INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN
DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UN COLECTOR SOLAR PLANO
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MECÁNICO PRESENTAN:
LUIS ENRIQUE CARMONA HERNÁNDEZ ROGELIO ROJAS ACEVEDO
MÉXICO D.F., FEBRERO 2007
A DIOS:
POR BRINDARME LA OPORTUNIDAD DE LLEGAR A ESTA ETAPA DE MI VIDA Y PERMITIRME SER PARTE DE LA FAMILIA A LA QUE
PERTENEZCO.
A MIS PADRES:
POR DARME LA VIDA, EL AMOR, EL APOYO, LOS VALORES, LA EDUCACIÓN Y TODO LO NECESARIO PARA PODER ALCANZAR MIS
SUEÑOS.
A MIS HERMANOS:
POR EL EJEMPLO QUE HAN SIDO PARA MI, POR SU AMOR, POR SU COMPAÑÍA Y POR SU APOYO INCONDICIONAL QUE SIEMPRE ME
HAN DADO.
A MI TIO ENRIQUE Y A MI ABUELITA LUPITA:
POR ESTAR SIEMPRE AL TANTO DE MI BIENESTAR Y QUE NO ME FALTE NADA, POR SUS CONSEJOS Y SU AMOR.
A LORENA:
QUE FUE UNA PARTE IMPORTANTE EN ESTA ETAPA DE MI VIDA Y QUE SIEMPRE ME MOTIVO A SEGUIR ADELANTE CON SUS
CONSEJOS, SU PACIENCIA Y SU AMOR.
A TODOS MIS AMIGOS:
POR SU AMISTAD Y APOYO, POR QUE HEMOS COMPARTIDO MOMENTOS QUE SERÁN DIFICILES DE OLVIDAR.
A TODA MI FAMILIA:
POR SU CARIÑO Y APOYO MORAL QUE SIEMPRE ME HAN BRINDADO
A MI TIA ESTELA:
QUE ME APOYO A RETOMAR MI CARRERA Y ME BRINDO SU CARIÑO Y COMPRENSIÓN.
A VERETRA Y LA FAMILIA LÓPEZ:
POR LA CONFIANZA Y LAS FACILIDADES BRINDADAS PARA PODER
DESARROLLAR ESTE TRABAJO.
JUSTIFICACIÓN
En el mundo se agudiza el problema energético debido a la escasez de los recursos no renovables como el petróleo, por lo que es necesario aprovechar otras fuentes de energía como lo es la solar, que además de ser renovable y prácticamente inagotable es natural y no contaminante.
En nuestro país, con las ventajas mencionadas anteriormente y la excelente ubicación geográfica, representan una gran ventaja, principalmente para los estados del sur de la republica. Por lo que es necesaria la difusión, conocimiento y aprovechamiento eficiente de esta energía alternativa, particularmente en el caso de los colectores solares, pues es necesario que la ingeniería con la innovación tecnológica impulse este tipo de aplicaciones con la finalidad de eficientar y promover la utilización de estos sistemas.
PROBLEMA
La escasez de las reservas petroleras de nuestro país y sus productos derivados, debido al acelerado crecimiento de la población y en consecuencia de la industria, nos llevan a mirar al futuro y pensar ¿que pasara cuando estas reservas se agoten?, ¿que alternativas existen y cual es su funcionamiento y aplicación?
HIPÓTESIS
Una fuente alternativa de energía y con un alto grado de aprovechamiento es la energía solar, que hasta ahora cuenta con algunos sistemas no contaminantes, de fácil funcionamiento y amplia aplicación, entre los cuales podemos encontrar los colectores solares, para el calentamiento de fluidos, que a pesar de tener una eficiencia muy baja, es la mejor opción para la sustitución de los actuales sistemas a base de hidrocarburos.
OBJETIVO
Proporcionar un modelo para aplicaciones prácticas y útiles de los colectores solares, así como difundir su uso, aprovechamiento, ventajas y desventajas que este tipo de sistemas representan en la actualidad.
RESUMEN
Los cambios climatológicos globales tan drásticos y el efecto invernadero que sufre en la actualidad la Tierra, es un claro ejemplo de los niveles tan altos de contaminación que el hombre ha causado. Por lo cual es momento de cambiar de perspectiva y visualizar otras fuentes de energía alterna que nos permitan generar la energía necesaria para desarrollar nuestras actividades cotidianas pero con la diferencia de disminuir, o en el mejor de los casos evitar todo tipo de contaminación.
Ahora existe una gran variedad de fuentes de energía empleadas en sistemas con aplicaciones prácticas. Algunos de esos sistemas basados en el aprovechamiento de la energía solar van desde colectores solares, pasando por todas las variantes de los invernaderos y hornos hasta celdas solares: ”Lamentablemente, la difusión de estos sistemas fundados en un tipo de energía natural no contaminante es prácticamente nula”, lo que implica que su aprovechamiento sea mínimo. Esto ha generado que el mercado comercial sea pequeño, al igual que la demanda y en consecuencia, en la mayoría de las aplicaciones, el costo de producción sea tan elevado.
INDICE
INTRODUCCIÓN ... 8
CAPITULO I FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ... 12
1.1 El sol ... 12
1.1.1 Orientación ... 16
1.1.2 Ángulo de inclinación ... 17
1.1.3 Coordenadas celestes... 18
1.1.4 La Esfera Celestial: ... 20
1.1.5 Acimut (Azimut) ... 20
1.1.6 Altacimutal... 22
1.2 Antecedentes de la energía solar... 22
1.3 Situación Geográfica de México... 23
1.4 La investigación solar en México ... 28
1.5 Colectores ... 30
1.5.1 Colectores planos y tubulares... 31
1.5.2 Colectores de concentración: ... 31
1.5.3 Colectores de placa plana: ... 33
CAPITULO II CONSTRUCCIÓN DEL MODELO... 37
2.1 Modelo ... 38
2.2 Descripción general del sistema... 50
2.3 Disposición de los colectores... 50
2.4 Área de los colectores y volumen de acumulación... 53
2.5 Fluido portador... 54
2.6 Sistema de control... 55
2.7 Condiciones ambientales ... 58
2.8 Datos generales ... 59
2.9 Balance energético ... 59
CAPITULO III
PRUEBAS AL MODELO ... 60
3.1 Prueba 1. Recepción del colector solar ... 61
3.2 Prueba 2. Presión estática previa a la prueba de exposición de treinta días. ... 65
3.3 Prueba 3. Exposición a la radiación solar ... 67
3.4 Prueba 4. Choque térmico con rocío de agua ... 72
3.5 Prueba 5. Choque térmico con circulación de agua fría ... 74
3.6 Prueba 6. Presión estática posterior a la prueba de exposición de 30 días ... 75
3.7 Prueba 7. Eficiencia térmica del colector solar... 76
3.8 Prueba Final. Desarmado e inspección final... 81
CAPITULO IV DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 85
4.1 Informe de las Pruebas de Funcionalidad ... 86
4.2 Costo ... 88
4.3 Inversión ... 88
4.4 Aplicaciones... 89
4.5 Vida útil ... 92
V. CONCLUSIONES ... 94
VI. FUENTES DE INFORMACIÓN ... 100
ANEXO A... 103
ANEXO B... 105
INTRODUCCIÓN
El sistema climático mundial está experimentando una alteración originada por la evolución y desarrollo del hombre, asociada a las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), producidas principalmente por la producción y utilización de la energía, particularmente por la quema de combustibles fósiles.
De acuerdo con el Panel Intergubernamental de Cambio Climático Global de las Naciones Unidas, de continuar el crecimiento en las emisiones y concentraciones atmosféricas de GEI, la temperatura de la atmósfera terrestre podría elevarse entre 1.4 y 5.8 grados centígrados durante este siglo. Como causa de este aumento en la temperatura, el nivel medio del mar podría elevarse entre 9 y 88 centímetros y se generarían cambios en los patrones climáticos, con posibles efectos catastróficos en diversas zonas del planeta, el Distrito Federal no está exento de ser afectado por estos cambios.
El petróleo y sus productos derivados, han sido desde la revolución industrial y durante mas de dos siglos, la principal fuente de energía que nos proporciona los recursos necesarios para cubrir nuestras necesidades energéticas diarias, ya que interviene directa o indirectamente en todas las ramas y aplicaciones de la industria.
Lamentablemente esta fuente natural es no renovable, y además de ser altamente contaminante a cada segundo que pasa las reservas petroleras a nivel mundial se agotan, pues el acelerado crecimiento de la población y en consecuencia de la industria ha incrementado la demanda de este combustible. Lo que nos lleva a mirar hacía el futuro y pensar que pasará cuando esté se agote, que alternativas existen, cual es su funcionamiento y cuales son sus aplicaciones.
Cuando en 1973 se produjeron eventos importantes en el mercado del petróleo en el mundo, que se manifestaron en los años posteriores en un encarecimiento notable de esta fuente de energía no renovable, resurgieron las preocupaciones sobre el suministro y precio futuro de la energía. Resultado de esto, los países consumidores, enfrentados a los altos costos del petróleo y a una dependencia casi total de este energético, tuvieron que modificar costumbres y buscar opciones para reducir su dependencia de fuentes no renovables.
Así, hacia mediados de los años setenta, múltiples centros de investigación en el mundo retomaron viejos estudios, organizaron grupos de trabajo e iniciaron la construcción y operación de prototipos de equipos y sistemas operados con energéticos renovables. Asimismo, se establecieron diversas empresas para aprovechar las oportunidades que se ofrecían para el desarrollo de estas tecnologías, dados los altos precios de las energías convencionales.
Existen muchas alternativas para la satisfacción de las demandas energéticas actuales. La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos), la energía geotérmica (que es el aprovechamiento del calor por la generado por la tierra) y la energía gravitacional contenida en las mareas son algunos ejemplos de fuentes no convencionales de producción energética que varían en cuanto a su factibilidad y costos iniciales de capital requeridos para su implementación. Otra alternativa, que actualmente se encuentra en pleno desarrollo, con algunos avances de gran importancia en ciertas aplicaciones, y que además de ser una fuente de energía renovable y no contaminante, promete ser parte importante del futuro de la industria energética, es el empleo de la energía solar en todas sus formas,
La energía solar comprende a todos los tipos de manifestaciones derivadas en forma directa o indirecta de la continua acción de transformación materia-energía que se lleva a cabo por medio del proceso de fusión nuclear que ocurre en el sol. Entre éstos se tiene a la energía de los vientos, producida por el calentamiento diferenciado de las diversas capas de aire de la atmósfera; la energía almacenada en los seres vivientes, aprovechable en una forma conocida como biomasa; la energía fotovoltaica, susceptible de ser transformada (mediante el empleo del efecto fotoeléctrico) en energía eléctrica; el calor solar, que puede ser aprovechable como una fuente térmica de alta calidad, y otras.
El sol es una estructura cambiante, segundo a segundo. Según estudios realizados, la temperatura media de la Tierra ha experimentado un aumento en los últimos 40 años; las causas de este calentamiento están en estudio, aunque existen distintos y variados puntos de vista al respecto. Unos culpan de ello al monóxido de carbono producido por el hombre en los procesos de combustión, otros acusan a los rayos cósmicos, a los aerosoles etc. etc.
El sol es una estrella de tipo medio del grupo de las llamadas enanas, con un radio de aproximadamente 690.000 kilómetros. Su masa es 332.500 veces la del planeta Tierra. Su brillo permanece desde hace más de 5.000 millones de años. Debido a las reacciones nucleares que se producen ininterrumpidamente en su interior, se consigue la energía que el sol produce e irradia. En estas los átomos de hidrógeno, se combinan entre sí para formar átomos de helio, una parte pequeña de la masa de los átomos de helio se convierte en energía, que fluye desde el interior hasta la fotosfera y de allí es irradiada al espacio en todas las direcciones. La energía irradiada es transportada en forma de ondas electromagnéticas (fotones) en una amplia gama de longitudes de onda diferentes, se desplazan a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo y tarda ocho minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros de distancia que nos separa entre el Sol y la Tierra.
A nuestra estrella, el sol, se prevé que le quedan más de 5.000 millones de años para calentar y dar vida a nuestro planeta. Es aconsejable que aprovechemos el flujo de radiación que nos proporciona y que es la fuente principal de todas las formas de energía conocidas, además de las asociadas a los procesos vitales.
En el breve tiempo de un segundo, el Sol irradia en todas las direcciones del espacio una energía aproximada de 400 cuatrillones de julios; lo que genera una potencia aproximada de 400.000.trillones kilovatios; lo que es mucha más energía que la consumida por toda la humanidad desde su nacimiento hasta nuestros días
El 29 % de la radiación que llega a nuestro planeta es devuelta al espacio por el fenómeno de reflexión. El 47 % se convierte en calor al ser absorbida por la atmósfera, los mares y el suelo. Un 23 % se necesita para el ciclo hidrológico completo (evaporación del agua de los ríos, lagos, mares y océanos, etc.). El 0.2 % es responsable de los movimientos de circulación oceánica y atmosférica. El 0.02 % de la energía radiante incidente es capturada por las hojas verdes de las plantas para la producción de materia viviente.
La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. Así, una casa proyectada puede disponer de calefacción y agua caliente gracias a la energía solar, además el abasto permanente de agua caliente a una temperatura determinada estará garantizada con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaría en los periodos sin sol. Y en consecuencia el costo del consumo de energía eléctrica sería sólo del 25 % aproximadamente de lo que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar
Las aplicaciones de la energía solar en la solución de la problemática energética son variadas, desde el empleo de colectores solares e invernaderos hasta celdas solares. Con ella se pueden solucionar los conflictos de producción de energía eléctrica (con todas las ventajas que este tipo de producción significa para el transporte, las comunicaciones, etcétera).
Es por ello que, con la finalidad de difundir su empleo, ventajas y aplicaciones, trataremos sobre el tema de colectores solares, que forman parte de una de las muchas aplicaciones de la energía solar. Además esta idea no solo queda plasmada en el presente trabajo sino que se presenta en un modelo de aplicación, mediante el cual se lleva a cabo el calentamiento de agua para diferentes usos.
Si hablamos de los sistemas de aprovechamiento térmico tenemos que decir que el calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. Incluso podemos climatizar las piscinas durante gran parte del año. De forma
La energía solar se perfila como la solución más viable, para el calentamiento del agua, y la climatización natural de las viviendas, y por supuesto al cada vez más grave problema de la contaminación con bióxido de carbono (CO2) por la quema de gas y combustible fósiles.
Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con un potencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollo permitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar la base industrial en un área que puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía convencionales.
Actualmente se ha aprobado un proyecto de norma de construcción para casas y desarrollos habitacionales (PROY-NMX-ES-001-NORMEX-2005) emitida el 26 de abril de 2005, en donde se estimulara fiscalmente a las empresas constructoras de vivienda mas importantes, para utilizar la energía del sol como la solución mas viable para calentar el agua, la cual podría ser una solución integral para el medio ambiente y una solución económica para la gente de escasos recursos.
La Norma Mexicana es elaborada para disminuir el consumo de combustibles fósiles y su consecuente emisión de contaminantes, utilizando la radiación solar como fuente alterna de energía primaria, para calentamiento de agua de uso sanitario. Y tiene como objetivo el establecer los métodos de prueba para determinar el rendimiento térmico y las características de funcionalidad de los colectores solares que utilizan como fluido de trabajo el agua, y aplica a los colectores solares que proporcionen únicamente agua caliente en fase líquida.
Hoy en día, más de un cuarto de siglo después de la llamada crisis del petróleo, muchas de las tecnologías de aprovechamiento de energías renovables han madurado y evolucionado, aumentando su confiabilidad y mejorando su rentabilidad para muchas aplicaciones. Como resultado, países como los Estados Unidos de América, Alemania, España e Israel presentan un crecimiento muy acelerado en el número de instalaciones que aprovechan la energía solar de manera directa o indirectamente a través de sus manifestaciones secundarias.
Para analizar y plantear estrategias nacionales sobre energías renovables, la Secretaría de Energía se ha apoyado en la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE) creada como comisión intersecretarial en 1989 y elevada a la categoría de órgano desconcentrado de la Secretaría de Energía en 1999. A su vez, reconociendo su invaluable participación en el tema, la CONAE estableció, desde hace más de tres años, una alianza con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), y juntas han operado el Consejo Consultivo para el Fomento de las Energías Renovables (COFER).
CAPITULO I.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 El sol
El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 Km. de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 Km., aunque para nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos, cifra difícil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.
El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil.
En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Actualmente, el Sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85%
de helio (el resto son elementos más pesados).
Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partículas que intervienen se convierte en energía, la cual se puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc2; (donde E equivale a la energía, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que es igual a 300 000 Km./s). De esta forma, el Sol irradia la energía proveniente de la fusión de los núcleos atómicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra.
El Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía.
La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectro electromagnético. Para nosotros la más común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.
Para medir la cantidad de energía que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiación se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energía solar, lo que interesa es la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiación, soleamiento o insolación y las unidades para medirla son los watts*h/m² y el langley/día.
La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a 2 000 Km. de altura sobre la superficie y está compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su vez emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda.
Un ejemplo muy claro lo podemos observar cuando los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten una radiación de longitud de onda larga. Esta radiación de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación. Así, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero.
Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de la atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energético de la radiación solar.
Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora sólo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiación solar que recibe cada punto de la Tierra varía, dependiendo de la radiación directa y difusa que reciba.
Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximación de la radiación promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede.
Solamente 47% de la radiación solar que absorbe nuestra atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiación que se difunde en la atmósfera y se denomina, por ello, radiación difusa.
Por otro lado, la radiación solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 23% se va al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la atmósfera, 6% se pierde por difusión de aerosoles, 7 % se refleja en el suelo terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmósfera. La suma de estas pérdidas da un total de 53%.
6 % POR LA DIFUSIÓN DE AEROSOLES
ATMÓSFERA
100 % DE RADIACIÓN SOLARINCIDENTE
7 % POR LA REFLEXIÓN DEL SUELO
17 % ABSORCIÓN DE LAS CAPAS DE
LA ATMÓSFERA
ABSORCIÓN DEL SUELO
47 %
54 % 77 %
23 % POR LA REFLEXIÓN DE LAS NUBES
100 %
SOL
Figura 1. Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta (4mm).
Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiación que llega fuera de la atmósfera. Pero esto sólo ocurre con la radiación solar de onda corta (menor de 4 micrómetros). La Tierra absorbe esa radiación (47%), pero a su vez emite radiación de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiación de onda larga (mayor de 4 micrómetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmósfera. De esa manera, únicamente 29%
(47-18=29%) de la radiación total absorbida queda en nuestro planeta.
1.1.1 Orientación
Ahora bien, la Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslación y que realiza durante un año. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado eclíptica. Como el Sol está en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta está más cerca del Sol en una época y más lejos en otra. La Tierra alcanza su máxima aproximación al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 Km., posición llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada año.
A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada año, alcanza la posición más separada, su afelio, a 1.54 x 108 Km. de distancia.
Pero nuestro planeta no sólo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotación. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclíptica, sino que forma un ángulo de 23.45º.
Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta inclinación del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiación que recibimos del Sol, en cada caso.
La luz solar viaja en línea recta desde el sol hasta la tierra. Al penetrar la atmósfera terrestre, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie en línea recta.
Finalmente, una última parte es absorbida por la atmósfera. La luz solar dispersa se denomina radiación difusa o luz difusa. La luz del sol que cae sobre la superficie sin dispersarse ni ser absorbida, es, por supuesto, radiación directa. Como todos habrán constatado gracias a los baños de sol y al trabajo al aire libre, la radiación directa es la más intensa.
Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Por ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo, las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un panel orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse hacia el sur y en el Hemisferio Sur, hacia el norte.
1. Directa 2. absorción 3. reflexión 4. indirecta
Figura 2. Únicamente una pequeña fracción del total de luz solar alcanza, en efecto, la superficie de la tierra.
1.1.2 Ángulo de inclinación
El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los paneles solares alcanzan su máxima efectividad cuando están orientados hacia el sol, en un ángulo perpendicular con éste a mediodía. Por lo general, los paneles solares son colocados sobre un techo o una estructura y tienen una posición fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el cielo. Por lo tanto, no estarán orientados hacia el astro con un ángulo óptimo (90 grados) durante toda la jornada. El ángulo entre el plano horizontal y el panel solar se denomina ángulo de inclinación. Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones estacionales. En invierno, el sol no alcanzará el mismo ángulo que en verano. Idealmente, en verano los paneles solares deberían ser colocados en posición ligeramente más horizontal para aprovechar al máximo la luz solar. Sin embargo, los mismos paneles no estarán, entonces, en posición óptima para el sol del invierno. Con el propósito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los paneles solares deberán ser instalados en un ángulo fijo, determinado en algún punto entre los ángulos óptimos para el verano y para el invierno. Cada latitud presenta un ángulo de inclinación óptimo. Los paneles deben colocarse en posición horizontal únicamente en zonas cercanas al ecuador.
1. sol de invierno 2. sol de verano
Figura 3. Ángulo de inclinación óptimo en verano e invierno
Ligeras desviaciones de unos 5 grados con respecto del ángulo de inclinación óptimo tienen sólo un efecto menor en la producción de energía. Las diferencias a causa de las condiciones climáticas son más importantes en la producción de energía.
En el caso de los sistemas autónomos, el ángulo de inclinación óptimo depende del patrón de demanda mensual.
1.1.3 Coordenadas celestes
Así como la posición de un punto sobre la esfera terrestre puede determinarse por dos coordenadas, la "latitud" (o distancia angular del Ecuador) y la "longitud" (o distancia angular desde el meridiano de referencia o de Greenwich), también la posición de un astro puede determinarse por un par de coordenadas sobre la esfera celeste. Esta es la esfera ideal en la cual el observador se imagina estén colocados los cuerpos celestes.
Los sistemas más utilizados de coordenadas celestes son dos: El Sistema de coordenadas ecuatoriales y el sistema horizontal.
Para describir el sistema de coordenadas ecuatoriales imaginemos la esfera celeste con la Tierra en el centro. La proyección del Ecuador terrestre sobre ella toma el nombre de "ecuador celeste"; los polos Norte y Sur de la Tierra, proyectados sobre la esfera celeste, toman el nombre de "polos celestes"; la proyección de la órbita de la Tierra alrededor del Sol toma el nombre de eclíptica. El punto de cruce de la eclíptica con el Ecuador celeste es llamado "Equinoccio de primavera" o "primer punto de Aries"
y corresponde al punto en el que se encuentra el Sol a comienzos de la primavera. Ver figura 4.
El Sistema horizontal resulta de comprensión más inmediata para un observador terrestre ya que es este sistema el que proporciona las coordenadas instantáneas de un astro. Sus puntos de referencia son: el círculo máximo que coincide con el Horizonte del lugar de observación y que pasa por el Norte y el Sur y por el Cenit, llamado meridiano celeste.
Fijadas las referencias, las coordenadas del sistema horizontal son: la altura h, que es la distancia angular de una estrella sobre el horizonte (en la comparación con las coordenadas terrestres, corresponde a la latitud) y que se mide de 0º a 90º, el acimut, que es la distancia entre el círculo vertical que pasa por la estrella y el meridiano celeste. Habitualmente se mide de 0º a 360º a partir del Norte en sentido horario. En este sistema, a causa de la rotación de la Tierra, las coordenadas no determinan permanentemente la posición de una estrella, como en el sistema precedente, sino que sólo se refieren a la posición que ocupa en un instante de tiempo determinado.
Equinoccio de Otoño
Solsticio de Verano
ECUADOR CELESTE
POLO CELESTE SUR
Declinaci n Equinoccio
de Primavera
Ascenci n derecha
ECLIPTICA POLO CELESTE
NORTE
Solsticio de Invierno
Figura 4. Sistema de coordenadas ecuatoriales
Los dos números que especifican la posición de una estrella, en este sistema son el acimut, A, y la altitud, a. Una alternativa de uso frecuente a la altitud es la distancia del cenit, z, de la estrella. El acimut será definido como el ángulo entre la vertical a través del Punto norte y la vertical a través de la estrella, medido hacia el este del Punto Norte a lo largo del horizonte a partir de la 0 de 360°.
Es a menudo útil saber el como una estrella está sobre el horizonte y en qué dirección puede ser encontrado - ésta es la ventaja principal de este sistema. Pero la desventaja es que es un sistema coordinado local - es decir dos observadores en diversos puntos en la superficie de la tierra medirán diversos altitudes y acimutes para la misma estrella en el mismo tiempo.
1.1.4 La Esfera Celestial:
La esfera celestial tiene un poste celestial del norte y del sur así como un ecuador celestial que sean puntos de referencia proyectados a las mismas posiciones respecto a la superficie de la tierra. La ascensión y la declinación derechas sirven como un sistema coordinado absoluto fijado en el cielo, más bien que sistema relativo como el sistema de zenith/horizon. La ascensión derecha es el equivalente de la longitud, sólo está medida sobre horas, minutos y segundos (puesto que la tierra rota en las mismas unidades). La declinación es el equivalente de la latitud medido grados del ecuador celestial (0 a 90). Cualquier punto del celestial (es decir la posición de una estrella o de un planeta) se puede referir con una ascensión y una declinación derechas únicas.
La esfera celestial tiene un poste celestial del norte y del sur así como un ecuador celestial que se proyecten de puntos de referencia de la superficie de la tierra.
Puesto que la tierra gira su eje una vez cada 24 horas, las estrellas remontan arcos a través del cielo paralelo al ecuador celestial. El aspecto de este movimiento variará dependiendo de donde usted está situado en la superficie de la tierra.
Observe que la rotación diaria de la tierra hace cada estrella y planeta hacer una trayectoria circular diaria alrededor del poste celestial del norte designado el movimiento diurnal.
1.1.5 Acimut (Azimut)
Del árabe "as-sumut", plural de "as-samt", significa la dirección, el cenit. Ángulo que forma el círculo vertical que pasa por un punto de la esfera celeste o del globo terráqueo con el meridiano. Es una de las dos coordenadas del sistema altacimutal o sistema de coordenadas astronómicas horizontales.
La otra coordenada es la altura, que se mide como la distancia angular de un cuerpo celeste sobre el horizonte, es decir, el ángulo entre el plano del horizonte y la línea que une al observador y al cuerpo celeste, o el arco de circunferencia vertical que se extiende entre el cuerpo celeste y el horizonte.
En astronomía, un sistema coordinado celestial es un sistema coordinado para transposiciones en el cielo. Hay diversos sistemas coordinados celestiales cada uno que usa una rejilla coordinada proyectada en la esfera celestial, en analogía al sistema coordinado geográfico usado en la superficie de la tierra. Los sistemas coordinados se diferencian solamente en su opción del plano fundamental, que divide el cielo en dos hemisferios iguales a lo largo de un gran círculo. (el plano fundamental del sistema geográfico es el ecuador de la tierra). Cada sistema coordinado se nombra para su opción del plano fundamental; debajo del nombre de un poste y de los nombres de las coordenadas también se demuestran:
Acimut Horizonte
Altura
Zenith
E (90°)
O (220°) N
(0°) S
(180°)
| Figura 5. Ubicación del Sol
1.1.6 Altacimutal
Es uno de los sistemas que se utilizan para establecer la posición de un objeto en la esfera celeste.
Este sistema de coordenadas describe la posición de un objeto con respecto al horizonte visible local. Puntos debajo del horizonte tienen alturas negativas. La altura es a veces llamada elevación. El altacimut es el ángulo medido a partir del norte en el sentido de las agujas del reloj.
Las coordenadas altacimutales de un objeto son coordenadas locales, y cambian constantemente con el tiempo.
También recibe este nombre un tipo específico de soporte para los instrumentos ópticos, que permite mover el tubo del telescopio en cualquier dirección.
1.2 Antecedentes de la energía solar
Durante siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra.
El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos.
Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega.
Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del Sol.
La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principio caliente. Otro experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energía solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa.
En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar.
Debe quedar claro que la energía solar no constituye la solución universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamente como una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo.
El primero en notar el efecto fotoeléctrico fue el físico francés Edmundo Bequerel, en 1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. Aunque el principio de operación de las celdas solares lo descubrieron Adams y Day en 1878 utilizando selenio, fue Charles Fritts quien construyo las primeras celdas en 1879. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nóbel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954.
Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo.
1.3 Situación Geográfica de México
En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual más alto, el aprovechamiento de la energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción. El que esta fuente de energía sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su estudio y del interés que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y también se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía solar no contribuye con ningún porcentaje al consumo energético nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.
En la figura 6 se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación.
Figura 6. Radiación solar en la Republica Mexicana.1
Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación solar.
1 Fuente: Tomado y adaptado de Alternativas Energéticas, Alonso C., A y Rodríguez V., L; datos de
De acuerdo a la ubicación de cada zona que recibe irradiancia varia la cantidad de esta, en el caso particular del Distrito federal, en el solsticio de invierno, el 21 de diciembre, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el día más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto más bajo del cielo; en consecuencia, en el día el soleamiento es mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un ángulo también de 23.45º respecto al ecuador. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día más largo del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese día ocurre el soleamiento máximo.
En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de primavera, día y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ángulo de -23.45º con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma gráfica cada uno de los cuatro casos.
Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 7 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de México o de Colima.
Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos solares. Ver figura 8.
Como se mencionó antes, los movimientos de rotación y traslación de la Tierra hacen que varíe la cantidad de radiación que recibe el planeta. Así, para conocer la radiación por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios parámetros como la latitud y la longitud geográficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentración de vapor de agua y la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera. Por ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el Distrito Federal, es 19º20' Norte y 99º11' Oeste y el promedio de radiación anual por día en el año de 1966 fue de 5.278 kWh/ m². Esto quiere decir que en promedio cada m² de Ciudad Universitaria recibió ese año 5.278 kWh por día. Si esa energía pudiera aprovecharse sería suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento común.
La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiación que puede aprovecharse en cada lugar del planeta.
En otras palabras, la radiación solar no es constante sino que cambia según las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región.
Solsticio de Invierno Solsticio
de Invierno
Equinoccio de Primavera Solsticio
de Verano
EJE POLAR Equinoccio de Otoño
EJE POLAR
EJE POLAR Rotaci n
Equinoccio de Otoño
Solsticio de Verano
EJE POLAR Rotaci n
Movimiento de traslación 365.25 dias Rotaci n
Equinoccio de Primavera
Rotaci n
Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.
S N
Solsticio de Invierno
Equinoccios Solsticio de Verano
Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios.2
2 Fuente: Tomado y adaptado de: Everardo Hernández et al., Atlas de la República Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.)
Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el límite superior de nuestra atmósfera llega una cantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1 367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada m² le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendría una energía de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh). Sin embargo, la atmósfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/ año).
1.4 La investigación solar en México
Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California, principalmente) con el promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para satisfacer la demanda que requiere nuestro país. Además, como en las zonas desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias decenas de megawatts de potencia.
Hoy en día, la energía solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según algunas fuentes, en 1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%.
Por otro lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a la energía eléctrica.
El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilización de la energía solar se ha probado con éxito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades rurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda.
Cabe destacar el hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si la arquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de los energéticos y a la descentralización energética.
Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son: el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos.
Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigación básica y aplicada que se realice en México. En el cuadro 1 se resume la investigación solar que se lleva a cabo en nuestro país.
Sistema Lugar donde se investiga
Colectores planos
Instituto de Ingeniería de la UNAM, Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM , Instituto Politécnico Nacional; Instituto de Investigaciones Eléctricas; varias universidades e institutos en toda La República; fábricas de calentadores solares en el D.F., Guadalajara, Cuernavaca y Sinaloa, CFE y la Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos.
Colectores evacuados Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.
Colectores de concentración
Instituto de Ingeniería de la UNAM e Instituto de Investigaciones Eléctricas.
Estanques solares Instituto de Investigaciones Eléctricas (en Palmira, Morelos); Sosa-Texcoco; Fertimex e Instituto de Ingeniería de la UNAM.
Celdas solares
Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, Centro de Investigación y estudios Avanzados del IPN, el IPN y el IIE.
Cuadro 1. Investigación solar en México.
1.5 Colectores
Entre los sistemas que convierten la energía solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire.
El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero. Como se verá posteriormente, cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material. Pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero.
Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, únicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposición con el blanco, el color negro absorbe todas las longitudes de onda.
La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular.
Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentración.
1.5.1 Colectores planos y tubulares
Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60 º C, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero también para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías, baños públicos, embotelladoras, refrigeración, etcétera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas más altas, entre 60 y 165 º C, se utilizan los colectores tubulares. Éstos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno exterior de vidrio, generalmente concéntricos.
Entre el tubo de vidrio y el tubo metálico externo, que debe ser negro (y puede ser de cobre) se hace el vacío (véase figura 4), ya que la forma tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, así como captar la mayor cantidad de radiación solar. Debe señalarse que se hace el vacío para reducir las pérdidas de calor por conducción y convección, con lo cual se consiguen temperaturas más elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares la pérdida de calor por convección y conducción se reduce considerablemente, la temperatura de operación aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%.
1.5.2 Colectores de concentración:
Los colectores de concentración reúnen la radiación solar en un punto o una línea y permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol.
Los colectores de concentración tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta colocar el sartén en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no esté alejado del colector. Aquí debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es máxima. Los colectores de concentración pueden emplearse como hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilación.
En regiones con insolación intensa pueden emplearse a mediana escala para la generación de energía eléctrica en plantas de potencia de 1 a 100 MW.
TUBO DE COBRE
RAYOS SOLARES
ESPEJO TUBO DE
COBRE VACIO
TUBO DE
VIDRIO VACIO
ESPEJO
TUBO DE COBRE
ESPEJO VACIO
TUBO DE COBRE PINTADO DE NEGRO
TUBO DE VIDRIO
TUBO DE VIDRIO
FLUIDO
TUBO DE COBRE
VACIO CORTE
TRANSVERSAL
TUBO DE VIDRIO
Figura 9. Colectores tubulares.
La cantidad de energía captada en el colector depende del tamaño de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea la superficie de captación la temperatura focal será más alta. Los helióstatos se utilizan para aprovechar una gran extensión. Éstos consisten en un espejo cóncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se concentra la energía solar. Dichos
colectores pueden estar fijos o puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el helióstato tenga un motor programado para seguir el movimiento aparente del Sol.
1.5.3 Colectores de placa plana:
Los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. (Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción).
La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector.
Figura 10. Colector de placa plana montado sobre el tejado de una casa-habitación3
3 Fuente: Enciclopedia en carta, Microsoft Corporation
Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.
Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación utilizan colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur (como es el caso de México) y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan (respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20º latitud S o 20º de latitud N. Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía.
A partir de cálculos complejos de la radiación máxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones teóricas y empíricas, la máxima captación de un colector plano se logra cuando el ángulo de inclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia máxima en todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de México, un colector debe tener una inclinación de 19º.
Una segunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10º y, en invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la ciudad de México esto equivale a 9º en verano y 29º en invierno.
Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la caja puede ser de aluminio común). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10 cm. de espesor (véase la figura 11).
TANQUE (mas alto que el
colector)
AGUA CALIENTE AGUA
CALIENTE
TUBO DE COBRE
ALUMINIO
CUBIERTA DE VIDRIO AGUA FRIA
CORTE TRANSVERSAL DEL COLECTOR
AGUA FRIA CUBIERTA DE VIDRIO
TUBO DE COBRE
ALUMINIO
Figura 11. Colector plano para un calentador solar.
La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm. de la base. La caja debe estar perfectamente sellada para evitar pérdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva una lámina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimiento de níquel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiación. Los tubos pueden ser de cobre y deben estar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el área del colector. La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rígida, por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte posterior del colector.
Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energía intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar dé servicio continuo. La ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiación difusa, esto es, incluso cuando el cielo está nublado, aunque obviamente la potencia disminuye.
Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cilíndrico de acero con una capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prácticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifón.
El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fría, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua fría es más densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta, tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (véase figura anterior).
Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60º C; incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 pesos (además, no hay que olvidar el ahorro de gas).
Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los colectores de placa plana no suministran fluidos con temperaturas lo bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de calentamiento.
CAPITULO II.
CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
Antes de la elaboración del modelo, y con los fundamentos teóricos antes mencionados, es necesario definir el camino a seguir para la solución del problema energético presentado.
Diseño de investigación
Una vez delimitado a la Republica Mexicana, y en particular al Distrito Federal, el problema energético debido a la escasez de los recursos no renovables como el petróleo y al urgente aprovechamiento de otras fuentes de energía como lo es la solar, es importante el definir el tipo de diseño de investigación a desarrollar.
Formulación de hipótesis
La energía solar, que hasta ahora cuenta con algunos sistemas no contaminantes, de fácil funcionamiento y amplia aplicación, entre los cuales podemos encontrar los colectores solares para el calentamiento de fluidos, que a pesar de tener una eficiencia muy baja, es la mejor opción para la sustitución de los actuales sistemas a base de hidrocarburos.
Definición del tipo de estudio a realizar.
El primer paso del diseño corresponde a la elección del tipo de estudio que se realizará, por lo que en nuestro caso será del tipo exploratorio, ya que tiene por objeto familiarizarnos con un tema poco conocido y un tanto novedoso; descriptivo, pues servirá para analizar cómo es y cómo se manifiesta el fenómeno de la captación de la energía solar y su aprovechamiento por medio de colectores solares, así como experimental e innovador, ya que se emplea un modelo de colector solar ya existente, proporcionado por Veretra S.A. de C.V., una empresa particular dedicada a la comercialización de estos equipos, en el cual se fundamenta su funcionamiento se y determina la eficiencia del modelo.
Extracción de la muestra Conceptos básicos.
Universo o población: constituye la totalidad de un grupo de elementos u objetos que se quiere investigar, es el conjunto de todos los casos que concuerdan con lo que se pretende investigar.
Muestra: es un subconjunto de la población o parte representativa.
Unidad de la muestra: está constituida por uno o varios de los elementos de la población y que dentro de ella se delimitan con precisión.
La muestra tomada es representativa o reflejo general del conjunto de colectores a estudiar, por lo que es de carácter aleatorio simple, ya que como su nombre lo indica, es una muestra escogida al azar.
2.1 Modelo
El modelo consta de un conjunto de perfiles de aluminio anodizado, como placa absorbedora, de 0.10 metros de ancho por 3 metros de largo y 0.025 metros de espesor (ver las siguientes figuras e imágenes). Este perfil permite, debido a su construcción, la introducción de un tubo de cobre 3/8 de pulgada que funcionará como tubería de transferencia de calor del absorbedor, que a su vez esta conectada, por
El modelo estará compuesto por los siguientes materiales:
CONCEPTO MATERIAL EMPLEADO
Aleta o placa del absorbedor Aluminio anodizado
Cabezales del absorbedor Cobre 2 in
Medios de soporte PTR (Calibre 14) Material para la unión entre los tunos
de transferencia y tubos de entrada y salida
Estaño 50/50 – Plata Tubos de entrada y salida del
colector solar Cobre ½ in (0.1252 m) Tubos de transferencia de calor del
absorbedor Cobre 3/8 in (0.00952 m)
Tabla 1. Materiales empleados en la construcción del modelo
Figura 1. Perfil de aluminio
Imagen 1. Perfil de aluminio4
Figura 2. Vista superior del colector solar
4 Todas las imágenes cortesía de Veretra S. A. de C. V.
Figura 3. Cabezal del colector solar
Figura 4. Corte colector solar
Imagen 2. Modelo del colector solar donde se aprecia el cabezal
Imagen 3. Vista lateral del modelo del colector solar
Imagen 4. Vista frontal del modelo del colector solar
A continuación se presenta un análisis del circuito térmico de la construcción del modelo del colector solar, con la finalidad de determinar las perdidas de energía por convección, conducción y radiación a través de los materiales empleados.
Figura 5. Corte del perfil en análisis Datos
K
COBRE= 372.1 W/m * K
K
ALUMINIO= 209.3 W/m * K Φ
INTERNO COBRE= 0.008 m
Φ
EXTERNO COBRE= 0.00952 m Φ
INTERNO ALUMINIO= 0.00952 m Φ
EXTERNO ALUMINIO= 0.01252 m
ε
ALUMINIO= 0.05
h
AIRE= 22 W/m
2* K
σ = 5.6 X 10
-8W/m
2* K
4L = 3.m
