañarse, ya empieza a introducirse en el mercado, pero aún no se ha difundido ampliamente en nuestra comunidad y la existente es aún cara para la mayoría de las personas. Con nuestro colector queremos calentar agua para que la gente la use en el hogar para bañarse en primera instancia. Queremos desarrollar una tecnología que sea eficiente, barata y de fácil construcción (incluso por la propia gente), y ahorrarle dinero y energía a nuestro pueblo. 3. Radiación solar. El Sol es una de las estrellas del universo y con relación a la Tierra, es el cuerpo más importante del firmamento. A causa de su temperatura extremadamente alta, el Sol es totalmente gaseoso. El diámetro del contorno circular del sol es de cerca de 1392000 Km. La masa del sol es de aproximadamente 1.9x10 30 Kg (cerca de 332000 veces la de la Tierra). Los astrofísicos dividen generalmente la estructura del Sol en tres regiones: el núcleo del sol, la fotosfera y la atmósfera solar. El núcleo solar es la masa principal del Sol, se piensa que tiene una temperatura de varios millones de grados y una presión central de quizá de 1x10 9 atmósferas; aquí es donde se genera toda la energía que suministra el sol. La fotosfera es una capa delgada de gas que forma el contorno brillante del Sol, tanto la presión como la densidad son muy bajas en esta capa; la temperatura de la fotosfera es alrededor de 10000 ºF (5500 ºC). La mayor parte de la radiación térmica del Sol es emitida por la fotosfera. Encima de la fotósfera está la atmósfera solar, la cual está compuesta por la cromósfera y la corona. Ambas regiones de la atmósfera solar ofrecen poca resistencia a la radiación proveniente de la fotósfera y contribuyen muy poco a la radiación solar total. El planeta Tierra es aproximadamente esférico con un diámetro de aproximadamente 12740 Km. Efectúa una rotación alrededor de su eje cada 24 horas y completa una revolución alrededor del Sol en un período de 365.25 días aproximadamente. La densidad media de la Tierra es cerca de 5.52 veces la del agua. La Tierra gira alrededor del Sol en una trayectoria elíptica (casi circular) con el Sol en uno de sus focos. La distancia media de la Tierra al Sol es de aproximadamente 149000000 Km. El 1º de enero aproximadamente, la Tierra está en su posición más cercana al Sol, mientras que el 1º de julio aproximadamente, está en la más remota. 148

Debido a esto la Tierra recibe un 7% más de radiación en enero que en julio. El eje de rotación de la Tierra está inclinado 23.5 grados con respecto a su órbita alrededor del Sol. La posición inclinada de la Tierra tiene un profundo significado, pues junto con la rotación diaria y la revolución anual, gobierna la distribución de la radiación solar sobre su superficie, la longitud variable del día y la noche, y el cambio de las estaciones. 4. Intensidad de la radiación solar que incide sobre la tierra A la atmósfera terrestre llega una cantidad casi constante de radiación solar denominada constante solar y que es igual a 429.2 BTU/ ft 2 h (1353 W/m 2 ). Sin embargo, gran parte de esa energía se pierde en la atmósfera por absorción y reflexión a medida que pasa hasta la superficie de la tierra. Se puede perder entre 30 y 60 por ciento, dependiendo de la situación del lugar y del clima. Solamente llegan a la superficie entre 170 y 300 BTU/ft 2 h (536W/m 2 y 945 W/m 2 ). La pureza de la atmósfera, así como su contenido de vapor, polvo y humo, producen su efecto en la energía, lo mismo que el ángulo del sol. La cantidad relativa de radiación que recibe la Tierra disminuye cuando el sol se encuentra más bajo en el cielo.[3] La figura 1 muestra un ejemplo típico de la radiación solar que puede llegar a la superficie del colector en algún día del año: (a) La mayor parte de esta energía se compone de radiación directa (250 BTU/h ft 2, 788 W/m 2 ), la cual se compone de rayos paralelos que vienen directamente del sol. (b) En días brumosos y nublados, la mayor parte de la energía puede provenir de la radiación difusa (75 BTU/h ft 2, 236 W/m 2 ), la cual pasa a través de las nubes. (c) Cuando el sol está muy bajo, como ocurre en invierno, por la mañana o por la tarde, gran parte de la energía provendrá de la radiación reflejada (60 BTU/h ft 2, 189 W/m 2 ). Radiación Radiación Directa Difusa Radiación Colector Reflejada Figura 1. Los tres tipos de radiación solar que inciden sobre el colector. 5. Mecanismos de transmisión del calor Siempre que en un sistema existe una diferencia de temperatura se produce un flujo de calor. El calor es la energía que se transmite de la parte más caliente de un sistema a la parte más fría. Las unidades en que se expresa el calor pueden ser: Joules, Calorías y BTU. 149

Es costumbre clasificar los distintos procesos de transmisión del calor en tres modos o mecanismos básicos, si bien es cierto que con frecuencia a parecen simultáneamente. Los tres mecanismos se denominan: conducción, convección y radiación térmica. a) Conducción Térmica. El fenómeno de transferencia de calor por conducción es un proceso de propagación de energía en un medio sólido, líquido o gaseoso, debido al impacto de las moléculas adyacentes que vibran alrededor de sus posiciones medias. Así se transmite la energía térmica desde las moléculas de mayor energía cinética (mayor temperatura) a las de menor energía cinética (menor temperatura) sin que se produzca transferencia de masa. La ley que rige la transferencia de calor por conducción, es la ley de Fourier, que establece que: si tenemos una placa de superficie A y espesor Δx, con temperaturas T 1 y T 2 entre sus extremos (T 1 > T 2 ), (como se muestra en la figura 2), el flujo térmico o cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (perpendicularmente) a través de sus paredes ( q = Q / t ) es directamente proporcional a su área A transversal y a la diferencia de temperatura ΔT, e inversamente proporcional a su espesor Δx. Es decir: T 1 T 2 q A Δx Figura 2. Flujo de calor q por conducción. Figura 2. Flujo de calor q por conducción. q Q t k A T x ec. (1) donde: Q = calor transmitido (en Joules) t = tiempo (en seg.) 150

q = flujo de calor (en Watts = J/s) A = área transversal de la placa (en m 2 ) Δx = espesor de la placa (en m) ΔT = diferencia de temperatura (en ºK) k = conductividad térmica del material en W/mK a) Convección Térmica. En este modo la transmisión del calor tiene lugar en un fluido (líquido o gas) en virtud de movimientos macroscópicos de la masa del propio fluido. El movimiento del fluido puede realizarse por causas externas (por ejemplo, un agitador, un ventilador, una bomba, etc.), en cuyo caso el proceso se denomina convección forzada, o puede ser debido a diferencias de densidad creadas por diferencias de temperatura existentes en la masa del fluido, y entonces el proceso se llama convección natural o libre. Las leyes de la transmisión por convección son extremadamente complejas. Cuando un cuerpo caliente se enfría en el seno de un fluido, el flujo de calor depende de muchas causas: diferencia de temperatura entre el fluido y el cuerpo, velocidad del fluido; densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido; naturaleza, forma, dimensiones y orientación del cuerpo, etc. Si consideramos a una placa de material sólido de área A y temperatura superficial T s, sumergida por completo en un fluido más frío, cuya temperatura es T f, (como se muestra en la figura 3), se establecerá una corriente de convección en el seno del fluido. La observación experimental muestra que la velocidad a la cual el calor se transmite por convección es directamente proporcional al área de la placa y a la diferencia de temperatura ΔT entre la placa y el fluido; es decir: T f T f q q Corrientes de Convección Placa T s Fluido Figura 3. Flujo de calor q por convección. q C Q t h A T que es la ley de enfriamiento de Newton. ec. (2) 151

donde: Q = calor transmitido (en Joules) t = tiempo (en seg.) q c = flujo de calor (en Watts = J/s) A = área de la placa (en m 2 ) ΔT = diferencia de temperatura (en ºK) h = coeficiente de convección que se expresa en W/m 2 K. a) Radiación Térmica. La radiación térmica es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas por un material sólido, líquido o gaseoso, en virtud de su temperatura. La longitud de onda de la radiación térmica está comprendida aproximadamente entre 0.1 μm y 100 μm. La tasa a la cual un cuerpo emite energía térmica, según la ley de Stefan-Boltzmann es: directamente proporcional al área del cuerpo y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Es decir: P Q t e A T 4 ec. (3) donde: Q = calor emitido (en Joules) t = tiempo (en seg.) A = área del cuerpo (en m 2 ) e = emisividad del cuerpo 0 e 1 σ = constante de Boltzmann = 5.67 X 10-8 W / m 2 K 4 Cuando la radiación térmica incide sobre un cuerpo, parte de la radiación se refleja y parte se absorbe. Los objetos de colores claros reflejan la mayor parte de la radiación térmica (e 0), mientras que los objetos obscuros absorben la mayor parte (e 1). El absorbedor ideal es el cuerpo negro, para el cual e=1. La tasa con que un cuerpo absorbe radiación es igual a: P e A 4 a T m ec. (4) 152

donde T m = temperatura del medio ambiente. Si un cuerpo está a una temperatura T y su entorno a una temperatura T m ; como se muestra en la figura 4. cuerpo a temperatura T entorno a temperatura T m Figura 4. Absorción y emisión de radiación de un cuerpo con su entorno. Entonces, la potencia neta radiada por el cuerpo será igual a: P neta = P emitida P absorbida P neta = eσat 4 eσat 4 m = eσ A ( T 4 T 4 m ) ec. (5) 6. Ley de desplazamiento de Wien A temperaturas ordinarias (por debajo de 600ºC aproximadamente) la radiación térmica emitida por un cuerpo no es visible. A medida que aumenta la temperatura del cuerpo, crece la cantidad de energía que emite. Aproximadamente entre 600ºC y 700ºC emite energía en el espectro visible con un color rojo obscuro; al aumentar la temperatura, su color cambia gradualmente de rojo a amarillo hasta azul-blanquecino. En la figura 5 se muestra la potencia radiada por un cuerpo negro en función de la longitud de onda para diferentes temperaturas. Como se observa en la figura 5, a medida que la temperatura de un cuerpo aumenta, la longitud de onda a la cual la potencia emitida es máxima, disminuye; desplazándose hacia longitudes de onda más cortas, esto constituye la ley de desplazamiento de Wien. Este resultado se expresa a través de la siguiente relación. λ max = 2898 μmºk / T ec. (6) 153

donde: λ max = longitud de onda a la cual la potencia emitida es máxima (en μm) Figura 5. Potencia emisora de un cuerpo negro. T = temperatura absoluta del cuerpo (en ºK). 7. EL EFECTO INVERNADERO Cuando incide energía radiante q i (en W=J/s) sobre un cuerpo (como se muestra en la figura 6), parte de esta o toda puede ser reflejada, parte de ella o toda puede ser absorbida y parte o toda puede ser transmitida (puede pasar por el cuerpo, sin experimentar disminución). Donde: q i = radiación incidente (en J/s=W) q r = radiación reflejada q a = radiación absorbida q t = radiación transmitida 154

q i q r q a Figura 6. Reflexión, absorción y transmisión de radiación. q t Realizando un balance de energía en la superficie, se cumple que: q r + q a + q t = q i ec. (7) dividiendo la ecuación 7 entre q i, obtenemos: α + ρ + τ = 1 ec. (8) donde: α = q a / q i = absortancia (fracción de la radiación incidente absorbida) ρ = q r / q i = reflectancia (fracción de la radiación incidente reflejada) τ = q t / q i = transmitancia (fracción de la radiación incidente transmitida) 8. Espectro de transmisión del vidrio Cuando incide radiación sobre un material transparente (como el vidrio), la radiación transmitida depende tanto de la reflectancia como de la absorbancia del material. La transmitancia es la fracción de la radiación incidente que se transmite completamente a través de cuerpo. En la figura 7 se muestra el espectro de transmisión (transmitancia) de un vidrio común. La gráfica muestra cómo transmite el vidrio las diferentes longitudes de onda de la radiación solar que incide sobre su superficie. 155

Nótese que el vidrio transmite la radiación visible y la infrarroja cercana, pero no así las longitudes de onda superiores a 3.6 μm. Figura 7. Espectro de transmisión de un vidrio común. Efecto invernadero El efecto invernadero se produce cuando una radiación atraviesa una pared transparente (vidrio o plástico) y es absorbida por un cuerpo interior (absorbente), como se muestra en la figura 8. radiación solar incidente vidrio radiación reflejada Figura 8. Efecto invernadero. Si la radiación incidente sobre el vidrio es la radiación solar, entonces como se observa en la figura 7, la transmitancia τ del vidrio es aproximadamente igual al 100% para pequeñas longitudes de onda (aproximadamente de 0.3 μm a 3 μm) y casi nulo para grandes longitudes de onda. Por lo tanto, el vidrio transmite la radiación visible y el infrarrojo cercano, pero no transmite las longitudes de onda superiores a 3.6 μm. 156

Al calentarse los cuerpos dentro del invernadero reemiten una radiación cuy espectro es parecido al de un cuerpo negro con una longitud de onda pico determinada por la ley de Wien (ecuación 6). Si los cuerpos dentro del invernadero se encuentran por ejemplo a una temperatura de 40 ºC, se obtiene una longitud de onda pico de 9.26 μm, y esta radiación no es transmitida por el vidrio, de tal modo que la energía emitida por los cuerpos absorbentes (por ejemplo las plantas de un invernadero, o el absorbente de un captador solar) queda atrapada dentro del recinto, provocando que su temperatura sea mayor que la del medio externo. 9. Equilibrio térmico Cuando un cuerpo está en equilibrio termodinámico con sus alrededores, su temperatura será constante e igual a la temperatura ambiente, y emite y absorbe radiación al mismo ritmo. Pero también es posible que un cuerpo mantenga una temperatura constante, diferente de la de sus alrededores si la energía que absorbe es igual a la energía que pierde. Este tipo de equilibrio se observa en los invernaderos y en los captadores solares, que mantienen una temperatura mayor a la del medio ambiente. 10. Calor específico de una substancia El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de sustancia un grado centígrado, y está dado por la siguiente ecuación: c Q m T ec. (9) donde: Q = calor suministrado (en cal) m = masa del cuerpo (en g) ΔT = variación de temperatura del cuerpo (en ºC) c = calor específico del cuerpo (en cal /g ºC) Otra forma de ver el calor específico es como una medida de la capacidad de una sustancia para almacenar calor. 11. TIPOS DE COLECTORES SOLARES Un colector solar es un dispositivo que sirve para captar la radiación solar y convertirla en calor utilizable. Actualmente hay varios tipos de colectores en uso. Los tres tipos más comúnmente usados son el colector de placa plana, el colector de tubo evacuado y el colector concentrador. Debido a ciertas ventajas de costo y rendimiento, el colector de placa plana es el caballito de batalla de la industria de a energía solar. 157

En cambio, los colectores de tubo evacuado y los concentradores han tenido uso limitado. Hasta hace poco, algunos fabricantes ha hecho factible comercialmente la tecnología necesaria para su uso. Las características de estos colectores son las siguientes. Colectores Planos o de Placa Plana. Las partes principales de un colector plano se muestran en la figura 9, y son las siguientes: 1. Placa de absorción 2. Tubos para que circule el fluido 3. Caja metálica (o de otro material) que contendrá a la placa y los tubos 4. Cubierta de vidrio (u otro material transparente) para la caja 5. Aislante para la caja Cubierta de vidrio Placa de absorción Tubos Aislante Caja Figura 9. Partes de un colector plano. La cubierta es una lámina de vidrio o plástico transparente colocada tapando a la caja. Los rayos del sol pueden atravesar al vidrio y son absorbidos por la placa de absorción la cual lleva una capa de pintura de color negro, la cual incrementa su capacidad de absorber energía. El vidrio sirve para crear el efecto invernadero, provocando que aumente la temperatura de los elementos dentro de la caja. El calor absorbido en la placa de absorción es conducido hacia el fluido que circula por los tubos, calentándolo. El material aislante se introduce detrás de los tubos y alrededor de su perímetro, para impedir la pérdida de calor por detrás y por los lados de la caja. 158

Colectores de Tubo Evacuado En la figura 10 se muestra un colector de tubo evacuado. Múltiple de entrada Vidrio exterior Alto vacío Múltiple de salida Conducto de circulación Pintura selectiva de líquido Figura 10. Colector de tubo evacuado. Este tipo de colector emplea el vacío como aislador contra pérdida de calor y para impedir que la capa de absorción (pintura selectiva) se deteriore. La radiación solar atraviesa el vidrio exterior e incide sobre la pintura selectiva, calentando el líquido que contiene el tubo interno. El colector de tubo evacuado recoge la radiación solar con mucha eficiencia, para aplicaciones de alta temperatura. Colectores Concentradores Todos los colectores concentradores funcionan según el mismo principio general. Uno o más espejos (o superficies reflejantes) reflejan la radiación solar y la concentran en un área de absorción pequeña. Existen diversos tipos de colectores concentradores (por ejemplo: concentrador parabólico, concentrador cilíndrico parabólico, etc.), la mayoría requieren de dispositivos mecánicos para variar la posición y seguir al sol en su recorrido a través del cielo; algunos requieren lentes ópticas especiales para concentrar la energía solar. 159

La figura 11 se muestra un concentrador parabólico. Foco del paraboloide Recipiente Figura 11. Concentrador parabólico con mecanismo de enfoque. En el foco del paraboloide se coloca un recipiente con tapa y pintado de negro, en el cual se puede agregar agua para cocer algunos alimentos. 12. Calentamiento solar de agua para consumo doméstico El calentamiento de agua para uso doméstico mediante el empleo de la energía solar constituye una de las aplicaciones más atractivas de ésta. Todos los calentadores de agua mediante energía solar consisten básicamente de un colector que recibe la radiación solar durante el día y un tanque de almacenamiento que contiene el agua que ha sido calentada. Se encuentran en uso dos tipos básicos de calentadores: el sistema pasivo, por circulación natural y el sistema activo, con circulación forzada. Los sistemas pasivos son relativamente poco costosos, no requieren mantenimiento y duran bastante porque no hay partes movibles que se desgasten; mientras que los sistemas activos son más costosos porque requieren la instalación de equipo especial. [Montgomery] En la figura 12 se muestra un sistema solar que opera en condiciones de circulación natural (o convección natural). 160

Tanque de almacenamiento Agua caliente Colector Agua fría 13. Orientación del colector solar Figura 12. Calentador solar de agua con circulación natural. El sol sale aproximadamente por el este, atraviesa el cielo y se oculta por el oeste. Debido a la inclinación del eje terrestre, el sol estará más alto o más bajo en el cielo durante el año a medida que la tierra recorre su órbita. La posición real del sol depende de la situación del observador. Por medio de mapas solares se puede determinar el movimiento del sol para cualquier día del año y para cualquier área geográfica. Si imaginamos que el cielo es una bóveda trasparente, como se muestra en la figura 13. Curso del sol el 21 de marzo Curso del sol el 21 de junio N O Curso del Sol el 21 de diciembre E E E S Colector Solar Las 12 del día Ventana Solar Figura 13. Bóveda imaginaria sobre una casa provista de colector solar (ventana solar). 161

El centro de la bóveda vendría a ser el colector situado en una casa. El curso del sol se puede trazar sobre la bóveda para determinar una ventana solar, la cual limitaría el área a través de la cual puede llegar a los colectores la cantidad máxima de energía solar durante los días del año. La línea superior de la ventana quedaría trazada por el curso que sigue el sol al principiar el verano (21 de junio) que es cuando el sol recorre su curso más alto a través del cielo. La línea inferior de la ventana quedaría determinada por el curso del sol al principiar el invierno (21 de diciembre), cuando el astro recorre su curso más bajo, tal como se muestra en la figura 14. Posición del Sol el 21 de marzo Posición del Sol el 21 de junio Ventana Solar θ LATITUD S N Posición del Sol el 21 de diciembre Colector Solar Figura 14. Vista lateral de la bóveda correspondiente. imaginaria sobre el colector solar y de la ventana solar Casi toda la energía solar que puede utilizar el colector debe penetrar a través de esta ventana. Analizando la ventana solar, se puede ver que los colectores se deben orientar de manera que apunten hacia el sur geográfico. También se deduce que el colector debe estar inclinado cierto ángulo con respecto a la horizontal para que los rayos del sol lleguen casi perpendiculares al plano del colector y la absorción de energía sea máxima. Este ángulo de inclinación varía de acuerdo con la ubicación geográfica del lugar; se ha observado que el ángulo óptimo de inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar más 10º. Casi toda la energía solar que puede utilizar el colector debe penetrar a través de esta ventana. Analizando la ventana solar, se puede ver que los colectores se deben orientar de manera que apunten hacia el sur geográfico. También se deduce que el colector debe estar inclinado cierto ángulo con respecto a la horizontal para que los rayos del sol lleguen casi perpendiculares al plano del colector y la absorción de energía sea máxima. Este ángulo de inclinación varía de acuerdo con la ubicación geográfica del lugar; se ha observado que el ángulo óptimo de inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar más 10º. 162

14. Procedimiento y descripción de las actividades realizadas. A partir de nuestra hipótesis de trabajo que establecía que al construir un tubo de algún material metálico, vidrio o plástico pintado de negro, dentro de otro tubo transparente ya sea de vidrio o plástico, este se comportaría como el tubo evacuado (aun cuando no le hiciéramos vacío), aprovechando el efecto invernadero para calentar el agua dentro del tubo negro. Se analizaron tubos de diversos materiales y siguiendo la premisa de bajos costos de los materiales y de que fueran fáciles de conseguir, se opto por probar algunos prototipos: (a) Se propuso probar un tubo de PVC pintado de negro dentro de botellas recicladas transparentes de agua (de PET), (b) Otra propuesta fue probar con un tubo de manguera de PVC de color negro dentro de botellas recicladas de agua. Procedimiento y Montaje Experimental (a) Se cortó un tubo de PVC blanco de 1.5 plg. de diámetro y 1.2 m de largo, se pintó con pintura negra mate, se le puso un tapón en el fondo, se forro con 4 botellas recicladas de agua (de PET) de 1.5 l, se lleno con agua, se tapo con plástico, se coloco sobre una tabla y se expuso a los rayos de sol (como se muestra en la figura 15). (b) Se realizó lo mismo que en (a), pero ahora con un tubo de manguera negra de PVC de 1 plg. de diámetro y 1.2 m de largo. La tabla con los tubos sobre ella, se colocó con una inclinación de 30º con respecto a la horizontal. Tubo Botellas Sello de silicón 1.2 m Tapón Soporte de madera θ =30º Tubos Figura 15. Fabricación de los tubos y exposición a los rayos de sol. 163

TEMPERATURA GRADOS C ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp. 145-170) Noviembre 2010 Resultados de la Prueba Se orientó la tabla hacia el sur y se dejó a la intemperie bajo los rayos del sol durante 2 semanas, algunos días se realizaron mediciones de la temperatura del agua a intervalos de 1 hora, y se obtuvieron los siguientes resultados que se muestran en la figura 16. 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 HORA DEL DIA Figura 16. Temperatura del agua en los tubos durante el día. Cabe decir que al cabo de dos semanas se observó también el estado físico de los tubos; y se notó que el tubo de PVC blanco, se había deformado, curvándose por efecto del calentamiento. 15. Diseño y construcción del calentador solar Con base en los resultados obtenidos en la prueba de hipótesis, nos dimos cuenta que la temperatura alcanzada por el agua en los tubos, entre 65 y 72 ºC, es óptima para usarse para el baño de las personas. Sin embargo, tuvimos que decidir cuál de los dos tubos usaríamos. Para ello, tomamos en consideración que el tubo de PVC blanco se deformó con el calentamiento, y el costo del metro de tubo de PVC blanco (10.00$) es mayor que el metro de manguera negra (6.00$); por lo cual nos decidimos por la manguera negra. Colector 10.00 11.00 12.00 13.00 Con base en la información sobre las diversas formas de los serpentines de tubos del colector, decidimos hacer un serpentín con tubos transversales unidos por un cabezal superior e inferior, como se muestra en la figura 17. 164

Cabezal superior Cabezal inferior Tubos transversales Figura 17. Serpentín con tubos transversales y cabezales. Construimos 14 tubos de manguera negra de 1 plg. de diámetro y 1.5m de largo. Decidimos usar botellas de agua reciclada de 600 ml, porque son más fáciles de conseguir y son adecuadas al diámetro de la manguera negra. Cada tubo se construyó de la siguiente manera: Se cortó la manguera en tramos de 1.5 m de largo. Se aplicó calor a cada tubo con la flama de un soplete y se le introdujo un palo para lograr que quedaran rectos (ya que originalmente la manguera se curvaba). Para agujerar a las botellas se buscó un tubo de hierro de diámetro un poco menor que el de la manguera negra, se calentó el tubo de hierro con el soplete y se introdujo en las botellas, consiguiendo hacerles agujeros que se ajustaban al diámetro de la manguera. Enseguida, se introdujeron X botellas alrededor de la manguera y se sellaron con silicón. Una vez construidos los tubos, se unieron unos con otros por medio de uniones de PVC con forma de Te. Al final, obtuvimos un serpentín al cual le cabrían aproximadamente 10 litros de agua. Tanque de almacenamiento [termotanque] Debido a la escasez de recursos, solo nos alcanzó para comprar un bote de lámina galvanizada de 60 litros. A este bote se le soldó una tapa de la misma lámina, y se le soldaron 3 tubos de cobre, como se muestra en la figura 18. 165

T 1 Tanque de almacenamiento T 2 T 3 Tubos Figura 18. Tanque de almacenamiento [termotanque] con tubos soldados. Posteriormente, se forro el tanque con una capa de cartón de X mm de espesor, enseguida se colocó una capa de lana de vidrio de 1 cm de espesor, luego se colocó otra capa de cartón de X mm de espesor, y finalmente una envoltura de plástico de X mm de espesor. Todo esto se realizó para aislar al tanque y evitar que el agua caliente almacenada en él, se enfríe. Tanque de suministro de agua fría El tanque de suministro de agua fría, que suministraría agua fría al tanque de almacenamiento y al colector, estaría constituido por el mismo tanque que es usado para el baño normal. Base para el colector Estudiamos algunos materiales que podrían servir como base para el colector, entre ellos por ejemplo: marco de madera con hoja de triplay o novopan, marco de hierro con lámina negra, o lámina galvanizada para techo. Teniendo en cuenta que iban a estar expuestas a la intemperie (y por el menor costo), nos decidimos por la lámina galvanizada para techo. 16. Montaje de los elementos del calentador solar y funcionamiento del sistema El montaje y conexiones de todos los elementos del calentador solar, se muestran en la figura 19. Descripción del Montaje La salida superior (izquierda) del colector (salida de agua caliente) se conecta al tubo T 2 del tanque de almacenamiento de agua caliente (ver figura 18). La entrada inferior derecha del colector se conecta al tubo T 3 del tanque de almacenamiento (por ahí entrará al colector, el agua fría proveniente del tanque de almacenamiento y del tanque de suministro). El tanque de suministro de agua fría se conecta al colector y al tanque de almacenamiento (en el tubo T 3 ). El tubo T 1 es la salida de agua caliente del tanque de almacenamiento hacia el servicio (o regadera). El colector se coloca con cierta inclinación θ respecto a la horizontal. 166

Tanque de suministro de agua fría Jarro de aire Tanque de almacenamiento de agua caliente Agua caliente Colector θ Agua fría 17. Funcionamiento del sistema Base Figura 19. Montaje de los elementos del calentador solar. El funcionamiento de este sistema es el siguiente: La radiación solar atraviesa la pared de las botellas y cae sobre la superficie de absorción de las mangueras negras, estas se calientan y transmiten el calor al agua, la cual se empieza a calentar. Al aumentar la temperatura del agua dentro de los tubos del colector, disminuye su densidad y entonces la columna de agua fría en la tubería de retorno al colector ya no queda equilibrada por la columna de agua caliente menos densa, por lo que la gravedad origina que baje el agua fría y desplace al agua caliente hacia arriba hasta el tanque de almacenamiento. De esta manera se establece un flujo por convección natural que transmite agua caliente hacia el tanque de almacenamiento y agua fría hacia el colector. Este flujo natural continúa mientras exista suficiente calor para aumentar la temperatura del agua y la fuerza de empuje resultante pueda vencer las caídas de presión en el sistema. Al cabo de cierto tiempo toda el agua del tanque de almacenamiento estará caliente y podrá ser usada, por ejemplo, para bañarse. Al abrir la llave de servicio (regadera) empieza a salir agua caliente del tanque de almacenamiento, y este se empieza a vaciar; pero, inmediatamente empieza a entrar agua fría al colector y al tanque de almacenamiento (proveniente del tanque de suministro), para que se empiece nuevamente a calentar. Y este ciclo se repetirá continuamente (durante el día). 167

18. Orientación del colector solar La orientación e inclinación del colector solar es muy importante. Como se mencionó en la parte de Conceptos Teóricos (5.10). Como se menciona en 5.10, el sol recorre el cielo de este a oeste; por lo tanto, el colector debe orientarse hacia el sur, para que reciba los rayos del sol durante todo el día, sin necesidad de estarlo moviendo (como se muestra en la figura 20). Colector Solar Rayos de sol S θ = 30º N Horizontal Figura 20. Orientación e inclinación del colector solar. Igualmente, para que los rayos de sol lleguen casi perpendiculares al plano del colector solar y la absorción de radiación sea máxima, el colector debe inclinarse con respecto a la horizontal, un ángulo θ igual a la latitud del lugar más 10º. 19. Impacto ambiental, economico, social El impacto social de nuestro proyecto se encuentra fundamentalmente marcado en el hecho de que el proyecto va dirigido a todo aquel público que tenga interés en poder adquirir un calentador solar ecológico y económico, que entre otras cosas; ayudará a las familias a lograr ahorros en su economía y en consecuencia tener una cultura del uso de energías alternativas. Otro factor interesante es que estamos utilizando material reciclable, así como material de fácil adquisición a un precio cómodo. Dentro del impacto tecnológico, podemos decir que no existe una limitante en cuanto a tecnología que nos impida poder llevar a cabo el proceso de instalación, la toma de temperaturas, etc. Un aspecto muy importante es que podemos generar o modificar alguna tecnología existente, por ejemplo podríamos sustituir las botellas de PET, por tubos de PET con la ayuda de alguna maquina de inyección de plásticos, se podría diseñar un nuevo molde acorde al grosor de nuestros tubos de manguera, y con esto estaríamos perfeccionando aún mas nuestro trabajo. 168

El uso de calentadores solares se ha venido utilizando desde hace ya varios años, sin embargo los altos precios de los mismos han impedido que muchas personas del país y de nuestra región tengan la posibilidad de contar con uno de ellos en sus hogares y con ello lograr una cultura del uso de energías alternativas. Una de las ideas fundamentales del proyecto radica en el hecho de que para su construcción se utilizó material reciclable, material fácil de conseguir y a un precio cómodo. Tomando en cuenta todas estas características de nuestro proyecto podemos crear un mercado potencial para el uso de calentadores solares tal como el que se construyo, ya que la gran mayoría de los hogares de la región no cuentan con uno y en su lugar utilizan gas. Con nuestro calentador solar podemos lograr ser competitivos en el mercado en comparación con los calentadores solares que se venden en las tiendas y que su precio es demasiado alto. Innovar es crear o modificar un producto e introducirlo en el mercado. La competitividad de una nación depende de la capacidad de su industria para innovar y mejorar. Las empresas consiguen ventajas competitivas si consiguen innovar. Una de las ventajas que tenemos es que nuestro precio es relativamente más barato que los calentadores solares ordinarios y debido a esto tenemos más posibilidades de atraer a clientes que se interesen en el uso de esta energía alternativa. No solo en el ámbito de venta de calentadores solares podemos indagar, sino que también puede optarse por una capacitación a personas tanto del sector educativo como de la comunidad en general, explicando la construcción del calentador y creando conciencia de la necesidad de nuestro planeta del uso de energías alternativas. La originalidad de nuestro proyecto destaca en que se utilizó material al que tenemos fácil acceso; por ejemplo la manguera negra por la que circula el agua que es muy fácil de conseguir y a un precio bastante cómodo; así como el uso de botellas de plástico PET que se recaudó de botellas de agua de 600mm que es la que mas consume la gente y que nos es útil en nuestro proyecto para forrar las mangueras y con ello provocar el efecto invernadero del que ya se ha hablado anteriormente. El depósito que se utilizó para almacenar el agua puede ser cualquier depósito de aluminio o de metal, la base es una armadura que puede construirse soldando algunos tubos de metal. Como podemos darnos cuenta, tanto el material como el proceso de construcción del calentador solar es atractivo a los ojos de nuestros clientes; el hecho de tomar en cuenta material al que la mayoría de nosotros podemos tener acceso es de vital importancia, y viene a ser un plus para nuestro proyecto ya que con esto ayudamos también a tener una cultura de reciclaje; por ejemplo el rehusó y aprovechamiento de botellas de plástico PET, muchas personas utilizan sus botellas e inmediatamente las tiran sin darse cuenta que ese material puede volver a utilizarse o aprovecharse de otra manera. Sabemos que los calentadores solares ya existían desde hace algunos años, pero con nuestro proyecto pretendemos también que la gente haga uso de la energía solar a través de este prototipo que con ciertas modificaciones en cuanto material entre otros podemos lograr que sea competitivo en el mercado y que su precio no sea tan grande; así como su instalación y mantenimiento. 169

20. Conclusiones y recomendaciones Una de las conclusiones principales, es que se logró demostrar que nuestra hipótesis mencionada al principio se cumplió, ya que llevamos todo lo propuesto a la parte experimental; y de ésta manera pudimos darnos cuenta de que los resultados fueron los esperados. Como conclusiones podemos decir también que en estos tiempos tan difíciles y en el que se están presentando infinidad de cambios climáticos que están afectando de manera contundente a nuestro planeta y de manera particular a todas y cada una de las personas que aquí habitamos, es cuando debemos tomar conciencia y hacer uso con responsabilidad de todas aquellas formas en las que hemos venido contaminando a la tierra. Una de esas formas ha sido el abuso de las energías con las que hoy contamos y que han provocado muchos daños al planeta. Es por eso que como conclusiones debemos promover el uso de energías alternativas y de manera particular el uso de la energía solar, que como bien hemos dicho es una energía natural que no nos cuesta nada, pero que si debemos hacer énfasis en la búsqueda de nuevas tecnologías o formas que nos permitan aprovecharla al máximo. Asimismo podemos decir que el reciclaje es una forma de ayudar a combatir la contaminación y es por eso que se hace énfasis en que se utilice material reciclable cuando se pretendan generar proyectos de investigación o al tratar de generar alguna tecnología. 21. BIBLIOGRAFIA 1. Almanza R., Ingeniería de la Energía Solar, Editorial Cromocolor, México (2003). 2. Manrique J., Energía Solar, Editorial Oxford, Mexico, [1990] 3. Montgomery R. H., Energía Solar, Limusa, México (2000). 4. Threlked J. L., Ingeniería del Ámbito Térmico, Prentice-Hall Internacional, España (1973). 5. Aguilar Peris J., Termodinámica, Alhambra Universidad, España (1981). 6. Tipler P. A., Fisica tomo I, Reverte, España, [1995]. 7. Brown y Marco, Transmision de Calor, CECSA, México, [1970]. 8. Strother G. K., Fisica, Mcgraw-hill, Colombia, [1980]. 9. Wolfson y Pasacchoff, Física Vol. 1, Oxford, México, [1996]. 170