Universidad Nacional del Centro del Perú
Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química
Evaluación de la eficiencia de una terma solar con colector de cobre y colector de CPVC para zonas alto andinas
Lobato Calderón, Godofredo Román
Huancayo
2019
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
GODOFREDO ROMÁN LOBATO CALDERÓN
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
DOCTOR EN INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
JUNÍN – PERÚ 2019
“Evaluación de la eficiencia de una terma solar con colector de
Cobre y colector de CPVC para zonas alto andinas”
DEDICATORIA
DEDICATORIA
Con mucho amor y cariño a la memoria de mi Madre Hilda Lucia Calderón Inocente.
A mi esposa Mery Miryam y a mis hijos Hans Peter y Jazmín Yamila por ser la razón de mi vida.
A mis hermanos Gladys, Elena y Yimer por su aliento constante para lograr mis objetivos.
A mi madrina de matrimonio Olinda Solano Magno por ser una luz en mi vida matrimonial.
El autor
AGRADECIMIENTO
A Dios por ser nuestra Luz y permitirme investigar parte de su creación
“Las energías renovables”.
A mis padres por darme la vida.
Al Dr. Miguel Ángel Barrena Gurbillón, por compartir sus experiencias en energías renovables.
A mi asesor Dr. Pascual Guevara Yanqui, por su apoyo incondicional, maestro y amigo.
A, mi alma mater por cobijarnos en sus aulas una vez más y permitirnos formarnos al servicio de la sociedad.
Índice General
Pág.
CARÁTULA………..…i
ACTA DE SUSTENTACIÓN………..ii
HOJA DE FIRMAS……….iii
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ... v
ÍNDICE GENERAL... vi
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... x
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
INTRODUCCIÓN ... 14
CAPITULO I MARCO TEÓRICO ... 18
1.1.Antecedentes o marco referencial ... 18
1.1.1.A nivel Internacional ... 18
1.1.2.A nivel Nacional ... 18
1.1.3.A nivel Regional ... 21
1.2. Bases Teóricas y conceptuales ... 22
1.2.1. Marco Teórico ... 22
1.2.2. Marco conceptual ... 24
1.3. Definición de términos básicos ... 44
1.4.Hipótesis ... 47
1.4.1.Hipótesis General ... 47
1.4.2. Hipótesis Específicos ... 47
1.5.Operacionalización de las variables ... 48
1.5.1.Variables dependientes e independientes ... 48
1.5.2.Eficiencia energética ... 48
CAPITULO II DISEÑO METODOLÓGICO ... 50
2.1.Tipo y nivel de investigación ... 50
2.1.2.Nivel de investigación ... 52
2.2.Métodos de investigación ... 52
2.3.Diseño de la investigación ... 52
2.4.Población y muestra ... 54
2.4.1.Población ... 54
2.4.2.Muestra ... 54
2.4.3.Técnica de muestreo ... 55
2.5.Técnica e instrumento de recopilación de datos ... 55
2.5.1.Instrumentos para recolectar datos ... 56
2.6.Técnica de procesamiento de datos ... 58
CAPITULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 61
3.1.Análisis de los resultados de la investigación ... 61
3.1.1.Análisis de los resultados en días soleados ... 63
3.1.2.Análisis de los resultados en días combinados ... 67
3.1.3.Análisis de los resultados en días nublados ... 71
3.2. Discusión ... 75
CONCLUSIONES ... 79
RECOMENDACIONES ... 80
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 81
ANEXOS ... 85
a.Instrumentos de acopio de datos experimentales de los días soleados, combinados, nublados, prueba de ducha 1 y 2. ... 86
b.Base de datos del procesamiento de los datos experimentales de los días soleados, combinados, nublados, prueba de ducha 1 y 2. ... 91
c.Planos de la Terma solar... 97
d.Evidencias fotográficas de la investigación ... 103
e.Mapas de radiación solar - SENAMHI ... 111
f.Macro y micro localización de la investigación ... 113
Índice de Tablas
Tabla 1 Comparación entre las ventajas y desventajas de materiales más utilizados para
cubiertas transparentes en los colectores... 39
Tabla 2 Datos Experimentales promedio para días soleados ... 64
Tabla 3 Datos experimentales promedio para días combinados ... 68
Tabla 4 Datos experimentales promedio para días nublados ... 72
Índice de Figuras
Figura 1 La energía solar... 25
Figura 2. Aplicaciones de la energía solar a la arquitectura de viviendas y edificios ... 26
Figura 3. Instalación con colectores de placa plana ... 26
Figura 4. Circulación natural del agua (Efecto Termosifón) ... 30
Figura 5. Terma Solar ... 31
Figura 6. Tanque de almacenamiento ... 33
Figura 7. Colector Solar ... 34
Figura 8. Cajas de Colector ... 35
Figura 9. Cajas de Colector de la terma solar ... 36
Figura 10. Absorbentes de serpentín ... 36
Figura 11. Absorbentes de registro tubular ... 37
Figura 12. Absorbentes de placa ... 37
Figura 13. Absorbentes tipo serpentín construida para la investigación ... 37
Figura 14. Proceso de conducción ... 41
Figura 15. Proceso de convección ... 42
Figura 16. Piranómetro Digital marca Volcraft Modelo SPM-1DMM... 47
Figura 17. Tabla para datos experimentales promedio para días soleados ... 55
Figura 18. Gráfico determinación del área bajo la curva para calcular la radiación solar en kWh/m2 usando el método de los triángulos ... 60
Figura 19. Gráfico de triple entrada (temperatura, radiación solar y horas ... 60
Figura 20. Transferencia de calor al agua y efecto termosifón natural, en los colectores ... 62
Figura 21. Toma de datos en la terma solar en día soleado ... 63 Figura 22. Temperaturas y radiación solar en función al tiempo de evaluación de terma
Figura 23. En la gráfica por el método de los triángulos se calculó el área bajo la curva de radiación vs tiempo (es = 6,55 kWh/m2) ... 66 Figura 24. Toma de datos en la terma solar en día combinado ... 67 Figura 25. Temperaturas y radiación solar en función al tiempo de evaluación de la 69 Figura 26. En la gráfica por el método de los triángulos se calculó el área bajo la curva de radiación vs tiempo (es=5,98 kWh/m2) ... 70 Figura 27. Toma de datos en la terma solar en día nublado ... 71 Figura 28. Temperaturas y radiación solar en función al tiempo de evaluación de la terma solar en días nublados ... 73 Figura 29. En la gráfica por el método de los triángulos se calculó el área bajo la curva de radiación vs tiempo (es = 3,9 kWh/m2) ... 74
RESUMEN
En la presente investigación se evaluó la eficiencia de una terma solar construida con colectores planos de cobre y de CPVC para determinar cuál de los colectores gana más temperatura en las zonas alto andinas; esta se realizó en Tarma - Junín. Estos colectores solares fueron hechos con tubería y accesorios de ½ pulgada de cobre y policloruro de vinilo para agua caliente (CPVC), cada colector tiene un área de 1,5 m2 y 10 vueltas en serpentín; conectados en paralelo en dirección norte-sur (con el lado sur levantado 30° para compensar la curvatura terrestre) a un tanque de almacenamiento de agua caliente de 120 litros aislado térmicamente. Se tomaron datos en tres tipos de días:
soleados, combinados y nublados; durante 30 días cada media hora desde las 8:00 a.m.
hasta las 4:00 p.m., se registró las temperaturas: del agua que entra a los colectores solares, del interior de cada colector, del agua a la salida de cada colector y del agua en la parte superior del tanque de almacenamiento. Con la misma frecuencia se midió la radiación solar (piranómetro) y la temperatura ambiente. La eficiencia de la terma solar se determinó por medio de la energía térmica ganada y la energía solar recibida, en día soleado fue de 54,59%, en día combinado 48,32% y en día nublado 30,01%.
Ganó más temperatura el colector de CPVC. En consecuencia, una terma solar con colectores planos construidas con CPVC es, la más adecuada para viviendas en zonas altoandinas y amigable al medio ambiente.
Palabras clave: Eficiencia, Terma solar, Zona altoandina.
ABSTRACT
In the present investigation, the efficiency off a solar thermal built with flat copper and CPVC collectors was evaluated to determine which of the collectors gains more temperature in the high Andean areas; this was held in Tarma - Junín. These solar collectors were made with pipe and accessories of ½ inch of copper and polyvinyl chloride for hot water (CPVC), each collector has an area of 1.5 m2 and 10 coil turns; connected in parallel in a north-south direction (with the south side raised 30° to compensate for the earth's curvature) to a thermally insulated 120 liter hot water storage tank. Data were collected on three types of days: sunny, mixed and cloudy; for 30 days every half hour from 8:00 a.m. Until 4:00 p.m., the temperatures were recorded: of the water entering the solar collectors, of the interior of each collector, of the water at the outlet of each collector, and of the water in the upper part of the storage tank.
Solar radiation (pyranometer) and ambient temperature were measured with the same frequency. The efficiency of the solar thermal was determined by means of the thermal energy gained and the solar energy received, on sunny days it was 54.59 %, on a combined day 48.32 % and on cloudy days 30.01 %. The CPVC manifold gained more temperature.
Consequently, a solar thermal with flat collectors built with CPVC is the most suitable for homes in high Andean areas and is friendly to the environment.
Keywords: Efficiency, Solar thermal, High Andean zone
INTRODUCCIÓN
La energía renovable se produce de manera natural, repetitiva y persistente en el medio ambiente en cualquier lugar del planeta; la energía solar persiste y se repite día a día, variando de un lugar a otro y de una estación a otra. Estas energías renovables son conocidas como energía verde o sustentable (Twidell y Weir, 2015).
La energía solar contenida en la energía de la luz solar, puede convertirse directamente en calor denominada energía solar térmica. El sol emite radiación electromagnética que es la energía solar. La cantidad real de radiación solar que llega a un lugar sobre la tierra en particular es muy variable. Los componentes directo y difuso de la radiación solar son influenciadas por estas condiciones atmosféricas. La radiación solar directa es la parte de la luz solar que alcanza directamente una superficie en la tierra. La dispersión de la luz solar en la atmósfera genera la radiación solar difusa.
El albedo es una parte de la radiación solar que es reflejada por la superficie terrestre y puede estar presente en la radiación solar total (Jäger et al., 2014).
Vigo y Trigoso (2012), en Chachapoyas a 2 350 msnm y 17 °C de temperatura ambiente evaluaron la eficiencia térmica de una terma solar de un metro cuadrado de área, construida con tubos y accesorios de Policloruro de Vinilo Clorado (CPVC) de diámetro ½ pulgada para agua caliente, con tanque de almacenamiento de agua de 100 litros aislado térmicamente. La temperatura del agua en el tanque de almacenamiento a las 4:00 p.m. y la eficiencia en días soleados fue de 44 °C y 52 %, para días combinados fue de 36 °C y 48 % y para días nublados 25°C y 30 %; mientras que la temperatura evaluada dentro del colector fue de 96, 63 y 38 °C, respectivamente. La terma solar fue evaluada en varios tipos de días, incrementándose la temperatura del agua como mínimo en 8,5 °C, con lo que el usuario dispone de agua tibia para ducharse, su higiene personal y otros usos, dándole una mejor calidad de vida. El agua almacenada a 44 °C en el tanque durante la noche disminuyó en 8 °C (36 °C); sin embargo, en la mañana del siguiente día se pudo retirar 20 litros de agua (con la que se baña una persona) y su temperatura solo disminuyó 1 °C (35 °C), a pesar que la temperatura ambiente en Chachapoyas en horas de la noche era de 9 °C y en la mañana era de 12 °C. Esto permite asegurar que la terma solar brindará confort al usuario y
evitará que contraiga enfermedades respiratorias, por exponerse al agua fría de la red pública (Vigo y Trigoso, 2012).
El colector solar es la parte principal de una terma solar actúa como un intercambiador de calor que absorbe la radiación solar y la transforma en calor, aquí la transferencia de energía se da desde el sol como una fuente distante de energía radiante al fluido. El flujo de radiación incidente es aproximadamente 1 100 W/m2 sin concentración óptica y este valor es variable. Si el suministro requiere de temperaturas de arriba de los 10 °C sobre la temperatura del ambiente, el colector puede diseñarse para estas aplicaciones ya que usan la radiación solar directa y la difusa, ya que no necesitan mucho mantenimiento y no requieren seguir la trayectoria del sol. La eficiencia del colector es influenciada por su calentamiento y el comportamiento intermitente de la radiación solar y el viento que cambian rápidamente durante el día (Duffie y Beckman, 2013).
La terma solar permite calentar el agua únicamente con la radiación solar y almacenarla en su tanque de almacenamiento aislado térmicamente para ser usada cuando la necesitemos. El sistema está conformado por un colector solar, tanque de almacenamiento de agua y sistema de tuberías cuya función es la de transportar el agua fría o caliente a través de todos los elementos que conforman la terma solar pudiendo utilizar tuberías de diferentes materiales como Cobre, fierro galvanizado o CPVC.
La eficiencia energética (ηE) de una terma solar y su tiempo de vida dependen de los materiales empleados en su construcción, se define como la división entre la energía térmica útil ganada por la terma y la energía solar recibida o disponible ese día, teniendo en cuenta el aumento o disminución de la temperatura en el tanque de agua y la radiación solar correspondiente.
El problema que se tiene en las zonas altoandinas del Perú en el invierno sufren de bajas de temperaturas de hasta -10 °C (heladas), esto hace que sus pobladores sufran de efectos negativos a la salud, atentando contra su vida (enfermedades bronquiales, digestivas entre otros). Debido al exceso de frio los pobladores de estas zonas no
tienen una buena cultura del aseo (no se asean y bañan con frecuencia) atentando contra su salud. Así mismo los altos índices de radiación solar en la sierra central (Huancayo, Cerro de Pasco y Huancavelica) llegan en promedio a 17 y repercuten en la salud de la población altoandina (niños y ancianos principalmente). Ante esta problemática en la presente investigación se pretende aprovechar los recursos energéticos (energías renovables) disponible en la sierra central del Perú, cuyo adecuado aprovechamiento reducirá el empleo de combustibles fósiles y la emisión de gases de efecto invernadero siendo una propuesta amigable con el medio ambiente constituida por un prototipo de terma solar con colectores planos para mejorar la calidad de vida de los pobladores de zonas altoandinas, sobre todo en temporadas de heladas.
En el primer capítulo presentamos los antecedentes, las bases teóricas conceptuales, la definición de términos básicos, la hipótesis y la operacionalización de las variables.
En el segundo capítulo tratamos sobre el diseño metodológico: tipo, nivel, métodos y diseño de la investigación; población y muestra, técnicas e instrumentos de recopilación y procesamiento de datos.
En el tercer capítulo damos a conocer sobre el análisis y discusión de resultados:
análisis de la investigación en los días soleados, combinados y días nublados, así como la discusión comparándolos con otras investigaciones realizadas en Chachapoyas.
Finalmente, se discuten los resultados, se presentan las conclusiones y las recomendaciones de la investigación.
Los objetivos de la investigación fueron:
1) Evaluar la eficiencia de una terma solar con colector de Cobre y colector de CPVC para zonas alto andinas.
2) Determinar la temperatura del agua en la entrada y en la salida del colector
solar de 1,5 m de largo por 1 m de ancho con serpentín de tubo y accesorios de Cobre.
3) Determinar la temperatura del agua en la entrada y en la salida del
Colector solar de 1,5 m de largo por 1 m de ancho con serpentín de tubo y accesorios de CPVC.
4) Determinar la ganancia de temperatura del colector solar de Cobre y CPVC.
5) Establecer la relación la radiación solar sobre la temperatura interior de los colectores solares.
CAPITULO I MARCO TEÓRICO MARCO TEÓRICO
1.1. Antecedentes o marco referencial 1.1.1. A nivel Internacional
En Colombia en la Universidad Nacional de Pereyra, se diseñó y construyó una terma solar de agua, con colectores planos que opera por el efecto termosifón, el mismo que alcanzó las condiciones requeridas para ser usadas en los hogares (consumo doméstico), medianamente eficiente y que permitió durante las noches y épocas donde la radiación es baja conservar agua caliente en el tanque de almacenamiento (Burbano et al., 2006).
1.1.2. A nivel Nacional
Vigo y Trigoso (2012) determinaron en la ciudad de Chachapoyas (a 2 350 msnm y 17 °C de temperatura ambiente) la eficiencia térmica de una terma solar con un colector de un metro cuadrado de área cuya parrilla de tubos se hizo con tubos y accesorios de CPVC de ½” para agua caliente, el tanque de almacenamiento de agua con capacidad de 100 litros aislado térmicamente con tecnoport. La temperatura del agua en el tanque de almacenamiento a las 4:00 p.m. y la eficiencia en días soleados fue de 44 °C y 52 %, para días combinados fue de 36 °C y 48 % y para días nublados 25 °C y 30 %; mientras que la temperatura interior del colector fue de 96, 63 y 38 °C, respectivamente. Para todos los tipos de días evaluados en la investigación se determinó que, con la terma solar plana se incrementó la temperatura del agua como mínimo en 8,5
°C, disponiendo el usuario en días nublados de un agua tibia para ducharse, asearse, lavar los utensilios entre otros, dándole una mejor calidad de vida. El
agua almacenada a 44 °C en el tanque con aislamiento térmico, durante la noche disminuyó en 8 °C (36 °C); sin embargo, en la mañana siguiente se pudo retirar 20 litros de agua y su temperatura solo disminuyó 1 °C (35 °C), a pesar que la temperatura ambiente en horas de la noche en Chachapoyas era de 9 °C y en la mañana era de 12 °C. Esto permite asegurar que la terma solar brindará confort al usuario y evitará que contraiga enfermedades respiratorias, por exponerse al agua fría debido a la baja temperatura ambiente.
Montenegro (2013), en su investigación realizó la evaluación de una terma solar plana construida con dos colectores de un metro cuadrado de área cada uno, el primer colector se confeccionó con tubos verticales de PVC para agua de ½” y el segundo colector fue confeccionado con tubos verticales de PVC de una pulgada para agua, conectados en serie, con un tanque de 100 litros de capacidad aislado térmicamente con ternoport el que servirá como
almacenamiento de agua; trabajó lecturas en días soleados, combinados y nublados. Al hallar la eficiencia de la terma solar obtuvo los siguientes resultados: días soleados (57 %), días combinados (52 %), días nublados (37 %). Los resultados de la diferencia de la temperatura alcanzada y la radiación solar fueron: días soleados (28 °C; 5,66 kWh/m2), días combinados (19 °C; 4,22 kWh/m2), días nublados (10 °C; 3,13 kWh/m2). La eficiencia en la terma solar con los colectores conectados en paralelo fue mayor en los días soleados (69 %), seguida de los días combinados (58 %), los días nublados (44 %), días sin cambiar el agua (38%) y días enfocando la luz solar con un espejo (73 %). La diferencia de temperatura alcanzada y la radiación solar fue:
días soleados (35 °C; 5,81 kWh/m2), días combinados (19 °C; 3,77 kWh/m2), días nublados (13 °C; 3,36 kWh/m2), días sin cambiar el agua del calentador (15
°C; 4,59 kWh/m2) y días enfocando la luz solar con un espejo hacia el colector (40 °C; 6,32 kWh/m2). A la conclusión que llego después de haber desarrollado la investigación fue que el colector construido con tubo de PVC de ½” calienta más el agua que el colector construido con tubos de PVC de 1”.
Barrera et al. (2015), realizaron la investigación denominada “Eficiencia
Térmica de una terma solar de 100 litros con colector de 1 m2”, en ella se determinó la eficiencia térmica de una terma solar con colector de un metro cuadrado y tanque de capacidad de 100 litros para el almacenamiento del agua.
Se tomaron cinco grupos de días para obtener los datos experimentales, cuya eficiencia fue: días soleados (52 %), días combinados (48 %), días nublados (30
%), días sin cambiar el agua del calentador (31 %) y días enfocando la luz solar con un espejo hacia el colector (63 %). Evaluaron la diferencia de temperatura alcanzada y la radiación solar obteniendo en días soleados (24,5 °C; 5,42 kWh/m2), en días combinados (16,61 °C; 4,01 kWh/m2), en días nublados (8,5 °C;
3,22 kWh/m2), en días sin cambiar el agua de la terma (16,0 °C; 5,99 kWh/m2) y en días enfocando la luz solar con un espejo hacia el colector (30,0 °C; 5,51 kWh/m2). Al enfocar la luz solar con un espejo hacia el colector de un metro cuadrado de área les permitió incrementar 9 °C la temperatura del agua, con respecto a lo alcanzado en un día de tipo combinado, esta forma de trabajo les permitió que la terma solar sea más eficiente (63 %). Los resultados obtenidos están de acuerdo con lo mencionado por Valera (2007), que un colector del tipo plano puede alcanzar entre 65 a 90 °C de temperatura.
Huanes et al. (2015) realizaron su investigación denominada “Eficiencia de una terma solar con colector de tubos verticales en la Universidad Privada Antenor Orrego de Trujillo (UPAO), región La Libertad”. El objetivo de la investigación fue determinar la eficiencia de una terma solar construida con un colector con tubos verticales de Cobre de ½” de 1 m2 de área, esta se llevó a cabo en el campus universitario de la UPAO II, en la ciudad de Trujillo, región La Libertad ubicada a 33 m.s.n.m. y a 20 °C de temperatura ambiental promedio. El tanque de almacenamiento debidamente aislado térmicamente para el agua caliente fue de 100 litros. La evaluación se realizó durante 3 meses del 2015 (enero a marzo) predominando los días soleados; 26 °C fue la temperatura inicial promedio del agua que ingreso al sistema de la red pública, 42 °C fue la temperatura máxima con la que el agua salió del colector, 0,18 - 0,54 kW.h/m2 fueron los valores promedios de la radiación solar (inicial y final), alcanzando a las 13:00 h 0,96 kW.h/m2 como valor máximo de radiación
solar. El colector de la terma solar empleó para la conversión del calor los dos tipos de radiaciones (directa y difusa), 10 °C fue el incremento mínimo de temperatura con relación al agua que ingreso de la red pública, garantizando a los usuarios tener agua a una temperatura adecuada para bañarse, asearse y otros. La eficiencia térmica evaluada en la terma solar para un día soleado fue de 31 %.
Espinoza y Barrena (2019) realizaron su investigación denominada “Eficiencia energética de colectores solares con tubos verticales de PVC en termas solares, Amazonas” en la ciudad de Chachapoyas a 2 350 m.s.n.m. a 17 °C de temperatura ambiental promedio. El objetivo del estudio fue determinar la eficiencia de un colector solar de un metro cuadrado de área con 12 tubos verticales de PVC de ¾ de pulgada, con tanque de 100 litros de capacidad para el almacenamiento del agua. La metodología empleada para las nuevas mediciones y registro de datos de temperatura se hicieron de manera que se obtengan datos en tiempo real para ello utilizaron cuatro sensores DS18B20 digitales y un módulo Arduino (UNO). Durante un mes (31 días) realizaron el registro de los datos cada 15 minutos, desde las 8:00 a.m. hasta la 4:00 p.m., cogiendo datos en simultáneo del registro de la estación meteorológica del INDES–CES como son la radiación solar, temperatura ambiente, precipitación pluvial y velocidad del viento. Clasificaron tres tipos de días en base a los valores de radiación solar incidente: días soleados (mayores a 800 W/m2), días combinados (600 a 800 W/m2) y días nublados (0 a 300 W/m2). Dentro de los resultados que se obtuvieron fueron: La radiación solar captada por el colector solar fue de 2,04 kW/m2 en días soleados, 0,89 kW/m2 en días combinados y en días nublados fue de 1,90 kW/m2, la eficiencia calculada fue para períodos soleados 44,57 %, combinados 38,51 % y nublados 35,64. Como conclusiones obtuvieron una eficiencia del colector solar entre el 30 y 50 % (Espinoza y Barrena, 2019).
1.1.3. A nivel Regional
Cáceres et al. (2012) realizaron una investigación en la escuela de posgrado
de la facultad de mecánica en la Universidad Nacional del Centro del Perú denominado “Diseño de un sistema de agua caliente para un hotel de 30 personas”. A la conclusión que llegaron después de la investigación fue que para un hotel de capacidad de 30 personas y para tener agua caliente en un promedio de 40 °C será necesario instalar una terma con un colector plano de 28.87 metros cuadrados de área, con tres tanques de 600 litros de capacidad por tanque. Teniendo un costo referencial de S/. 30 303,35 soles, teniendo un tiempo de recuperación de la inversión de 28 meses una vez instalada y puesto en servicio la terma solar.
Lobato y Barrena (2016), en su investigación realizada en la ciudad de Tarma (Región Junín, Perú), evaluaron una terma solar con un tanque de almacenamiento de agua de 120 litros de capacidad con dos colectores de 1,5 m2 cada uno. Los cole-ctores tenían serpentín plano de tubo de cobre ½” y el otro de CPVC de ½”; en la ciudad de Tarma (Región Junín, Perú). La radiación solar en día soleado superó los 1 000 W/m2, desde las 10:00 am hasta la 1:30 pm, debido al clima seco de la sierra por la escasa vegetación. Como resultado de la investigación determinaron que la variación de la radiación solar tiene relación directa con la temperatura del interior de los colectores solares evaluados.
Cuando la radiación solar superó los 0,8 kW/m2, el colector construido con tubos y accesorios de CPVC ganó más temperatura que el colector construido con tubos y accesorios de cobre, con una diferencia promedio de 20 °C. La eficiencia de la terma solar en día soleado fue de 54,59 %, en día combinado 48,32 % y en día nublado 30,01 %.
1.2. Bases Teóricas y conceptuales 1.2.1. Marco Teórico
La energía renovable es producida de manera natural, repetitiva y persistente en el medio ambiente en cualquier lugar de nuestro planeta; por ejemplo, la energía solar persiste y se repite todos los días, varía de un lugar a otro y de una estación a otra. Cuando hablamos de energía renovable nos
referimos a la radiación solar, el viento, la biomasa (plantas cosechadas), ríos (potencia hídrica), las mareas y el calor geotérmico. Denominada también como energía verde o sustentable (Twindell y Weir, 2015).
El Perú en sus diferentes regiones tiene un gran potencial de energías renovables, su empleo reducirá significativamente el uso desmedido de los combustibles fósiles y la emisión a la atmosfera de los gases de efecto invernadero. Las tecnologías a utilizarse para su aplicación están disponibles en el mercado y mejorarán la calidad de vida de sus usuarios y la salud de los habitantes de nuestro planeta tierra.
En nuestro planeta las fuentes de energía renovable son abundantes estas son: solar, eólica, geotérmica, biomasa, hidráulica y oceánica. Las usemos o no estas perdurarán por miles de años. El Perú y muchos países tienen un potencial enorme para poderlas aprovechar, ello reducirá los impactos ambientales que se ocasionan debido al uso de las energías convencionales (Vertiz, 2006).
La energía solar térmica, conocida como la “Caja caliente” es un invento del siglo XVIII cuya tecnología ha permanecido hasta ahora. Desde hace muchas décadas atrás se difundía las bondades que tenía el vidrio para retener el calor en habitaciones e invernaderos. En 1 767, el científico francés Horace de Saussure construyó un prototipo experimental para investigar este fenómeno. Para ello construyó una caja de madera con fondo negro, aislado con lana los costados, utilizando una tapa de vidrio como cubierta en la parte superior. Al exponer al sol este prototipo pudo medir temperaturas interiores de hasta 120 °C alcanzando temperaturas altas debido a que el sistema provoca algo similar al “efecto invernadero” la luz solar atraviesa el vidrio calentando el interior de la caja y evitando así mismo que el calor se escape (Arancibia et al., 2010).
1.2.2. Marco conceptual
a) Energía Solar
Según Arancibia et al. (2010), el sol es la fuente de energía que mantiene vivo a nuestro planeta Tierra emitiendo una potencia continua de 62 mil 600 kilowatts/m2 de superficie y esto ha venido ocurriendo durante más de 4 mil 500 millones de años, y se estima que continuará así por otros 5 mil millones de años aproximadamente, considerándolo ilimitado considerando la vida del hombre y de la existencia que ha tenido la humanidad. En 48 horas, la tierra recibe una gran cantidad de energía equivalente a todas las reservas probadas de petróleo, gas y carbón que se tiene. Equivalente a cerca de 60 veces el consumo al año de los habitantes del planeta. Estas cifras nos permiten valorar y tener en cuenta el gran potencial energético de la energía del Sol para satisfacer las necesidades energéticas del planeta como energía limpia, renovable e infinita que se debe aprovechar.
Montenegro (2013) sostiene que: la energía radiante que se produce en el Sol (por la fusión nuclear) llegan a nuestro planeta a través del espacio en unidades de cuantos de energía (fotones) interactuando con la superficie terrestre y la atmósfera. La constante solar viene a ser la intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera y cuyo valor medio es de 1,37 × 106 erg/s/cm2 (2 cal/min/cm2). Esta cantidad no es constante, varía en un periodo de 30 años en un 0,2 %. Debido al fenómeno de absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera, la intensidad de energía real que se dispone en la superficie terrestre es menor que la constante solar. La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado del planeta es predecible, del día, del año, de la hora y de la latitud. La cantidad de energía solar que puede recogerse y aprovecharse depende mucho de la tecnología del equipo o dispositivo receptor y su orientación.
Jara (2006) sostiene que: las energías renovables como la energía eólica,
geotérmica, mareomotriz, e incluso la energía de la biomasa tienen su origen en la energía solar, ya que las energías mencionadas son aprovechamientos indirectos de la energía solar. La radiación solar en nuestro planeta ofrece muchas formas de recuperación energética y vías de calentamiento que emplaza el consumo de energías convencionales (Figura 1).
Figura 1. La energía solar
Fuente: Jara (2006)
Continua Jara, “la energía solar se presenta de dos formas: energía solar pasiva y energía solar activa”.
Energía solar pasiva: No necesita elementos mecánicos, utiliza directamente la luz y el calor que proviene del sol, los capta, los almacena y los distribuye de forma natural, teniendo gran potencialidad en el Perú y el mundo. Utilizadas actualmente en las edificaciones conocidas como Arquitectura Bioclimática (Figura 2), donde podemos apreciar algunas aplicaciones domésticas (Jara, 2006).
Figura 2. Aplicaciones de la energía solar a la arquitectura de viviendas y edificios
Fuente: Google (2019) - “fotos de arquitectura bioclimática”
Energía solar activa: Aprovecha mediante procedimientos técnicos el uso de la luz y el calor del sol, captándolo, almacenándolo y transmitiendo a otros tipos de usos derivados de la energía. Las aplicaciones para este tipo de energía pueden ser para bajas y altas temperaturas (Jara, 2006).
La tecnología solar activa de baja temperatura se basa en el uso de colectores de placa plana, utilizadas en aplicaciones que requieren bajas temperaturas (por debajo de los 50 - 60 °C). Este sistema está formado por un colector solar que capta la radiación, un subsistema de almacenamiento (tanque), un sistema de transporte de energía (tuberías, bombas, intercambiadores) y otros para la utilización y consumo de la energía solar captada. Estas instalaciones tienen forma de panel, inclinadas y bien orientadas para el aprovechamiento máximo de la energía solar (Figura 3). Es necesario tener en cuenta que estos colectores en el hemisferio norte se orientan hacia el sur, y en el hemisferio sur se orientan hacia el norte (Jara, 2006).
Figura 3. Instalación con colectores de placa plana
Fuente: Jara (2006)
a) Radiación solar
Arenas y Zapata (2011) sostienen que: la radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas que emite el Sol, este a la vez se comporta como si fuera un cuerpo negro emitiendo energía siguiendo la Ley de Max Planck a una temperatura de 6000 °K distribuyéndose desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, además no toda la radiación emitida alcanza la superficie de la Tierra debido a que las ondas ultravioletas cortas son absorbidos por el ozono (O3). La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra se llama Irradiancia que mide la energía por unidad de tiempo y área, que alcanza la superficie terrestre cuya unidad es el 2
m
W (vatio por metro cuadrado).
Continúa Arenas y Zapata, determinan que se pueden distinguir cuatro tipos de radiación solar: directa, difusa, reflejada y global y que está en función de cómo y en qué forma reciben la radiación solar los objetos o cosas que se encuentran situados en la superficie de la tierra.
Radiación Directa: Es aquella que directamente llega del Sol sin sufrir cambios en su dirección, proyectando una sombra bastante definida de los objetos opacos que la interceptan.
Radiación Difusa: Es una parte de la radiación solar que atraviesa la atmósfera y que a la vez es reflejada o absorbida por las nubes, tienen esta característica debido a la reflexiones y absorciones que van en todas direcciones, tanto de las nubes, partículas de polvo atmosférico, arboles, montañas, edificios e incluso del propio suelo de la tierra entre otros. No produce sombra a los objetos opacos que se interponen. Las superficies horizontales en la tierra reciben más radiación difusa ya que ven toda la bóveda celeste, a diferencia de las superficies verticales que reciben menos radiación difusa ya que ven solo la mitad de la bóveda celeste (Arenas y Zapata, 2011).
Radiación Reflejada: Viene a ser la radiación reflejada por la superficie de la tierra. La cantidad de radiación solar depende del coeficiente de reflexión de la superficie terrestre, se le conoce también como albedo. Las superficies horizontales en la tierra no reciben ninguna radiación reflejada mientras que las superficies verticales reciben más radiación reflejada (Arenas y Zapata, 2011).
Radiación Global: Viene a ser la radiación total, está dada por la suma de las tres radiaciones (directa + difusa + reflejada). En un día con cielo limpio y despejado prepondera la radiación directa sobre la radiación difusa, mientras que en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación que incide es radiación difusa.
Los colectores solares aprovechan de forma distinta la radiación solar de acuerdo a su diseño. Los colectores solares planos captan la radiación total (directa + difusa), mientras que los colectores de concentración solo captan la radiación directa por ello se deben situarlos en zonas de baja nubosidad, con pocas brumas, alejadas de las costas (Arenas y Zapata, 2011).
b) Energía Solar Térmica
Montenegro (2013) menciona que un sistema de aprovechamiento de la energía solar es la energía térmica. Utilizando colectores se consiguen el aporte de temperatura. El colector es una superficie que, expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo al fluido (agua). De acuerdo a la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora (colector) existen 3 técnicas como son:
Baja temperatura: La temperatura del fluido con el que se trabaja es inferior al punto de ebullición (captación directa).
Media temperatura: La temperatura del fluido con el que se trabaja es más elevada de 100 ºC (captación de bajo índice de concentración).
Alta temperatura: La temperatura del fluido con el que se trabaja es más elevada de 300 ºC (captación de alto índice de concentración).
Jara (2006) sostiene que: la energía que se aprovecha directamente de la radiación del sol para la obtención y uso del calor mediante colectores térmicos por donde fluyen (aire, agua u otro fluido), este calor recogido a través de los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades del hombre como la obtención de agua caliente (consumo doméstico o industrial), para fines de calefacción (invernaderos, secadores, etc.).
c) Tema solar con circulación natural: Efecto Termosifón
Orbegozo y Arivilca (2010), sostienen que cuando la radiación solar llega a la superficie del absorbente, éste se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor en el colector son mínimas debido a la presencia de la cubierta y al aislamiento, el calor recogido es transferido a la masa de agua en los tubos por transferencia de calor. El agua se calienta y sube por la tubería superior hacia el tanque de almacenamiento. El agua caliente es más ligera y menos densa que el agua fría, por lo que se va a la parte más alta del tanque. Existe una tubería que lleva el agua del colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector hacia el tanque es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior. El agua más fría que se encuentra en el tanque de almacenamiento alimenta por la parte más baja del colector con agua fría, generándose una circulación natural, el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría será calentada nuevamente en el colector gracias a la radiación solar, cerrando así el circuito denominado efecto termosifón (circulación natural). Las temperaturas a alcanzarse en el colector dependen de la temperatura del medio ambiente, del grado de aislamiento del sistema alcanzando temperaturas entre los 40 ºC y 90 ºC tal
como se muestra en la Figura 4 donde T1 simboliza a la tubería de agua caliente y T2 simboliza a la tubería de agua fría que alimenta al colector (Orbegozo y Arivilca, 2010).
Figura 4. Circulación natural del agua (Efecto Termosifón)
Fuente: Valera (2007)
Valera (2007) sostiene que existen cuatro principios físicos en la que toda terma solar basa su operación como:
En la absorción de la radiación directa y la difusa que son absorbidos al máximo si el colector solar se pinta con pintura negra mate cuyo coeficiente de absorción α es igual a 0.90, seguida de la pintura negra esmalte cuyo coeficiente de absorción es igual a 0.80 y por último la pintura blanca cuyo coeficiente de absorción es 0.25.
En la formación de un pequeño efecto invernadero generado por el vidrio que es transparente a la radiación solar (visible e infrarroja); pero que es opaco a la radiación infrarroja lejana que emite el cuerpo calentado por ello el colector actúa como una trampa de calor.
En la transferencia de calor por conducción de un gradiente de temperatura que se transmite entre la plancha metálica del absorbente hacia los tubos (de cualquier material) y de éstos a la vez a la masa de agua que circula por el interior de las tuberías.
Por el efecto termosifón el agua circula en el sistema debido al aumento de su temperatura en el colector solar, el agua sale caliente del colector con una densidad menor que el agua fría y sube a la parte superior del tanque de almacenamiento, compensada con el agua fría que sale del tanque hacia el colector estableciéndose así un ciclo de circulación natural, sin la necesidad de utilizar ninguna bomba o dispositivo similar (Figura 5).
c) Partes de una terma solar plana con circulación natural
La terma solar con efecto termosifón es un sistema de fácil construcción y permite calentar el fluido (agua) utilizando la radiación solar y almacenarla en su tanque aislado térmicamente para luego ser usada en el momento que se quiera. Su eficiencia y tiempo de duración dependen de los materiales
Figura 5. Terma Solar
Fuente: Valera (2007)
con la que son construidos. Consta de tres partes: (a) Colector solar, (b) Tanque de almacenamiento y (c) Sistema de tuberías tal como se puede apreciar en la Figura 5.
Tanque de Almacenamiento
Tanque que se puede construirse o comprarse (nuevo o usado) donde se almacena el agua calentada por el colector. Para los sistemas menores o igual a 1 000 litros, se pueden utilizar cilindros de plástico, contenedores de plástico reciclados.
Para la investigación se empleó un tanque de 140 litros de capacidad de forma cilíndrica y de polietileno, con un volumen de trabajo de 120 litros. Para aislar térmicamente este tanque se construyó una caja con plancha de triplay y listones de madera, en cuya base y lados de la caja se colocó planchas de tecnoport de una pulgada de espesor para el aislamiento térmico y sobre ella se asentó el tanque de almacenamiento de agua, alrededor del tanque se colocó viruta de tecnoport para preservar el calor. Esta caja de madera tiene una puerta de madera con su manilla para tener acceso al tanque y poder manipular y se protege de la lluvia con un techo de calamina a doble agua. En este tanque aislado térmicamente con tecnoport se almacena el agua que se irá calentando durante el día en el colector solar, este tanque aislado permite mantener caliente el agua el mayor tiempo posible. Este tanque de almacenamiento tiene una salida de agua a la altura de su base, hacia el colector solar, y una conexión en su tercio superior para entrada del agua caliente que vendrá del colector solar; a 5 cm arriba de esta última conexión se instaló la tubería de salida de agua caliente (ducha) (Lobato y Barrena, 2016).
Figura 6. Tanque de almacenamiento
Fuente: Elaboración propia
El Colector
Orbegozo y Arivilca (2010) mencionan que la parte principal de una terma solar es el colector cuya función es la conversión de la radiación solar en calor y conducir este calor al agua (fluido) que circula por las tuberías en el colector.
Duffie y Beckman (2013), citado por Lobato y Barrena (2016, p.2) sostienen que el colector solar es un tipo de intercambiador de calor el cual transforma la radiación solar captada en calor. En este colector solar, la transferencia de energía se da desde el Sol que es una fuente distante de energía radiante hacia el fluido. El flujo de radiación incidente sin concentración óptica es aproximadamente 1 100 W/m2, y es variable. El colector plano puede diseñarse para el suministro de energía y aplicaciones a temperaturas moderadas arriba de los 10 °C sobre la temperatura ambiente usando la radiación solar directa y la difusa. La eficiencia del colector es influida por su calentamiento desde temprano en la mañana cuando está a baja
temperatura hasta la temperatura final de operación en la tarde; también influye el comportamiento intermitente durante el día cuando las fuerzas impulsoras como la radiación solar y el viento cambian rápidamente (Lobato y Barrena, 2016).
Orbegozo y Arivilca (2010), mencionan que el colector plano de la terma solar consta de un absorbente pintado con pintura esmalte de color negro mate, del cual se extrae el calor mediante el fluido (agua) del colector; una cubierta transparente que generalmente es el vidrio; aislamiento con tecnoport tanto en la parte posterior y los lados del absorbente y una cubierta de protección para el absorbente y su aislamiento.
Figura 7. Colector Solar Fuente: Orbegozo y Arvilca (2010)
El Colector tiene las siguientes partes:
Caja del colector:
La caja del colector se puede construir de metal, madera o plástico, sirve para proteger las distintas partes del colector de agentes externos como la lluvia, la humedad y el viento (Figura 8).
Se puede utilizar madera ya que este material es un aislante por naturaleza, por lo que no será necesario aislar el interior del colector. Es necesario proteger la madera para ello debe de pintase con pintura esmalte para que no se deteriore por agentes externos como el agua, la humedad y la luz solar (Orbegozo y Arivilca, 2010).
Figura 8. Cajas de Colector
Fuente: Fernández y Tuesta (2014)
Para la presente investigación se construyeron dos cajas de forma rectangular de 1,5 m de largo por 1m de ancho con 4 listones de madera de 4” x 1”, cuyo fondo se reforzó con dos listones del mismo tipo sobre el que se colocó una plancha de triplay, sobre este fondo (base) se colocó un aislante térmico (plancha de tecnoport de 1”) para mejorar la eficiencia en la transferencia de calor, teniendo presente que mientras mejor aislada esté la caja mayor temperatura alcanzará el agua en el interior de los tubos del colector solar. De igual manera se colocó tecnoport de una pulgada en el interior de la caja en las caras laterales para que no exista fuga de calor. Para una mayor absorción de radiación solar todo el tecnoport del interior de la caja fue cubierta con papel de aluminio, sobre éste se colocó la plancha de latón pintada con pintura esmalte negro mate. Sobre esta plancha de latón se colocaron los serpentines (tubos y accesorios) de ½” de Cobre y CPVC (Lobato y Barrena, 2016).
Material absorbente:
Orbegozo y Arivilca (2010) sostienen que el absorbente puede construirse utilizando diferentes materiales como son el aluminio, cobre o acero, debiendo utilizar materiales con mayor conductividad del calor.
Continua Orbegozo y Arivilca, éste absorbente deberá tener ciertas características como son: alta eficiencia de absorción; bajo nivel de pérdidas de calor (buen aislamiento); un buen sistema de tuberías; una buena conducción de calor entre la placa del absorbente y el fluido que circula por el colector. Existen tres tipos de absorbentes eficientes como son: a) Serpentín (Figura 10), b) Registro tubular (Figura 11) y c) Placa (Figura 12).
Figura 9. Cajas de Colector de la terma solar
Fuente: Elaboración Propia
Figura 10. Absorbentes de serpentín Fuente: Elaboración Propia
Figura 11. Absorbentes de registro tubular
Fuente: Orbegozo y Arivilca (2010)
Figura 12. Absorbentes de placa
Fuente: Orbegozo y Arivilca (2010)
Para nuestra investigación se construyó un absorbente de tipo serpentín (Figura 13).
Lobato y Barrena (2016) refieren que el absorbente tipo serpentín, está constituida por un serpentín de 10 vueltas de tubos de cobre de ½ pulgada y CPVC de 0.90 m de ancho que se conectan en su parte inferior y superior con tees y niples de Cobre y CPVC con una separación de tubo a tubo de 8
Figura 13. Absorbentes tipo serpentín construida para la investigación Fuente: Elaboración propia
cm. A las conexiones de Cobre se aplicó soldadura autógena y en las conexiones de CPVC se utilizó pegamento especial para tuberías de agua caliente. Por la parte inferior de cada serpentín de tubos ingresa el agua a menor temperatura y por la parte superior sale el agua a mayor temperatura. Los serpentines de tubos se pintaron con esmalte negro mate y luego se fijaron sobre la plancha de latón con alambre galvanizado en varios puntos (serpentín de CPVC), el serpentín de cobre se fijó con soldadura autógena utilizando bórax afín de tenga un buen contacto de la plancha de latón con el serpentín de cobre y favorezca la conducción del calor.
Cubierta transparente
Según Orbegozo y Arivilca (2010) el colector deberá contar con una cubierta transparente que sea durable, de fácil manejo, que absorba la radiación solar y que ayude a reducir las pérdidas de calor en el colector además de proteger la superficie del absorbente del calor, humedad, lluvia, contaminación entre otros, alargando de esta manera la vida útil del revestimiento. Las cubiertas como vidrios, láminas de plástico, vidrio acrílico son las que nos ofrece el mercado.
En el siguiente cuadro se presenta la comparación de los materiales mencionados, sus ventajas y desventajas para ser utilizados como cubiertas en los colectores solares:
Tabla 1
Comparación entre las ventajas y desventajas de materiales más utilizados para cubiertas transparentes en los colectores
MATERIAL VENTAJA DESVENTAJA
Vidrio Es estable y durable a la
radiación ultravioleta. Son pesados, produce una reducción de luz, difícil de obtener, costos altos y puede romperse.
Lámina de Plástico Posee alta transmisión de la luz, peso ligero, de fácil manipulación y obtención.
La durabilidad depende del tipo y calidad de la lámina de plástico (pocos meses y varios años).
Vidrio acrílico
Buena calidad de insolación, es ligero y de fácil manipulación.
Se torna opaco con el uso, es blando y se rompe fácilmente (no durable). No resiste la radiación UV.
Fuente: Streib (1992), citado por Orbegozo y Arivilca, (2010, p.50)
Para nuestra investigación se utilizó como cubierta o tapa del colector vidrio de un espesor de 4 mm, fijado a la caja por varillas de ángulo de una pulgada de madera y tornillos. Se utilizó marroquín negro de un ancho de 20 cm a los costados de la caja para un buen sellado.
Sistemas de tuberías
Para este sistema se puede utilizar tuberías de fierro, fierro galvanizado, cobre, policloruro de vinilo (CPVC) u otro material que tiene como función transportar el agua fría o caliente a través de los elementos que forman la terma solar, debemos aislarlas con tecnoport afín de evitar las pérdidas de calor del agua.
Valera (2007) sostiene que los materiales aislantes se emplean en todos los componentes de la terma solar como propiedad deben de tener un coeficiente de conductividad térmica muy bajo, para que los objetos protegidos con estos materiales guarden muy bien tanto el frio como el calor.
Los aislantes más usados para estos propósitos son: el tecnoport, la fibra de vidrio, espuma plástica, poliuretano, entre otros dependiendo el uso a darse.
Para nuestra investigación se utilizó el tecnoport para aislar el tanque y las tuberías de agua caliente.
f) Transmisión de calor en los colectores de placa plana
La trasmisión de calor en los colectores planos se va a dar por conducción, convección y radiación.
Por conducción: En los colectores solares de la terma se da por el mecanismo de transferencia de calor por conducción en escala atómica que se dan por actividad molecular, por la cual la plancha de latón pintada con negro mate absorbe el calor de la radiación solar y por el choque de las moléculas de la plancha (partículas más energéticas) le entregan energía a las menos energéticas que son las tuberías de Cobre y CPVC y estas a la vez a la masa de agua fría que circula por su interior, produciéndose de esta manera un flujo de calor que va desde las temperaturas más altas a las más bajas.
Por principio la conducción de calor sólo ocurre cuando hay diferencias de temperatura (uno alta y otra baja) entre dos partes del medio conductor. Está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier:
dx A dT dt k
H dQ
Sea un volumen de espesor ∆x, con un área de sección transversal A y en cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes temperaturas como T1 y T2,
con una T2 mayor a T1, se encuentra la variación del calor ∆Q transferido en una variación de tiempo ∆t fluye del extremo caliente al más frío. La rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t viene a ser el calor transferido por unidad de tiempo, se expresa en Watts, tal como se muestra en la Figura 14 (Conesa, 2013).
∆x
Por Convección: Como mecanismo de transferencia de calor está dado por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia esta se da por el aire caliente retenido en el colector como un pequeño efecto invernadero.
Este calor conjuntamente con la conducción de la plancha y la radiación solar hacen que caliente el agua el cual por las diferencias de densidades del agua esta suba al tanque de almacenamiento (efecto termosifón), dándose en forma repetitiva (Conesa, 2013).
El modelo a utilizarse para la transferencia de calor H por convección es la llamada ley de enfriamiento de Newton:
) ( T T A
h
H
A
Donde h es el coeficiente de convección expresado en W/(m2K), A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T (Figura 15).
2
T A
H T
1Figura 14. Proceso de conducción Fuente: Conesa (2013)
Figura 15. Proceso de convección Fuente: Conesa (2013)
La Figura 15 nos indica que el flujo de calor por convección es positivo (H
> 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA <
T).
Por Radiación: En los colectores de la terma solar la radiación térmica está dada por la radiación solar directa y difusa, que atraviesa los vidrios y calienta la plancha de latón y ésta también se va dar desde la plancha hacia afuera en todas las direcciones. La radiación se produce por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas llamadas fotones, conocida como radiación electromagnética que es la combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio y transportan energía de un lugar a otro, estas ondas fácilmente atraviesan el espacio interplanetario e interestelar y llegan a la Tierra desde el Sol y las estrellas a la velocidad de la luz.
La longitud de onda (λ) y la frecuencia (
ν
) de las ondas electromagnéticas se relacionan matemáticamente mediante la expresiónλν
= c, sirven para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración entre otras (Conesa, 2013).Los fotones que son emitidos o recibidos están relacionados por la ecuación de Max Planck:
E hc
agua
T
H
Donde h es la constante de Planck, el valor de h = 6,63 x 10-34 J.
Balance Energético en los colectores
A través de un balance de energía se puede hallar la distribución de la energía solar incidente sobre un colector de placa plana y su transformación en energía útil, donde las pérdidas de calor son despreciables si consideramos que los colectores están térmicamente aislados en estado estacionario, el valor de la caída entre la placa superior e inferior es despreciable, mientras que las transmisiones de la energía se dan por conducción, convección y radiación.
El agua en los colectores no llega a la ebullición, por ello para el balance térmico se utiliza la ecuación de la Energía térmica útil o ganada extraída de la ecuación de la eficiencia térmica (Valera, 2007; Duffie y Beckman, 2013;
Jäger et al., 2014; Kyoung-ho Leea y Nam-choon Baekb, 2014; Weiss, 2016):
Energía térmica ganada: ET = m. c. ∆T (2)
Donde:
m: masa de agua en la terma = 120 L = 1,2 x105 g c: calor específico térmico agua = 4,18 J/g.°C
∆T = Temperatura máxima del agua (4: 00 p.m.) – Temperatura del agua en el tanque al inicio (8:00 a.m.), °C. (Datos sacados de los reportes experimentales promedios para días soleados, combinados y nublados).
f) Aspectos Ambientales
Jara (2006) refiere en cuanto a los aspectos ambientales de la energía solar térmica con sus sistemas pasivos y activos, como un aspecto positivo por la desaparición de todos los impactos que ocasionan el uso de los
combustibles fósiles, en especial por la gran cantidad de CO2 emitida a la atmósfera en los procesos de combustión así como sus nefastas consecuencias para los seres vivos como es el Cambio Climático y como aspecto negativo se tiene los impactos visuales.
En cuanto a los beneficios ambientales que traerá nuestro proyecto, es que evita el uso de combustibles fósiles evitando la emanación de gases efecto invernadero (GEI), evitando la deforestación por el consumo de leña para calentar el agua en las zonas altoandinas, buscando la sostenibilidad.
Este no atrae mayor repercusión ambiental.
1.3. Definición de términos básicos
A continuación, se presenta los Glosario de términos técnicos que ayudarán a comprender mejor la investigación.
a) Absorbedor: Viene a ser el conjunto de tuberías finas que se construyen con el fin de convertir la radiación solar en calor por ello se convierte en el componente principal del colector solar, donde el flujo másico (agua) circula por el interior de los delgados tubos de Cobre (100 milímetros aproximadamente) u otros materiales que transportan el calor absorbido hacia el fluido en circulación (agua), los tubos no deberán estar muy separados, además de estar soldados o unidos a la plancha metálica principal afín de realizar una óptima transferencia de calor de la plancha mencionada al sistema de tuberías y estos a la masa del fluido (Escoda, 2017).
b) Aislamiento térmico: Son los materiales que tienen bajo coeficiente de conductividad térmica, su utilización permite la reducción de las pérdidas de calor en los sistemas solares, entre los más recomendados tenemos al tecnoport, fibra de vidrio, entre otros (Orbegozo y Arivilca, 2010).
c) Ángulo de inclinación del colector: Viene a ser el menor ángulo que se forma entre el plano horizontal y el plano de abertura del colector solar
(Orbegozo y Arivilca, 2010).
d) Área total del colector: Es el Área máxima proyectada del colector completo como resultante de las medidas exteriores del colector hasta los bordes externos (Escoda, 2017).
e) Colector de placa plana: Es el colector solar cuya superficie de absorción es plana, considerada como colector no concentrador (Orbegozo y Arivilca, 2010).
f) El Colector Solar: Conocido como captador solar, viene a ser el componente más importante de la terma solar ya que en su interior se calienta el fluido (agua) a través del circuito primario debido al calor que esta almacena debido a los efectos de la radiación solar. El objetivo de los colectores es convertir la radiación solar en calor para calentar el agua que circula por su interior (Escoda, 2017).
g) Cubierta del colector: Son los materiales transparentes (o traslúcidos) que se utilizan en el colector solar para cubrir el absorbedor cuya función principal es la de minimizar las pérdidas de calor del colector, así como proteger de la lluvia, la humedad, el sol (intemperie). Entre las cubiertas tenemos al vidrio, el plástico entre otros (Orbegozo y Arivilca, 2010).
h) Energía solar disponible: Viene a ser la cantidad de radiación solar que se estima a partir de las mediciones hechas en un lugar determinado, como parte de un proceso diario mensual (Orbegozo y Arivilca, 2010).
i) Fluido: Es una sustancia que continuamente se deforma es decir fluye al aplicársele una tensión tangencial por muy pequeña que esta fuera. A los líquidos y gases se le consideran fluidos (Mott, 2006).
j) Heliógrafo: Instrumento que mide la insolación o tiempo en que el Sol luce en un día determinado (Centro de Estudios de la Energía Solar
[SENSOLAR], 2009, p.142).
k) Instalaciones foto térmicas: Son aquellas en que se aprovecha la conversión de la energía de los fotones solares en energía térmica, energía que generalmente es destinada al calentamiento de un fluido (SENSOLAR, 2009).
l) Provincia Altoandina: Considerada en la Argentina desde los límites con Bolivia hasta Tierra del Fuego. Con una ubicación a un máximo de 4400 m.s.n.m. en el norte de la Argentina, hasta un mínimo en la Tierra del Fuego de 500 m.s.n.m. Con característica de suelos inmaduros, rocosos o arenosos. En el norte se consideran así por encima de los 4.000 m.s.n.m., en Mendoza por encima de los 3 000 m.s.n.m y en las Tierras del Fuego por encima de los 500 m.s.n.m. (Pisano, 2007).
m) Radiación Solar: Son los flujos de energía en forma de ondas electromagnéticas que recibimos del Sol de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Cerca de la mitad de las que recibimos, Se encuentran comprendidas entre 0,4
m y 0,7
m fácilmente detectadas por el ojo humano (luz visible), la mayor parte de la otra mitad se centra en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta (Orbegozo y Arivilca, 2010).n) Rendimiento energético (ῃ): Matemáticamente viene a ser la relación entre la potencia térmica generada y la irradiación solar incidente, es adimensional y es expresada en porcentajes (%) (Escoda, 2017).
o) Sistemas por termosifón: Son sistemas donde la circulación del fluido (agua) se efectúa por convección natural debido a las diferencias de densidad entre el fluido y el calor portante (caliente-frio). El agua asciende al tanque al calentarse y transfiere calor al agua acumulada y vuelve más frío al colector, a este principio se le denomina circulación por termosifón
sin la necesidad de bombas o energía eléctrica auxiliar. (Escoda, 2017).
p) Zona altoandina: Concepto no muy claro en el Perú, de acuerdo al reglamento de la Ley N° 29482, Ley de Promoción para el Desarrollo de Actividades Productivas en Zonas Altoandinas (Decreto Supremo Nº 051‐
2010‐ EF), en el artículo dos considera a las zonas altoandinas aquellas empresas que operan sobre los 2500 m.s.n.m. ello infiere a poblaciones sobre los 2 500 m.s.n.m. (Ministerio de Economía y Finanzas [MEF], 2010).
La radiación solar se midió con un instrumento llamado piranómetro. Estos pueden ser estacionarios o digitales tales como se muestran en la Figura 16 con la que se realizó la investigación.
Figura 16. Piranómetro Digital marca Volcraft Modelo SPM-1DMM Fuente: Elaboración Propia
1.4. Hipótesis
1.4.1. Hipótesis General
La eficiencia de una terma solar con colector de Cobre y colector de CPVC para zonas alto andinas será mayor a 50 %.
1.4.2. Hipótesis Específicos
a) La temperatura del agua en la entrada es menor a 15 °C y en la salida del colector solar de 1,5 m de largo por 1 m de ancho con serpentín de tubo y accesorios de Cobre son mayores a 50 °C.
b) La temperatura del agua en la entrada es menor a 15 °C y en la salida
del colector solar de 1,5 m de largo por 1 m de ancho con serpentín de tubo y accesorios de CPVC son mayores a 50 °C.
c) La ganancia de Temperatura del colector solar de Cobre y de CPVC son mayores a 70 °C.
d) La influencia de la radiación solar sobre la temperatura interior de los colectores solares es directamente proporcional.
1.5. Operacionalización de las variables
1.5.1. Variables dependientes e independientes a) Variables Dependientes
VD: Eficiencia de una terma solar con colector de Cobre y colector de CPVC
b) Variables Independientes
VI-1: Entrada de agua al colector de CPVC VI-2: Entrada de agua al colector de Cu
VI-3: Salida de agua caliente del colector de CPVC VI-4: Salida de agua caliente del colector de Cu VI-5: Temperatura dentro del colector de CPVC VI-6: Temperatura dentro del colector de Cu VI-7: Temperatura ambiental
VI-8: Temperatura del tanque VI-9: Radiación solar
1.5.2. Eficiencia energética
La eficiencia energética (ηE) de una terma solar plana se define como la división entre la energía térmica útil ganada por la terma y la energía solar recibida o disponible ese día. Es necesario tener en cuenta la evolución de la temperatura en el tanque de agua y la radiación solar correspondiente. Un