Diseño e implementación de un sistema automático de purificación de Agua por medio de energía y reflexión solar y luz ultravioleta

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE PURIFICACIÓN DE AGUA POR MEDIO DE ENERGÍA, REFLEXIÓN SOLAR, Y LUZ ULTRAVIOLETA. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. MIGUEL ÁNGEL LEMA CARRERA [email protected]. DIRECTOR: MSc. LUIS MORALES [email protected]. CO-DIRECTOR: Dr. ANDRÉS ROSALES [email protected]. Quito, abril 2015.

(2) DECLARACIÓN. Yo Miguel Ángel Lema Carrera, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. _____________________________ Miguel Ángel Lema Carrera.

(3) CERTIFICACIÓN. Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Miguel Ángel Lema Carrera, bajo nuestra supervisión.. ________________________ MSc. Luis Morales DIRECTOR DEL PROYECTO. ________________________ Dr. Andrés Rosales CO-DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) AGRADECIMIENTO. Agradezco a Dios por ser el soporte y guía de mi vida, ya que en los momentos difíciles me ha dado fuerza y sabiduría para llevar a cabo y culminar esta etapa de mi vida.. A mis padres Leonor Angélica y Miguel Ángel, por su ardua labor para formarme como persona, brindándome consejos, palabras de aliento y apoyo incondicional en todo momento, mil gracias por todo.. A mis hermanos Ivonne, Adriana, Danae, Sebastián y Ana, por los maravillosos y felices momentos que me brindan día a día.. A Mayerling, por su amor, su paciencia y apoyo en todo momento, junto a la confianza que ha depositada en mí, permitiéndome alcanzar y proyectarme hacia nuevas metas.. A Ing. Msc. Luis Morales que he todo momento me ha brindado su apoyo, para cristalizar y hacer realidad este proyecto.. A Taller de Mecánica Industrial “Servimáquina”, Técnico Adolfo Cantos,. por. colaborar y brindar asesoramiento en la parte mecánica del sistema.. Miguel Ángel.

(5) DEDICATORIA. Con todo mi amor y cariño:. A mis amados padres, quienes me han enseñado. que con esfuerzo y. perseverancia nada es imposible. Todo este esfuerzo es para ustedes.. A mis hermanas para que sientan orgullo por mí, como yo lo hago de cada una de ustedes, junto con mis sobrinos para que sean los próximos profesionales de la familia.. A mi novia Mayerling, que es una persona especial en mi vida, que me ha soportado en la buenas y malas durante todo este tiempo.. Miguel Ángel.

(6) I. CONTENIDO. CONTENIDO ............................................................................................................I RESUMEN ............................................................................................................ IX PRESENTACIÓN ................................................................................................... X. CAPITULO 1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................1 1.1 ENERGÍA SOLAR ...........................................................................................2 1.1.1 CONSTANTE SOLAR ..................................................................................2 1.1.2 RADIACIÓN NORMAL EXTRATERRESTRE ...............................................3 1.1.3 RADIACIÓN SOLAR ....................................................................................5 1.1.3.1 Radiación Directa ......................................................................................5 1.1.3.2 Radiación Difusa .......................................................................................5 1.1.3.3 Radiación Reflejada ..................................................................................5 1.1.3.4 Radiación Total .........................................................................................6 1.1.4 IRRADIANCIA ..............................................................................................6 1.1.5 IRRADIACIÓN O INSOLACIÓN ...................................................................7 1.1.6 DIRECCIONAMIENTO DE LA RADIACION SOLAR Y SUS RELACIONES GEOMETRICAS ......................................................................................................7 1.2 RECURSO SOLAR EN EL ECUADOR ......................................................... 10 1.3 CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR ............................................................. 11.

(7) II. 1.3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.......................................................... 11 1.3.1.1 Paneles Solares ...................................................................................... 13 1.3.1.2 Principio Fotovoltaico .............................................................................. 13 1.3.1.3 Celdas Solares ........................................................................................ 13 1.3.1.4 Regulador de Carga ................................................................................ 14 1.3.1.5 Batería ..................................................................................................... 15 1.3.1.6 Inversor ................................................................................................... 16 1.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ..................................................................... 16 1.3.2.1 Concentradores Solares .......................................................................... 16 1.3.2.1.1 Clasificación de los Colectores Solares ................................................ 17 1.3.2.1.2 Colector Cilíndrico Parabólico (CCP) ................................................... 19 1.4 EL AGUA ....................................................................................................... 21 1.4.1 PURIFICACIÓN DE AGUA.........................................................................22 1.5 DESTILACIÓN SOLAR ................................................................................. 23 1.5.1 DESTILADOR SOLAR ............................................................................... 23 1.5.1.1 Tipos de Destiladores .............................................................................. 24 1.6 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL DESTILADOR SOLAR.......................... 25 1.6.1 CALOR ALMACENADO EN EL INTERIOR POR EL AGUA ...................... 26 1.6.2 CALOR ALMACENADO POR LA CUBIERTA ............................................ 26 1.6.3 CALOR ALMACENADO POR EL SISTEMA .............................................. 27 1.6.3.1 Calor perdido por conducción ................................................................. 27.

(8) III. 1.6.3.2 Calor perdido por convección del vidrio .................................................. 29 1.6.3.3 Calor perdido por radiación del vidrio ..................................................... 29 1.6.4. CANTIDAD. DE. CALOR. NECESARIO. PARA. CALENTAR. Y. EVAPORAR…31 1.6.4.1 Calor necesario para calentar el vidrio .................................................... 31 1.6.4.1.1 Calor total para calentar el vidrio .......................................................... 32 1.6.4.2 Calor necesario para calentar el agua ..................................................... 32 1.6.4.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua ............................. 33 1.6.5 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR SOLAR .............................................. 34 1.7 PURIFICACIÓN DE AGUA MEDIANTE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA........ 35 1.7.1 DOSIFICACIÓN ......................................................................................... 37. CAPITULO 2 DESARROLLO DEL HARDWARE ....................................................................... 38 2.1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ....................... 38 2.1.1 DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DEL DESTILADOR SOLAR.......................... 38 2.1.1.1 Calculo del calor total absorbido por el sistema ...................................... 42 2.1.1.2 Calculo del calor perdido por conducción ................................................ 42 2.1.1.3 Calculo del calor perdido por convección del vidrio ................................. 43 2.1.1.4 Calculo del calor perdido por radiación del vidrio .................................... 43 2.1.1.5 Cantidad de calor necesario para Calentar y Evaporar ........................... 45 2.1.1.5.1 Calor necesario para calentar el vidrio .................................................45.

(9) IV. 2.1.1.5.2 Calor necesario para calentar el agua ..................................................45 2.1.1.5.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua .......................... 46 2.1.1.6 Cantidad de Agua a Destilar ..................................................................... 46 2.1.2. DISEÑO. Y. CONSTRUCCIÓN. DE. COLECTOR. CILÍNDRICO. PARABÓLICO (CPC) ............................................................................................ 48 2.1.3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SOPORTE MECÁNICO ..................... 53 2.2 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO................................ 54 2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS A UTILIZAR ........................ 54 2.2.1.1 Servomecanismos ................................................................................... 54 2.2.1.1.1 Motor de Corriente Continua 6R0.959.801.M ....................................... 54 2.2.1.2 Electroválvula .......................................................................................... 55 2.2.1.3 Electrobomba .......................................................................................... 56 2.2.1.4 Sensores de Temperatura .......................................................................57 2.2.1.4.1 Sensor de temperatura LM35 ............................................................... 57 2.2.1.4.2 Termistor NTC 5D-20 ........................................................................... 58 2.2.1.5 Sensores de Nivel ................................................................................... 60 2.2.1.6 Luz Led Ultravioleta UV-C ....................................................................... 60 2.2.1.7 Sensor de Luminosidad ........................................................................... 62 2.2.1.8 Sensor de Posición.................................................................................. 63 2.2.2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ........... 64 2.2.2.1 Estimación del Consumo ......................................................................... 64.

(10) V. 2.2.2.2 Radiación Solar promedio del lugar......................................................... 66 2.2.2.2.1 Hora Pico Solar (HPS).......................................................................... 67 2.2.2.3 Dimensionamiento del Panel Solar ......................................................... 67 2.2.2.4 Dimensionamiento de la Batería ............................................................. 68 2.2.2.5 Dimensionamiento del Regulador de Carga ............................................ 70 2.2.2.6 Dimensionamiento de Cables ..................................................................71 2.2.3 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS ............................................................. 72 2.2.3.1 Microcontrolador Atmega 16 ................................................................... 72 2.2.3.2 Driver de Motor DC IBT-2 ........................................................................ 72 2.2.3.3 Amplificador Operacional y Acondicionamiento de Señal ....................... 73 2.2.3.3.1 Utilización del Amplificador Operacional LM358 en Prototipo .............. 74 2.2.3.4 Visualizador Lcd ...................................................................................... 76 2.2.4 FUENTES DE ALIMENTACIÓN ................................................................. 76 2.2.4.1 Fuente de alimentación 5Vdc .................................................................. 77 2.3 ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO ................................................................. 78 2.3.1 ENSAMBLAJE DE COMPONENTES MECÁNICOS .................................. 78 2.3.1.1 Soporte Metálico y Colector Cilíndrico Parabólico ................................... 78 2.3.1.2 Ensamblaje del Destilador Solar al Sistema ............................................ 79 2.3.1.3 Acoplamiento del Panel Solar ................................................................. 79 2.3.1.4 Acoplamiento Motor de Giro .................................................................... 80 2.3.1.5 Unión del Tanque Recolector de Agua Purificada ................................... 81.

(11) VI. 2.3.1.6 Ubicación de Sensores de Temperatura, Nivel, Luminosidad y Posición82 2.3.1.7 Colocación del Panel de Control .............................................................84. CAPITULO 3 DESARROLLO DEL SOFTWARE ........................................................................ 85 3.1 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR ATMEGA 16 ................... 85 3.2 SISTEMAS DE CONTROL IMPLEMENTADOS ........................................... 92 3.2.1 MONITOREO DE CANTIDAD DE LUZ SOLAR ......................................... 92 3.2.1.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 92 3.2.2 CONTROL DE POSICIÓN Y SEGUIMIENTO SOLAR ............................... 93 3.2.2.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 94 3.2.3 CONTROL DE NIVEL DEL DESTILADOR SOLAR .................................... 96 3.2.3.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 96 3.2.4 CONTROL DE NIVEL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ................ 97 3.2.4.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 98 3.2.5 MONITOREO TEMPERATURA LM 35 ...................................................... 99 3.2.5.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 99 3.2.6 MONITOREO TEMPERATURA NTC ....................................................... 100 3.2.6.1 Algoritmo de Control .............................................................................. 100 3.3 DESARROLLO DEL HMI Y PROGRAMACIÓN EN LABVIEW ................... 101 3.3.1 ENVÍO Y RECEPCIÓN DE DATOS SERIALMENTE ............................... 104 3.3.1.1 Trama de Recepción ............................................................................. 105.

(12) VII. 3.3.1.2 Trama de Envío o Salida ....................................................................... 106. CAPITULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS .............................................................................. 107 4.1 ORIENTACIÓN DEL SISTEMA PURIFICADOR ......................................... 108 4.2 ADQUISICIÓN DE DATOS DE POSICIÓN ................................................. 108 4.2.1 VALIDACIÓN DE DATOS DE POSICIÓN ................................................ 110 4.2.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA POSICIÓN DEL SISTEMA ............ 112 4.3 DATOS DE RADIACIÓN SOLAR EN LA CIUDAD DE QUITO .................... 112 4.4 ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA ....................................... 112 4.4.1 VALIDACIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA ...................................... 118 4.4.1.1 Validación de datos de temperatura en el interior del Destilador Solar . 118 4.4.1.1.1 Análisis de datos ................................................................................ 120 4.4.1.2. Validación de datos de temperatura en Colector Cilíndrico Parabólico. CCP ..................................................................................................................... 120 4.4.1.2.1 Análisis de datos ................................................................................ 121 4.5 FUNCIÓN DE LA LUZ ULTRAVIOLETA UV ............................................... 122 4.6 TOMA DE DATOS DE AGUA PURIFICADA ............................................... 125 4.6.1 SIN UTILIZAR EL COLECTOR CILÍNDRICO PARABÓLICO CCP .......... 125 4.6.2 UTILIZANDO EL COLECTOR CILÍNDRICO PARABÓLICO CCP ........... 126 4.7 CALIDAD DEL AGUA .................................................................................. 127 4.8 ANÁLISIS BACTERIOLÓGICO DEL AGUA ............................................... 128.

(13) VIII. 4.9 ANÁLISIS FÍSICO – QUÍMICO DEL AGUA ................................................ 130. CAPITULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 134 5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................ 134 5.2 RECOMENDACIONES ...............................................................................135 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................... 137 ANEXOS ............................................................................................................. 141. RESUMEN.

(14) IX. El sol, fuente de vida que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades básicas, si la aprovechamos de forma racional la luz, que continuamente derrama sobre el planeta.. En la actualidad en el Ecuador según las estadísticas del Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC) y el MIDUVI cerca del 15% de la población, alrededor de 2 millones de personas en nuestro país no acceden al consumo y uso de agua potable, básicamente sus fuentes de provisión del líquido vital se da por medio de pozos, ríos, vertientes, carros repartidores y otros. Es menester por lo tanto aportar científica y tecnológicamente, soluciones que permitan palear ésta problemática en el Ecuador.. Por lo tanto se propone el desarrollo experimental y sujeto a mejoras, de un Sistema de Purificación de Agua con Energía limpia y renovable como es la Energía Solar, por medio de un Concentrador Parabólico Cilíndrico (CCP) el cual permitirá concentrar elevadas temperaturas hacia un Sistema de destilación Solar, acompañada de un sistema de filtro a base de luz ultravioleta que elimina bacterias y virus presentes en aguas contaminadas y no tratadas, que permitirá obtener agua pura y potable apta para consumo humano, que permita abastecer del líquido vital a sectores marginales y alejados del Ecuador y en general en donde se la requiera, teniendo en cuenta que el sistema estará dotado de supervisión, control y automatización.. Adicionalmente se ha realizado este trabajo de investigación, con la finalidad de introducirnos en la utilización y desarrollo de las Energías Renovables en nuestro país, que sea un punto de partida, a futuros proyectos y mejoras, que permitan el desarrollo de la colectividad y el país.. PRESENTACIÓN.

(15) X. El presente proyecto se encuentra dividido en 5 capítulos, que describen el proceso, construcción y validación de un Sistema Purificador de Agua, basado en energía solar y radiación ultravioleta.. El capítulo 1 muestra una descripción de los fundamentos teóricos que rigen a la energía solar tanto de captación, como fotovoltaica, así como conceptos y generalidades sobre la purificación de agua por medio de destilación solar y radiación ultravioleta.. El capítulo 2 presenta el diseño e implementación tanto del Destilador Solar, Colector Cilíndrico Parabólico CCP y Estructura Metálica, igualmente brinda información del Diseño Eléctrico-Electrónico, como es el dimensionamiento e instalación del Sistema Fotovoltaico que brinda electricidad al prototipo y una breve descripción de todos los elementos a utilizar.. La explicación mediante diagramas de flujo, programación de algoritmos de control, desarrollo del HMI interfaz hombre-máquina para control remoto del sistema desarrollado en Labview se presenta en el capítulo 3.. El capítulo 4 muestra las pruebas y resultados del prototipo purificador de agua, en estas pruebas se pueden mencionar, la cantidad y calidad de agua, la temperatura del purificador, el control de posición del sistema, funcionamiento correcto de la radiación UV, así como los respectivos controles de nivel para los recipientes de agua contaminada y purificada respectivamente.. En el capítulo 5 se puede observar las conclusiones obtenidas durante la construcción del proyecto, además varias recomendaciones que permitan mejorar e incentiven a desarrollar proyectos futuros.. En la parte final se adjuntan los anexos, que contienen planos del diseño mecánico, datos de radiación solar y hojas de datos de los elementos utilizados..

(16) 1. CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los efectos del cambio climático y la gestión de los recursos hídricos son las principales causas de la escasez de agua en el mundo. Si a esto le sumamos la contaminación que sufren numerosas corrientes de aguas, como mares, ríos o lagos, se está avecinando una catástrofe a nivel mundial. Miles de personas mueren cada año a causa de enfermedades generadas por el consumo de agua no potable o por alimentos contaminados. Algunas de estas enfermedades son el dengue y el paludismo, que afectan sobremanera niños, embarazadas y ancianos, según estadísticas del departamento de salud de la ONU alrededor de 30000 a 40000 niños mueren diariamente en el planeta por causas relacionadas con la ingesta de aguas contaminadas. En el Ecuador, según estadísticas del INEC y MIDUVI, alrededor del 15% de la población, aproximadamente 2 millones de habitantes, no dispone de agua potable, sus principales fuentes de provisión son pozos, ríos, vertientes, carros repartidores, etc. Por lo tanto se plantea, como solución el diseño e implementación de un Sistema Purificador de Agua, basado en Energía y Radicación Solar, que permita la destilación de aguas contaminadas y su posterior traslado por un filtro de Radiación Ultravioleta, eliminando de esta manera virus, bacterias, hongos, levaduras y cualquier tipo de microorganismo, que pudiese estar presente en las aguas a tratar, comprobando y verificando los resultados obtenidos, realizando análisis físico - químicos y microbiológicos del agua resultante. De esta manera se pretende aportar con un equipo completamente efectivo, innovador y útil para obtener agua purificada y apta para consumo humano, que sirva a la población del Ecuador como del mundo. En la actualidad, toda actividad depende de la disponibilidad de petróleo, carbón o gas natural, y el hecho de que estas fuentes energéticas sean contaminantes y tengan unas posibilidades limitadas de seguir soportando la demanda del ser.

(17) 2. humano y considerando su indiscutible impacto sobre el medio ambiente que supone su uso masivo y por ende el calentamiento global que está sufriendo planeta, debido a la capacidad del CO2 para producir el “efecto invernadero”, ha sido definida por la comunidad científica como mayor amenaza para el medio ambiente. Tomando conciencia de estos problemas, las energías renovables, y entre ellas la energía solar, entran a formar parte activa y cotidiana de la vida, por lo tanto se hace necesario una breve introducción y conocimiento general sobre la energía solar, sus características, formas de aprovecharla y sus aplicaciones más importantes, sin dejar de lado, la descripción del agua sus tipos y formas de purificación, para tener una idea general del prototipo y sistema purificador que se detalla en éste proyecto.. 1.1 ENERGÍA SOLAR Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana el Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro. La energía solar es generada por la llamada “Fusión Nuclear” que es la fuente de vida de todas las estrellas del universo. Esta energía es universal y gratuita, considerada como energía renovable y no contaminante, llamada también energía limpia y verde, fuente de todo tipo de energías presente en el planeta, cuya captación es fácil, directa y de gran utilidad. 1.1.1 CONSTANTE SOLAR Algunos estudios realizados dan a conocer que la variación de la emisión de energía, a cargo del Sol, es inferior al 1% en un ciclo solar que dura alrededor de 22 años. Dicha radiación emitida por el Sol además de. sus condiciones. geométricas con respecto de la Tierra y la combinación de tres factores: la distancia Tierra-Sol, el diámetro solar y la temperatura del Sol, dan como resultado que sobre el planeta incida una cantidad de radiación solar prácticamente constante y a la que se denominó, constante solar, presenta unidades de energía por unidad de área y por unidad de tiempo [W/m²]..

(18) 3. La constante solar es el flujo de energía proveniente del sol que llega por unidad de tiempo y área, a una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar, ubicada a la distancia media de la tierra al sol, fuera de toda atmosfera. Las mediciones de la constante solar aceptadas por el World Radiation Center (WRC) establecen un valor de Gsc = 1367 W/m², teniendo en cuenta además los valores para la constante solar realizadas por la NASA y ASTM en 1971 aceptan un valor de Gsc = 1353 W/m², lo que en conclusión no representa una variación significativa entre ambos valores. Considerando recientes mediciones y estadísticas, se ha podido determinar una desviación estándar de 1,6 W/m² y una desviación máxima de 7 W/m² y matemáticamente hablando hay una diferencia del 1% entre el valor dado por la WRC y la NASA. [1] Para estudios de ingeniería como es el caso de este trabajo, se considera que la emisión de energía en el sol es constante.. 1.1.2 RADIACIÓN NORMAL ESTRATERRESTRE. Es la radiación solar que incide en el límite de la atmosfera terrestre. Esta radiación está sujeta a las variaciones geométricas y a las condiciones físicas del Sol, considerando además que la órbita que describe la Tierra alrededor del sol no es circular sino es una órbita cuasi elíptica, que, en los primeros días de enero (3 enero) se encuentre la mínima distancia al sol (Perihelio) con una radiación solar extraterrestre de 1398 W/m² y para los primeros días de julio (4 julio) este en la máxima distancia al sol (Afelio) con una radiación solar extraterrestre de 1310 W/m². Lo. que. hace. que. la. radiación. extraterrestre. sea. máxima. y. mínima. respectivamente como se puede observar más detalladamente en la Figura 1.1. Considerando que UA (Unidad Astronómica) es una unidad de longitud cuya equivalencia es: 1UA = 1,495979 x 108 Km..

(19) 4. Figura 1.1. Distancia Mínima y Máxima Tierra – Sol [2]. La ecuación que describe el flujo de energía sobre un plano normal a la radiación solar extraterrestre a lo largo del año es: 360.n ö æ Gon = Gsc .ç1 + 0.033. cos ÷ 365 ø è. (1.1). Donde “Gon” es el flujo de la radiación solar extraterrestre, medida en un plano normal a la radiación cuyas unidades son W/m² y “n” es el número de día del año, que se da a conocer con exactitud en la Tabla 1.1.. Tabla 1.1.. Numero de día del año. MES. “n” para el i-ésimo día del mes. Enero. i. Febrero. 31 + i. Marzo. 59 + i. Abril. 90 + i. Mayo. 120 + i. Junio. 151 + i. Julio. 181 + i. Agosto. 212 + i. Septiembre. 243 + i. Octubre. 273 + i. Noviembre. 304 + i. Diciembre. 334 + i.

(20) 5. 1.1.3 RADIACIÓN SOLAR Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol, similar a la de un cuerpo negro que emite energía siguiendo la “Ley de Planck” a una temperatura aproximada de 6000 ºK. La radiación solar de distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta [3]. La radiación que emite el sol no es la misma que llega a la tierra debido a que atraviesa la atmosfera terrestre, en donde ciertas ondas ultravioletas cortas son absorbidas por los gases presentes en ésta principalmente el ozono y otros tipos de ondas son reflejadas por las nubes. En su paso a través de la atmosfera, parte de la radiación solar es atenuada por dispersión y otra parte por absorción, y en función de cómo reciben la radiación solar objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir los siguientes tipos de radiación: 1.1.3.1 Radiación Directa Aquella proveniente desde el Sol, pasa en línea recta a través de la atmosfera terrestre y a su paso por esta no se difumina, desvía ni presenta reflexiones o refracciones intermedias, llegando directamente a la superficie terrestre sin cambio alguno en su trayectoria o dirección [3]. 1.1.3.2 Radiación Difusa Es la radiación que llega a la tierra después de interactuar con la atmosfera, en tal grado que pierde su dirección original. El desvió que se produce en los rayos solares, se produce por el choque directo de ciertas moléculas o partículas contenidas en el aire. Por sus características esta radiación se considera proveniente de todas direcciones, por ejemplo en un día nublado sólo existe radiación difusa [3]. 1.1.3.3 Radiación Terrestre, Reflejada o “Albedo” Radiación procedente de reflexiones en el suelo, objetos, cuerpos u otras superficies..

(21) 6. El albedo es el porcentaje de radiación que todo tipo de superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma, teniendo en superficies claras valores de albedo superiores a superficies oscuras. La influencia del albedo sobre la radiación incidente en un captador de energía suele ser despreciable, y supone pequeñas ganancias de energía en casos especiales (superficies claras o brillosas alrededor del sistema o equipo). 1.1.3.4 Radiación Total La radiación total es la suma de las radiaciones directa, difusa y terrestre, que inciden sobre una superficie. Cabe tomar en consideración que en ciertas referencias, consideran como Radiación Global a la suma de las radiaciones Directa y Difusa [3]. Figura 1.2.. Figura 1.2. Radiación Total [4]. 1.1.4 IRRADIANCIA Para dar a conocer la potencia solar de cualquier radiación solar, se utiliza el término irradiancia, que representa la rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie, por unidad de área, sus unidades W/m 2. El símbolo utilizado para denotarlo es “G”, así pues “Go”, “Gb”, “Gd” representan la irradiancia extraterrestre, directa y difusa respectivamente. Considerando que la radiación es un fenómeno que ocurre en el tiempo no es estático..

(22) 7. 1.1.5 IRRADIACIÓN O INSOLACIÓN Se considera a la Irradiación como la cantidad de energía, por unidad de área, que incide durante un período de tiempo dado. Las unidades empleadas son kW.h/m2 o MJ/m2. Se utiliza o denota con “I” la insolación por hora y con “H” la insolación que se presenta en el período de un día. Considerando que al incluir los subíndices por ejemplo “H0” o “Ib” se habla de la irradiación extraterrestre en un día y la irradiación directa en un hora respectivamente [5]. Matemáticamente la irradiación es la integral de finida en un intervalo de tiempo de la irradiancia es decir: t2. I (t ) = ò G (t ).dt. (1.2). t1. 1.1.6 DIRECCIONAMIENTO. DE. LA. RADIACION. SOLAR. Y. SUS. RELACIONES GEOMETRICAS [6] Además de las condiciones atmosféricas, existen otros parámetros que afectan la incidencia de la radiación sobre un una superficie captadora solar, entre éstos están el movimiento aparente del sol a lo largo de un día y en el transcurso de un año, tomando en consideración que la Tierra es la que realiza el movimiento, uno de estos alrededor de su propio eje el cual da lugar al día y a la noche y otro alrededor del sol siguiendo una trayectoria elíptica que da lugar a las estaciones del año. El flujo de energía sobre una superficie determinada, no sólo depende de la irradiancia que exista, sino también de la orientación que tenga dicha superficie respecto de la dirección de propagación de la radiación. De esta manera una irradiancia máxima cuando la superficie este en dirección normal a la propagación de la radiación “de frente”, y mínima cuando se encuentren paralelamente. La intensidad de radiación de una superficie dependerá del ángulo que forme la normal de la superficie, respecto de la dirección de propagación de la radiación, a éste ángulo se le conoce como ángulo de incidencia θ. Por lo tanto la irradiancia extraterrestre sobre un plano con cualquier inclinación será:. Got = Gon . cos q. (1.3).

(23) 8. Se tiene en cuenta que Gon se refiere a la irradiancia extraterrestre medida sobre un plano normal a la dirección de propagación de la radiación con su definición matemática citada en la Ec 1.1. Se considera el movimiento aparente del sol anteriormente descrito el valor del ángulo θ varía con la fecha y la hora, debido a la inclinación con respecto a la horizontal y la latitud geográfica. del lugar donde se encuentra el plano en. cuestión. El sistema de coordenadas polares, es el más apropiado para definir e identificar cada una de las posiciones que adopta el sol en el transcurso del día y año y su movimiento aparente, los parámetros que debe conocerse son: Ȉ (phi) Latitud Geográfica, posición angular del lugar donde se encuentra el plano o colector solar en cuestión, respecto del Ecuador terrestre, positivo hacia el hemisferio sur y negativo hacia el hemisferio norte -90º ≤ Ȉ ≤ 90º. δ (delta) Declinación Solar, posición angular del sol al mediodía con respecto al plano ecuatorial, positivamente en el hemisferio norte, varía entre: -23.45º ≤ δ ≤ 23.45º, correspondientes al solsticio de invierno y verano respectivamente. β (beta) Inclinación de la Superficie, ángulo entre la superficie en consideración y la horizontal, varía entre: 0º ≤ β ≤ 180º. ɣ (gamma) Ángulo acimutal de la superficie, es el ángulo que forma la proyección de la normal a la superficie, respecto del meridiano local. ɣ = 0 corresponde al sur, valores positivos hacia el Oeste y negativos hacia el Este -180º ≤ β ≤ 180º. ω (omega) Ángulo horario, es el desplazamiento angular del sol, al este o al oeste del meridiano local, debido a la rotación de la tierra con una velocidad angular de 15º por hora, negativo por la mañana y positivo por la tarde. El mediodía solar corresponde por definición a ω = 0º. Cabe recalcar debido al posicionamiento que toma el sol al norte en primavera y al sur en otoño, la salida y la puesta del sol no corresponden, en general a ω = -90º y ω = 90º respectivamente, esto únicamente sucede en los equinoccios en cualquier latitud y en el ecuador en cualquier fecha..

(24) 9. θ (tetha) Ángulo de incidencia, aquel ángulo entre los rayos solares que inciden sobre la superficie y la normal de la superficie. Adicionalmente para un estudio mayormente detallado acerca de la trayectoria solar se define los siguientes ángulos y relaciones geométricas: θz Ángulo zenital, es el ángulo entre la vertical y la línea solar 0º ≤ θz ≤ 90º. αs Ángulo de altitud solar, es el complemento del ángulo zenital. ɣs Angulo acimutal solar, la desviación de la proyección de la radiación directa del meridiano local. Las consideraciones son iguales al ángulo ɣ.. A continuación se muestra gráficamente los ángulos y relaciones geométricas antes descritas en la Figura 1.3..

(25) 10. Figura 1.3. Trayectoria Solar y Relaciones Geométricas Principales [6]. 1.2 RECURSO SOLAR EN EL ECUADOR Ecuador se encuentra ubicado en una región privilegiada en lo referente al recurso y energía solar, así lo demuestran datos de mediciones acerca de la radiación solar en el país a lo largo del año, presentados en el Atlas Solar del Ecuador, que se da a conocer en la Tabla 1.2. Tabla 1.2.. Radiación solar promedio en el año en Ecuador. Radiación Directa. Radiación Difusa. Radiación Global. Wh/m²/día. Wh/m²/día. Wh/m²/día. 2543.01. 2737.05. 4574.99. Considerando que el proyecto será implementado en la ciudad de Quito, los valores de radiación solar promedio incrementan con respecto al resto del país, esto se puede observar en la Figura 1.4.. (a) Radiación Directa. (b) Radiación Difusa.

(26) 11. (c) Radiación Global Figura 1.4. Radiación Directa Difusa y Global Promedio Provincia de Pichincha [7]. 1.3 CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR El sol es una fuente de energía limpia e inagotable que el hombre la puede aprovechar para múltiples usos, en toda la superficie terrestre ya sea de forma directa o indirecta, natural o artificialmente. En la Figura 1.5 se observan las utilidades de la captación de energía solar.. ENERGIA SOLAR DIRECTA. CAPTACIÓN FOTONICA. CAPTACIÓN TERMICA. PASIVA. ACTIVA. ARQUITECTURA SOLAR PASIVA. SOLAR TÉRMICA. CAPTACIÓN FOTOVOLTAICA. CAPTACIÓN FOTOQUÍMICA. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. BIOMASA. FOTOQUÍMICA. Figura 1.5. Captación de Energía Solar. El presente tema de estudio aborda, principalmente el tema relacionado con la Energía Solar Directa, que, gracias a la Captación Térmica Activa, permite concentrar grandes cantidades de temperaturas y calor, para la evaporación y futura purificación de agua en el destilador solar mediante un concentrador cilíndrico solar, y la Captación Fotónica, a través de Paneles Fotovoltaicos que permiten transformar la Energía Solar en electricidad para la alimentación en fuentes y sistemas de control del sistema. 1.3.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Se basa en la captación de la energía solar y su transformación en energía eléctrica por medio de sistemas o módulos fotovoltaicos..

(27) 12. Un sistema solar fotovoltaico está conformado por paneles solares encargados de la captación de la radiación solar y un conjunto de dispositivos cuya función es convertir la energía solar en energía eléctrica para una determinada aplicación. Los sistemas o instalaciones fotovoltaicas se clasifican en dos grupos: Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red eléctrica y los sistemas aislados de la red eléctrica, siendo este último el que se ha empleado en este trabajo. Las instalaciones aisladas de la red eléctrica usan la captación de la energía solar por medio de los paneles solares, la transforman en energía eléctrica y posteriormente la almacenan en baterías, las cuales alimentan y cubren pequeñas cargas y demandas en el mismo lugar donde se generan. En la Figura 1.6 se muestran los componentes de un sistema fotovoltaico aislado de la red eléctrica.. Figura 1.6. Sistema Fotovoltaico aislado de la red eléctrica [8].

(28) 13. Un sistema solar fotovoltaico no siempre consta de todos los componentes descritos anteriormente, ya que principalmente depende del tipo de cargas y demandas (AC o DC) para el cual fue diseñado.. 1.3.1.1 Paneles Solares Para la obtención de electricidad a partir de la radiación solar se emplean paneles solares, los cuales emplean el principio fotovoltaico para hacerse con este fin. 1.3.1.2 Principio Fotovoltaico Proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. De acuerdo a la teoría física de la Luz, ésta se encuentra formada de partículas denominadas fotones, que trasportan todo tipo de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol que al chocar contra la superficie de una célula fotovoltaica, éstos pueden ser reflejados o absorbidos, si el fotón es absorbido, la energía de éste se transfiere al electrón de un átomo de la célula fotovoltaica escapando de su posición normal para pasar a formar parte de una corriente en un circuito eléctrico generando así electricidad. 1.3.1.3 Celdas Solares Elemento encargado de transformar la energía solar en electricidad, cada celda en promedio produce 0,4 a 0,5 V aproximadamente. Las celdas solares están formadas por materiales semiconductores combinados con impurezas (dopados), los mismos que permiten una eficiencia aceptable de conversión de energía luminosa a eléctrica. En la Figura 1.7 se observa dos capas semiconductoras tipo “p” y tipo “n” que conforman una celda solar, así como, el efecto fotovoltaico..

(29) 14. Figura 1.7. a) Composición de una Celda Solar y b) Principio Fotovoltaico [9]. Los materiales comúnmente utilizados en la construcción de celdas solares son: Silicio, Sulfuro de cadmio, Sulfuro de cobre, Arsénico de Galio, Teluro de Cadmio y Di Seleniuro de Indio-Cobre. Las celdas conectadas unas con otras, encapsuladas y montadas sobre una estructura de soporte, conforman un módulo fotovoltaico o panel solar. Los módulos están diseñados para suministrar energía eléctrica a un determinado voltaje, generalmente a 12 o 24 Vdc. Dependiendo de la carga a alimentar, un módulo puede ser insuficiente, por lo cual se conectan varios módulos ya sean en paralelo o en serie dependiendo de los requerimientos de corriente y voltaje respectivamente dando lugar a los conocidos generadores fotovoltaicos.. Figura 1.8. Celda, Panel y Generador Solar [10]. 1.3.1.4 Regulador de Carga.

(30) 15. Es el elemento que regula el paso y circulación de la corriente desde los paneles hacia la batería. Éste corta el paso de la energía cuando la batería se encuentra completamente cargada, evitando de esta manera daños o problemas por sobrecargas. El regulador en todo momento sensa el estado de carga de la batería con la finalidad de actuar adecuadamente. Este dispositivo también permite eliminar el retorno de corriente desde las baterías hacia los paneles solares, mediante diodos de protección.. Figura 1.9. Regulador de Carga del Sistema Fotovoltaico [11]. 1.3.1.5 Batería Elemento encargado de almacenar energía proveniente de los paneles solares, que permite solventar y ofrecer una disponibilidad de energía de manera uniforme durante todo momento. Las baterías mayormente empleadas en sistemas solares fotovoltaicos son las de ciclo profundo, que almacenan la energía eléctrica proveniente de los paneles por medio de procesos electroquímicos, además que soportan ciclos de descargas profundas sin sufrir daño alguno, considerando además que las baterías de ciclo profundo están diseñadas para proveer una cantidad máxima de corriente durante un largo periodo de tiempo, su ciclo de vida es de 5 y 8 años de acuerdo al mantenimiento; además de las características siguientes: ·. Permiten una mayor profundidad de descarga y un alto valor de ciclos.. ·. Permiten una profundidad de descarga del 80%, a niveles de corriente moderados, de aquí su nombre de ciclo profundo..

(31) 16. ·. Mientras más robusta sea la batería, presentará mayor número de ciclos de carga y descarga.. Figura 1.10. Batería [12]. 1.3.1.6 Inversor La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con magnitud y frecuencia requeridas.. Figura 1.11. Inversor [13]. 1.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Se entiende por energía solar térmica, la transformación de la energía radiante del sol en calor o energía térmica de forma limpia, el cual es utilizado para calentar un determinado fluido o sistema Los sistemas de energía solar térmica disponen de elementos denominados concentradores o colectores solares los cuales pueden ser de baja mediana y alta temperatura dependiendo de la aplicación para la cual serán desarrollados..

(32) 17. 1.3.2.1 Concentradores Solares [14] El elemento que permite absorber la energía incidente en el sistema es el “captador solar”, el cual puede ser entendido como un tipo particular de intercambiador de calor que intercepta la energía radiante del sol, la transforma en energía térmica y la transfiere a un fluido (agua, aceite, etc.) circulante por su interior que actúa como “fluido portador” de la energía térmica. De forma genérica, un captador solar está constituido en esencia por un absorbedor que recoge la energía solar, una cubierta transparente y un tubo o tubos por los que circula el fluido termo-portador.. Figura 1.12. Esquema Básico de un Colector Solar [14]. El absorbedor es el elemento más importante del sistema captador, pues es el encargado de recibir y absorber primero la radiación solar y transformarla después en radiación térmica, de forma que por conducción esta energía se transfiera al fluido circulante. 1.3.2.1.1 Clasificación de los Colectores Solares Existen muchos tipos de colectores solares térmicos que, aunque en base tengan el mismo principio, tienen características diferentes. Por ello se pueden clasificar de varias formas que se describen a continuación: En función del aprovechamiento solar:.

(33) 18. Ø Estacionarios.- Su funcionamiento se basa en la energía solar global. Ø Seguidores.- Los cuales requieren de la radiación solar directa, para lo cual necesitan un sistema de seguimiento solar a lo largo del día, pudiendo subdividirse estos en “absorbedores tubulares” y “absorbedores puntuales”.. En función de la temperatura del fluido: Ø Temperatura (30ºC – 100ºC).- Se consigue con colectores solares planos. Sus aplicaciones están en calentamiento de agua sanitarias, de piscinas, calefacción,. secado,. desalinización. y. destilación.. Este. tipo. de. concentradores requieren de apoyo de energía eléctrica u otros para su funcionamiento normal y continuo. Ø Temperatura (100ºC – 400ºC).- Se alcanza con concentradores lineales o esféricos y se usan en procesos industriales, en refrigeración, procesos químicos y desalinización. Ø Temperatura (400ºC – 3000ºC).-. Dichas temperaturas se alcanzan. gracias a concentradores puntuales como los discos parabólicos y los campos de heliostatos o centrales de torre. Su aplicación está en centrales foto térmicas, fotovoltaicas y fotoquímicas, también en hornos solares para tratamientos térmicos e investigación de materiales.. En función de la razón de concentración: La razón de concentración superficial denotada por “C” se define como el cociente del área de apertura del concentrador entre el área de absorción del receptor.. C=. Área de apertura Área de absorción. Colectores no concentradores.- Ideales para aplicaciones de baja temperatura donde no se requiere concentración, aquí C=1..

(34) 19. Colectores concentradores.- Se emplean para obtener temperaturas medias o altas, estos a su vez se pueden subdividir de acuerdo a la geometría del absorbedor (concentrador lineal o puntual) y la forma de concentración (reflexión o refracción).. En la Tabla1.3 se muestran los diferentes colectores en función de la razón de concentración, y el rango de temperatura de trabajo.. Tabla 1.3. Clasificación de los concentradores solares [14].

(35) 20. 1.3.2.1.2 Colector Cilíndrico Parabólico (CCP). Los CCP´s son captadores concentradores solares de foco lineal, que transforman la radiación solar directa en energía térmica, gracias al calentamiento de un fluido de trabajo que puede llegar hasta los 400 ºC en casos muy favorables. Por tanto, están englobados dentro de los colectores solares de media temperatura.. Figura 1.13. Diagrama de un CCP [14]. Entre los elementos que conforman un Colector Cilíndrico Parabólico se tiene: ü El Reflector Cilíndrico Parabólico.- Su objetivo es la de reflejar y concentrar sobre el Receptor la radiación solar directa incidente sobre la superficie. A grandes rasgos es un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una parábola, de forma que concentra sobre su línea focal toda la radiación reflejada. ü El tubo de absorción o Receptor.- Es un elemento fundamental en un CCP, pues el rendimiento global del colector depende en gran parte de la calidad termodinámica del absorbente. Puede constar de un solo tubo o de dos tubos.

(36) 21. concéntricos. En este último caso, el tubo interior es metálico de elevada absorbidad (>90%) y de baja emisividad (<30%) en el espectro infrarrojo, lo que se traduce en un elevado rendimiento térmico. ü El Sistema de Seguimiento Solar.- El seguimiento del Sol se hace con el objetivo de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz, de forma que la radiación solar llegue lo más perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco lineal continuamente. Los CCP pueden tener seguimiento a dos ejes o a un único eje. Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecánicamente es más sencillo, esto implica menor costo y menores perdidas térmicas por no haber tuberías pasivas.. Figura 1.14. Seguimiento Solar en un Eje de un CCP [14]. Los CCP tienen una eficiencia termodinámica muy buena y es por eso que se usan en algunos procesos industriales (láctea, procesado de residuos), así como, en la generación de electricidad. Como desventaja se puede hablar que, éste colector únicamente utiliza la radiación directa, siendo incapaz de captar radiación difusa, es por esto que los costos en su fabricación se incrementan, ya que hay que implementar adicionalmente un sistema de seguimiento solar..

(37) 22. 1.4 EL AGUA El agua es un compuesto químico, formado por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxigeno (O), al mismo tiempo que constituye el líquido más abundante en la Tierra, representa el recurso natural más importante y la base de toda forma de vida. El agua puede considerarse un recurso renovable cuando se controla y supervisa adecuadamente su uso, tratamiento, liberación y circulación, caso contrario es un recurso no renovable en una localidad determinada. 1.4.1 PURIFICACIÓN DE AGUA Agua contaminada es aquella que presenta una o varios elementos que lo hacen indeseable para su consumo, en la eliminación de todos estos elementos consiste la purificación del agua, utilizando uno o varios métodos que a continuación se detallan: Ø Filtración: Tratan el agua pasándola a través de materiales granulares o porosos (arena, etc.) que retiran y retienen los contaminantes (protozoos, bacterias y virus). Ø Sedimentación: Consiste en dejar el agua de un contenedor en reposo, para que los sólidos que poseen se separen y se dirijan al fondo, esencialmente la sedimentación se fundamenta en la acción de la gravedad. Ø Adsorción: Es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). Uno de los materiales comúnmente utilizados para este tipo de procedimientos es el carbón activado que permite eliminar contaminantes orgánicos del agua y aire. Ø Destilación: La destilación consiste en evaporar el agua, por medio de una fuente de energía (sol, vapor, etc.), para luego nuevamente condesarla y recolectar el destilado..

(38) 23. Ø Oxidación Biológica: Este procedimiento permite eliminar la materia orgánica del agua contaminada por medio de organismos denominados saprofitos que consumen y degradan residuos orgánicos denominados detritos. Ø Desinfección: Procedimiento mediante el cual se añaden sustancias químicas al agua por ejemplo el cloro para eliminar agentes patógenos y purificarla.. 1.5 DESTILACIÓN SOLAR Proceso físico que consiste en la evaporación del agua debido al aumento de temperatura en ésta, gracias a la energía recibida por una fuente externa, en este caso el Sol, el vapor de agua resultante asciende debido a su densidad menor a la del aire circundante, éste vapor de agua choca con una superficie más fría que es el vidrio que cubre al destilador solar, produciéndose la condensación y formación de gotas de agua que se acumulan y deslizan a través de la pendiente del cobertor de vidrio hasta un canal de recolección del destilado. Este proceso quita las sales, elimina residuos de hongos, bacterias, virus y demás contaminantes, obteniendo agua apta para consumir. 1.5.1 DESTILADOR SOLAR Un destilador solar es un sistema que permite reproducir de manera acelerada los ciclos naturales de la evaporación y condensación del agua.. Figura 1.15. Destilador Solar [15].

(39) 24. Un destilador solar está constituido por: ü Colector Solar ü Evaporador ü Cámara de aire ü Condensador. ü Elementos para la recolección de condensado.. 1.5.1.1 Tipos de Destiladores Solares En la Tabla 1.4 se presentan los diferentes tipos de destiladores solares en base a su forma. Tabla 1.4.. TIPO. Tipos de Destiladores Solares. DESCRIPCIÓN. IMAGEN. Consta por una caja cubierta por un cristal Destilador Solar de una Vertiente. inclinado.. Está. dividida. en. dos. compartimientos, una con fondo de color negro donde se coloca el agua a destilar y otra, el receptáculo donde se recoge el agua destilada. Consiste en una caseta de material semitransparente,. generalmente. vidrio,. Destilador. que se coloca sobre una bandeja que. Solar de dos. contiene agua a destilar. La radiación del. Vertientes o. sol evapora el agua, que se condensa en. tipo Caseta. el panel transparente, se deslizan y precipitan hacia un depósito obteniendo agua pura..

(40) 25. Son estructuras de invernadero que en su interior alberga un estanque de agua, de Destilador Solar de Invernadero. color negro y de poca profundidad. El agua evaporada se condensa en las paredes del invernadero y se desliza hacia los receptáculos ubicados en la base de las paredes. Es un modelo de gran tamaño y capacidad. Consta de un par de gradas que disponen. Destilador Solar de Cascada. de estanques con fondo de color negro, llenos de agua para destilar, cubiertos por un vidrio o superficie transparente en donde se condesa y precipita el agua purificada, que va hacia los receptáculos Consta. de. una. esfera. de. material. transparente, una bandeja con fondo de Destilador Solar esférico. color obscuro en la parte central donde se coloca el agua a destilar y una barredera en. el. interior,. movida. o. accionada. mediante un motor que recoge el agua destilada.. 1.6 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL DESTILADOR SOLAR El Destilador Solar tipo caseta es una de los más difundidos a nivel mundial, y presenta una rendimiento aproximado del 23%, tiene bajos costos de fabricación y buenas condiciones de mantenimiento, por lo cual es el seleccionado para la implementación en el sistema purificador, cuyo análisis termodinámico se detalla a continuación: [16].

(41) 26. Figura 1.16. Destilador Solar [17]. Tomando en consideración el principio de conservación de la energía se tiene: ENERGÍA ENTRA - ENERGÍA SALE = ENERGÍA ALMACENA. 1.6.1 CALOR ALMACENADO EN EL INTERIOR POR EL AGUA El calor almacenado en el interior del Destilador Solar por el agua y por medio de la ecuación que rige la conservación de la energía [16], se describe por:. q' a = Gs * (1 - ag ) * (1 - aa) - (qrw + qcw + qe + qc) Donde:. q'a : Calor almacenado en interior. Gs : Radiación solar que incide sobre el destilador. ag : Factor de reflexión y absorción en el vidrio.. aa : Factor de reflexión y absorción en el agua y fondo del destilador. Gs : Radiación solar que incide sobre el destilador. Calor perdido por radiación del agua.. (1.4).

(42) 27. qrw : Calor perdido por radiación del agua. qcw : Calor perdido por convección natural.. qe : Calor transferido por evaporación. qc : Calor perdido por conducción.. 1.6.2 CALOR ALMACENADO POR LA CUBIERTA Se encuentra descrito por la ecuación [16]:. q' c = qrw + qcw + qe + ag * Gs - (qrv + qcv ). (1.5). Donde:. q'c : Calor almacenado por la cubierta. qrv : Calor perdido por radiación del vidrio. qcv : Calor perdido por convección del vidrio.. 1.6.3 CALOR ALMACENADO POR EL SISTEMA La cantidad de calor absorbido por el Destilador Solar viene dado como consecuencia de la suma del calor almacenado en la cubierta y el calor almacenado por el agua [16], es decir:. qt = q' c + q' a qt = Gs * (1 - ag ) * (1 - aa) + ag * Gs - (qrv + qcv + qc). (1.6). Se detalla a continuación cada uno de los términos que se encuentran descritos en la ecuación anterior. 1.6.3.1 Calor perdido por conducción (qc).

(43) 28. Es la cantidad de calor que se pierde por conducción a través de la base y de las paredes del destilador [16], está definida por:. qc = Kb * (Tw - Ta). (1.7). Donde:. éwù qc : Calor perdido por conducción ê 2 ú ëm û. é w ù. Kb : Resistencia térmica equivalente del aislante ê 2 ú ë m .K û. Tw : Temperatura media del agua [K ] Ta : Temperatura ambiente [K ]. Para el cálculo de la resistencia equivalente del aislante se emplea la siguiente ecuación:. Kb =. 1. (1.8). 1 Re q + hct. Donde:. é m 2 .K ù Re q : Resistencia equivalente de los materiales ê ú ë w û. é w ù. hct : Coeficiente de transferencia de calor convectivo ê 2 ú ë m .K û. Para determinar la resistencia térmica equivalente de las paredes aislantes se emplea la siguiente ecuación:.

(44) 29. Re q =. X1 X 2 X 3 + + K1 K 2 K 3. (1.9). Donde:. é m 2 .K ù. Re q : Resistencia térmica equivalente ê ú ë w û X 1, X 2, X 3 : Espesores de los materiales [m] é w ù. K1, K 2, K 3 : Coeficientes de transferencia de calor por conducción. ê ë m.K úû. Para realizar el cálculo del coeficiente de transferencia de calor convectivo hay que considerar la velocidad del viento presente en el lugar donde se utilizará el Destilador Solar como lo indica la siguiente fórmula:. hct = 2.8 + 3w. (1.10). Donde:. é w ù. hct : Coeficiente de transferencia de calor convectivo ê 2 ú ë m .K û émù w : Velocidad promedio del viento en el área de influencia ê ú ësû. 1.6.3.2 Calor perdido por convección del vidrio (qcv) Al existir una diferencia de temperatura en el interior del líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento en el fluido. Dicho movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección [16]..

(45) 30. Por efectos de la velocidad del viento y a la diferencia de temperatura del vidrio y el aire existe perdida de calor por el efecto combinado de la conducción y la convección que está dada por:. qcv = hcv * (Tv - Ta). (1.11). Donde: éW ù qcv : Calor perdido por convección del vidrio ê 2 ú ëm û. W hcv : Coeficiente de transferencia de calor convectivo del vidrio éê 2 ùú ëm K û. Tv : Temperatura del vidrio [K ]. Ta : Temperatura ambiente [K ]. 1.6.3.3 Calor perdido por radiación del vidrio (qrv) La pérdida de calor por radiación en la superficie del vidrio se calcula mediante la ecuación basada en la ley de Stefan Boltzman [16]:. qrv = ev * s * (Tv 4 - Ts 4 ) Donde: éW ù qrv : Calor perdido por radiación del vidrio ê 2 ú ëm û. ev : Emitancia del vidrio. W s : Constante de Stefan Boltzman éê 2 4 ùú ëm K û. Tv : Temperatura del vidrio [K ]. Ts : Temperatura del cielo [K ]. (1.12).

(46) 31. Se considera el cálculo de la temperatura del cielo la fórmula [16]:. Tdp - 273 ù é Ts = Ta ê0.8 + 250 úû ë. 0.25. (1.13). Donde: Ts : Temperatura del cielo [K ]. Ta : Temperatura ambiente [K ]. Tdp : Temperatura de rocío [K ]. La temperatura de rocío mediante la ecuación [16]:. Tdp = 8. H * (110 + Ta) - 110 100. (1.14). Donde:. Tdp : Temperatura de rocío [K ] H : Humedad relativa del ambiente Ta : Temperatura ambiente [K ]. Expresando en función del área de concentración del Destilador Solar, se obtiene que la capacidad de calor almacenada por el prototipo es:. QT = qt * A Donde:. QT : Calor absorbido por el sistema éêW - h ùú ë día û. (1.15).

(47) 32. [ ]. A : Área del destilador solar m 2. 1.6.4 CANTIDAD DE CALOR NECESARIO PARA CALENTAR Y EVAPORAR Se requiere calcular la cantidad de calor necesaria para calentar el vidrio y el agua, considerando en esta última la posibilidad de alcanzar su evaporización. 1.6.4.1 Calor necesario para calentar el vidrio (Qv) [16] El calor necesario para calentar el vidrio viene dado por:. Qv = mv * Cpv * (Tv - Ta). (1.16). Donde:. Qv : Calor necesario para calentar el vidrio éêW - h ùú ë día û mv : Masa del vidrio. [Kg ] é J ù. Cpv : Calor específico del vidrio ê ú ë Kg .K û Tv : Temperatura del vidrio [K ]. Ta : Temperatura ambiente [K ]. La masa del vidrio se calcula por medio de:. mv = rv * Av * Ev Donde: mv : Masa del vidrio. [Kg ]. é Kg ù rv : Densidad del vidrio ê 3 ú ëm û. [ ]. Av : Área del vidrio m 2. (1.17).

(48) 33. Ev : Espesor del vidrio [m]. 1.6.4.1.1 Calor total para calentar el vidrio (Qcv) [16] Viene dada por la ecuación:. Qcv = qcv * Av + Qv. (1.18). Donde:. Qv : Calor necesario para calentar el vidrio éêW - h ùú. ë día û. éW ù qcv : Calor perdido por convección en el vidrio ê 2 ú ëm û. [ ]. Av : Área del vidrio m 2. 1.6.4.2 Calor necesario para calentar el agua (Qca) [16] Se requiere el dato de volumen en el destilador solar, el cual viene dado por las dimensiones de la bandeja, con lo que se procede a determinar la masa de agua (ms) que se colocará en el destilador a ser destilada y posteriormente purificada. Por lo tanto el calor necesario para calentar el agua está determinada por:. Qca = ms * Cp * (Tw - Ta) Donde:. Qca : Calor necesario para calentar el agua éêW - h ùú ë día û ms : Masa de agua. [kg] é J ù. Cp : Calor específico del agua ê ú ë Kg .K û Tw : Temperatura media del agua [K ]. (1.19).

(49) 34. Ta : Temperatura ambiente [K ]. 1.6.4.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua (Qev) [16] Para que exista la evaporación del agua, el sistema debe alcanzar el cambio de estado de fase, es decir, debe tener cierta energía extra para que el sistema pueda cumplir con esta función, así se calcula por:. Qev = X *ms * l. (1.20). Donde:. Qev : Calor necesario para evaporar % agua éêW - h ùú ë día û X : Fracción o porcentaje de agua a evaporar (todo = 1) ms : Masa de agua. [kg]. é J ù l : Calor latente de evaporación de agua ê ú ë Kg û Por tanto la cantidad necesaria para calentar el vidrio, calentar el agua de la bandeja y evaporar cierto porcentaje de la misma viene dada por:. QN = Qcv + Qca + Qev. (1.21). 1.6.5 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR SOLAR [17] La intensidad de la energía solar que cae sobre el destilador es el parámetro más importante que afecta la producción de agua del destilador solar. La eficiencia del destilador solar es la cantidad de energía utilizada en la vaporización de agua en el destilador sobre la cantidad de incidencia de energía solar en el destilador. Lo que puede expresarse de la siguiente manera:. Eficiencia (e) =. Q *100% Gs. (1.22).

(50) 35. Donde:. Q : Energía total almacenada por el sistema Gs : Radiación solar que incide sobre el destilador. Considerando la energía total almacenada en el sistema como:. Q = QT + QN. (1.23). Donde:. QT : Calor absorbido por el sistema QN : Calor necesario para calentar y evaporar. Debido a estudios y experiencias anteriores se puede determinar que el rendimiento general de los destiladores solares tipo caseta son alrededor del 23%, con una producción o destilación por m² de alrededor de 3 a 5 litros diarios, que son los valores que se considerará para el diseño en el presente proyecto. Además se considera 5 horas de funcionamiento del equipo considerado como promedio ya que se puede tener días nublados o días soleados por lo tanto se ha realizado un promedio.. 1.7 PURIFICACIÓN. DE. AGUA. MEDIANTE. RADIACIÓN. ULTRAVIOLETA La radiación ultravioleta, llamada también luz UV, es un esterilizador natural. Está ubicada en una región del espectro electromagnético que se haya ubicada entre la luz visible y los rayos X, con longitud de onda entre 10nm y 400nm (nanómetros).. La radiación ultravioleta está constituida de cuatro áreas:.

(51) 36. ·. UV Vacío: (10 - 200 nm), Ozono.. ·. UV-C: (200 - 300 nm), Germicida, onda corta.. ·. UV-B: (280 - 315 nm), Eritema o golpe solar.. ·. UV-A: (315 – 400 nm), Luz negra, onda larga.. Figura 1.17. Espectro Electromagnético y Rayos UV [18]. La radiación UV-C es generada por el sol, pero no es manejable por el hombre, por lo que debe ser producida artificialmente. Ella se genera mediante las lámparas UV, conocidas como germicidas, que presentan una envoltura de cuarzo puro. La luz UV es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco fotovoltaico), a través de vapor de mercurio a baja presión, entre los electrodos de la lámpara, produciendo la mayor parte de su emisión a 253.7 nanómetros, que resulta letal para los microorganismos, virus y bacterias presentes en el medio a desinfectar, ya que impacta directamente sobre su ADN. El ADN, o ácido desoxirribonucleico, es responsables de dirigir las actividades dentro de todas las células vivas. Todas las células deben tener ADN intacto para funcionar correctamente. SU estructura es muy similar a una escalera que se ha torcido de ambos extremos dando como resultado un aspecto espiral..

(52) 37. Figura 1.18. Microorganismos Expuestos a Luz UV [19]. Cuando los microorganismos son expuestos a una dosis adecuada de radiación ultravioleta. a. 253.7nm. de. longitud. de. onda. (UV-C),. el. ADN. (ácido. desoxirribonucleico) de las células absorben los fotones UV causando una reacción fotoquímica irreversible, la cual inactiva y destruye las células. La propiedad que tiene el ADN, presente en el núcleo de las moléculas de todos los microorganismos (bacteria, virus, hongos y quistes) de absorber la radiación UV produce el efecto de rompimiento de las cadenas de los aminoácidos de proteínas, causando una disrupción metabólica afectando su mecanismo reproductivo y logrando así su inactivación, eliminando sus propiedades para producir enfermedades y de crecimiento microbiológico. Uno de los principales beneficios al aplicar luz UV con propósitos de desinfección es que no se utilizan ningún tipo de químico para ello. De todos los métodos de desinfección actual, la luz ultravioleta (UV) es el más eficiente, económico y seguro. Más aún, su acción germicida se realiza en segundos o en fracciones de éstos, además es ambientalmente el método más adecuado, utilizado mundialmente a lo largo de varias décadas. La luz UV se produce naturalmente dentro del espectro electromagnético de las radiaciones solares en el rango comprendido entre 200 y 300 nanómetros (nm) conocido como UV-C, el cual resulta letal para los microorganismos..

(53) 38. 1.7.1 DOSIFICACIÓN [20] Para desinfectar o esterilizar a los microorganismos presentes en el agua a tratar, es necesario aplicar cierta dosis de radiación ultravioleta. Cuantitativamente esta dosis se obtiene por el producto entre la intensidad y el tiempo de reacción. D=Ixt. [µWseg/cm²]. (1.24). Donde: D: Dosis Intensidad (I): Es la cantidad de energía UV por unidad de área medida en micro watts por centímetro cuadrado. Tiempo de reacción (t): Es la cantidad de tiempo que el fluido es expuesto a la luz UV, medido en segundos.. Adicionalmente se debe conocer el flujo de agua con el que se va a trabajar, de esto dependerá la cantidad de lámparas de radiación UV. Los estándares de desinfección para luz UV están basado en los estatutos de 1966 del Departamento de salud y Bienestar de Estados Unidos, los cuales indican que el equipo de desinfección UV debe generar una dosis de al menos 16.000 [µWseg/cm²]. Actualmente los fabricantes aseguran que sus unidades producen una dosis de entre 16.000 a 300.000 [µWseg/cm²] a diversas transmitancias.. CAPÍTULO 2 DESARROLLO DEL HARDWARE En este capítulo se detalla todo lo referente al diseño e implementación del prototipo purificador de agua, comenzando con el Destilador Solar y en base a esto se diseñará el Colector Cilíndrico Parabólico y su posterior plataforma.