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Colectores Solares de Placa Plana: Análisis y Métodos de Prueba

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Academic year: 2020

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA. COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA: ANÁLISIS Y MÉTODOS DE PRUEBA.. TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:. MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA. POR: FRANKLIN URIEL PARÁS HERNÁNDEZ MONTERREY, N.L.. MAYO DE 2011.

(2) DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS.. Dedico este trabajo a mis padres con todo mi cariño y amor, y al mismo tiempo les agradezco el. haberme brindado su apoyo incondicional, no solo durante estos tres años de mi vida, si no desde el comienzo de mi formación como profesionista.. Agradezco de manera muy especial al doctor Alejandro García Cuéllar por haber confiado en. mí desde el inicio de este proceso, y brindarme su apoyo durante estos tres años de mi vida. A. mis profesores, en especial al doctor Carlos Iván Rivera quien igualmente siempre me dio todo su apoyo y también fue guía muy de cerca en mi aprendizaje.. Agradezco también a mis compañeros y amigos de la maestría por haber hecho de estos tres. años un tiempo enriquecedor y de mucho crecimiento personal. A mi novia Rosanna por haberme acompañado muy de cerca en este proceso, y por su cariño y comprensión.. También agradezco de forma muy especial a los ingenieros Felix de los Santos y Claudio Patin. por haberme brindado su ayuda y tiempo para que este proyecto saliera adelante. A Jorge Ramos. y Maximino Beltrán por ofrecerme siempre su tiempo y ayuda en la Casa Solar. Por último, pero. no por eso menos importante, agradezco mucho a Dios por haberme brindado la oportunidad de vivir la experiencia de hacer una maestría dentro de esta universidad..

(3) TABLA DE CONTENIDO. RESUMEN ........................................................................................................................................................................... 11 NOMENCLATURA ............................................................................................................................................................ 13 FIGURAS .............................................................................................................................................................................. 19 TABLAS ................................................................................................................................................................................ 25 CAPITULO I: INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................... 27 1.1. Objetivo ................................................................................................................................................................. 28 1.2. Metodología ......................................................................................................................................................... 29 1.3. La escala cósmica ............................................................................................................................................... 30 1.4. Sistema solar interior ....................................................................................................................................... 31 1.5. Energía en el planeta Tierra ........................................................................................................................... 34 1.5.1. Fuentes alternas de energía ............................................................................................................... 34 1.5.1.1. Energía nuclear ..................................................................................................................... 36 1.5.1.2. Fuentes de renovables ........................................................................................................ 37. 1.6. Cambio climático ................................................................................................................................................ 41 1.6.1. El calentamiento global........................................................................................................................ 43 1.6.2. Emisiones de CO2 a la atmosfera ...................................................................................................... 44. CAPITULO II: ANTECEDENTES Y FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y ENERGÍA. SOLAR............................................................................................................................................................... 47. 2.1. Panorama de la energía solar ........................................................................................................................ 47 2.2. Transferencia de calor por convección internar..................................................................................... 48 2.3. Principios de la transferencia de calor por radiación ........................................................................... 51 2.3.1. Emisión de la radiación térmica ....................................................................................................... 52 2.3.2. Propiedades ópticas de la radiación térmica ............................................................................... 53 2.3.2.1. Emitancia ................................................................................................................................. 54 2.3.2.2. Absortancia............................................................................................................................. 54 2.3.2.3. Reflectancia ............................................................................................................................ 54 2.3.2.4. Transmitancia ........................................................................................................................ 54. 2.3.3. Transferencia de calor por radiación entre superficies ........................................................... 55 2.3.3.1. El factor de forma ................................................................................................................. 56.

(4) 2.3.3.2. Resistencias térmicas de transferencia de calor por radiación ........................... 57 2.3.3.3. Coeficiente de transferencia de calor por radiación ................................................ 58. 2.4. El Sol ....................................................................................................................................................................... 59 2.4.1. Proceso de fusión nuclear ................................................................................................................... 61 2.4.2. La estructura del Sol ............................................................................................................................. 62. 2.5. Principios de la radiación solar..................................................................................................................... 65 2.5.1. Radiación solar extraterrestre .......................................................................................................... 65 2.5.1.1. La constante solar ................................................................................................................ 67. 2.5.2. Radiación solar atmosférica ............................................................................................................... 67 2.5.2.1. Dispersión ............................................................................................................................... 68 2.5.2.2. Definiciones ............................................................................................................................ 70. 2.4.3. Radiación solar disponible ................................................................................................................. 72. 2.6. Medición de la radiación solar ...................................................................................................................... 73 2.6.1. Piranómetro ............................................................................................................................................. 74 2.6.2. Pirheliómetro .......................................................................................................................................... 78. 2.7. Geometría solar .................................................................................................................................................. 79 2.7.1. Definiciones geométricas .................................................................................................................... 79 2.7.2. Relaciones geométricas ....................................................................................................................... 81. 2.8. Tipos de tecnologías de colectores solares ............................................................................................... 85 2.8.1. Colector de placa plana ........................................................................................................................ 85 2.8.1.1. Colector formado por una placa de absorción y un conducto de cobre ............ 86 2.8.1.2. Colector formado por una placa de absorción sin conductos ............................... 88. 2.8.2. Colector solar de tubo de vidrio al vacio ....................................................................................... 89 2.8.2.1. Colector del tipo water–in–glass..................................................................................... 90 2.8.2.2. Colector con heat pipe ........................................................................................................ 91. 2.8.3. Colector solar de plástico para calefacción de albercas ........................................................... 91. CAPITULO III: TRABAJO PREVIO................................................................................................................................ 93 3.1. Pruebas de incremento de temperatura en calentadores de agua solares ..................................... 94 3.2. Evaluación del rendimiento térmico de un colector solar de placa plana GreenOneTec .......... 99 3.2.1. Tesis: desarrollo de un sistema para evaluar el desempeño térmico de colectores. solares para calentar agua para uso residencial y en edificios....................................................... 100. 3.3. Pruebas de colectores solares en la Universidad de Wisconsin ...................................................... 103.

(5) 3.3.1. Reporte 1................................................................................................................................................ 103 3.3.2. Reporte 2................................................................................................................................................ 105 3.3.3. Reporte 3................................................................................................................................................ 105 3.3.4. Reporte 4................................................................................................................................................ 106 3.3.5. Reporte 5................................................................................................................................................ 108 3.3.6. Reporte 6................................................................................................................................................ 110. 3.4. Modelo analítico para calcular el rendimiento térmico de un colector solar de placa plana 110 3.4.1. Resultados obtenidos ........................................................................................................................ 111. CAPITULO IV: MARCO TEORICO ............................................................................................................................. 115 4.1. Modelo del colector solar de placa plana................................................................................................ 115 4.1.1. Coeficiente global pérdidas del colector ..................................................................................... 118 4.1.1.1. Coeficiente global de transferencia de calor por la parte superior ................. 120 4.1.1.2. Coeficiente global de transferencia hacia el fondo del colector ........................ 128 4.1.1.3. Coeficiente global de transferencia hacia los lados del colector ...................... 128. 4.1.2. Propiedades ópticas de la cubierta y sistemas de cubiertas................................................ 129 4.1.2.1. Absorción ............................................................................................................................. 131 4.1.2.2. Sistema de la cubierta ...................................................................................................... 132 4.1.2.3. Producto transmitancia–absortancia (𝝉𝜶) .............................................................. 133. 4.1.2.4. Producto transmitancia–absortancia efectivo (𝝉𝜶)𝒆 ........................................... 136. 4.1.3. Eficiencia térmica instantánea ....................................................................................................... 137 4.1.3.1. Eficiencia de aleta y factor de eficiencia de colector ............................................. 138 4.1.3.2. Factor de remoción de calor del colector.................................................................. 144 4.1.3.3. Temperaturas medias del fluido y de la placa......................................................... 147. 4.2. Caracterización térmica del colector solar de placa plana ............................................................... 150 4.2.1. Curva de eficiencia térmica del colector solar .......................................................................... 151 4.2.1.1. Ecuación de primer orden .............................................................................................. 151 4.2.1.2. Ecuación de segundo orden ........................................................................................... 154. 4.2.2. Respuesta dinámica del colector solar ........................................................................................ 156 4.2.2.1. Constante de tiempo del colector solar ..................................................................... 156 4.2.2.2. Tiempo de estabilidad del sistema .............................................................................. 159 4.2.2.3. Tiempo muerto del sistema ........................................................................................... 160 4.2.2.4. Aproximación a un sistema de primer orden .......................................................... 160.

(6) 4.2.3. Modificador del ángulo de incidencia .......................................................................................... 163. CAPITULO V: ESTANDAR ASHRAE 93-2003 ....................................................................................................... 169 5.1. ¿Qué es la ASHRAE?........................................................................................................................................ 169 5.2. Objetivo .............................................................................................................................................................. 170 5.3. Alcance ................................................................................................................................................................ 170 5.4. Condiciones de prueba requeridas ........................................................................................................... 171 5.5. Variación máxima en mediciones.............................................................................................................. 173 5.5.1. Condiciones de estado estable en el ambiente ......................................................................... 174. 5.6. Requerimientos de los instrumentos de medición ............................................................................. 175 5.7. Configuración del sistema de pruebas..................................................................................................... 175 5.7.1. Configuración de circuito abierto con alimentación externa .............................................. 177 5.7.2. Configuración de circuito cerrado................................................................................................. 178 5.7.3. Configuración de circuito abierto sin alimentación externa ............................................... 179. 5.8. Procedimiento de prueba............................................................................................................................. 180 5.8.1. Determinación de la constante de tiempo.................................................................................. 181 5.8.1.1. Cálculos ................................................................................................................................. 181. 5.8.2. Determinación de la curva de eficiencia térmica ..................................................................... 182 5.8.2.1. Determinación de los valores de la temperatura del fluido de entrada......... 183 5.8.2.2. Cálculos ................................................................................................................................. 187. 5.8.3. Determinación del modificador del ángulo de incidencia .................................................... 188 5.8.3.1. Método 1: pruebas en el interior, o el exterior utilizando una montura alta–. acimutal................................................................................................................................................ 189. 5.8.3.2. Método 2: pruebas en exterior utilizando una montura estacionaria ............ 189 5.8.3.3. Cálculos ................................................................................................................................. 190. 5.9. Resultados ......................................................................................................................................................... 190 5.10. Críticas y conclusiones ............................................................................................................................... 191. CAPITULO VI: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA .............................................................................. 193 6.1. Diseño del sistema de pruebas ................................................................................................................... 194 6.2. Equipo ................................................................................................................................................................. 194 6.3. Construcción ..................................................................................................................................................... 199 6.4. Análisis de mecánica de fluidos ................................................................................................................. 202.

(7) 6.4.1. Velocidad de descarga del sistema ............................................................................................... 203 6.4.2. Calculo del flujo volumétrico a través del flujometro ............................................................ 212. CAPITULO VII: PRUEBAS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS .......................................................................... 217 7.1. Condiciones requeridas para la realización de las pruebas ............................................................. 218 7.2. Medición de la constante de tiempo del colector ................................................................................ 219 7.3. Medición de la curva de eficiencia del colector .................................................................................... 222 7.3.1. Método de pruebas de la ASHRAE modificado ......................................................................... 222 7.3.1.1. Temperatura ambiente y velocidad del viento ....................................................... 223 7.3.1.2. Valores de temperatura de entrada ............................................................................ 224 7.3.1.3. Periodos de prueba y previos a esta ........................................................................... 225 7.3.1.4. Simetría con el mediodía solar ..................................................................................... 227 7.3.1.5. Posición del colector solar ............................................................................................. 230. 7.4.2. Registro de mediciones ..................................................................................................................... 230 7.4.3. Cálculos ................................................................................................................................................... 232 7.4.3.1. Eficiencia térmica instantánea...................................................................................... 232 7.4.3.2. Razón de diferencia de temperaturas–irradiancia ................................................ 234 7.4.3.3. Grafica de la curva de eficiencia térmica promedio .............................................. 234. CAPITULO VIII: CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................ 237 8.1. Resultados preliminares............................................................................................................................... 238 8.2. Resultados finales del colector ARISTON ............................................................................................... 240 8.2.1. Análisis de la constante de tiempo del colector ....................................................................... 241 8.2.2. Análisis de la curva de eficiencia térmica del colector .......................................................... 245 8.2.2.1. Resultados utilizando los datos completos .............................................................. 247 8.2.2.2. Resultados utilizando los datos para un solo día de pruebas de 𝑻𝒆𝒏𝒕 = 𝑻𝒂𝒎𝒃. tomando los más cercanos al mediodía solar ......................................................................... 248. 8.3. Resultados finales del colector GreenOneTec....................................................................................... 250 8.3.1. Determinación experimental de la eficiencia máxima del colector .................................. 252. 8.4. Verificación de la calibración del piranómetro .................................................................................... 253. CAPITULO IX: TRABAJO FUTURO ........................................................................................................................... 255 9.1. Estado actual de la investigación............................................................................................................... 255 9.1.2. Mejoras al sistema pruebas ............................................................................................................. 256.

(8) 9.2. Proyectos futuros ............................................................................................................................................ 257 9.2.1. Análisis y comparación de otros estándares oficiales............................................................ 257 9.3.1. Investigación en colectores solares de placa plana ................................................................ 258 9.3.1.1. Evaluación térmica de un sistema de calentamiento de agua con energía solar. para uso domestico .......................................................................................................................... 258. 9.3.2. Investigación en colectores solares de tubos de vidrio al vacio (water–in–glass)...... 261 9.3.2.1. Desarrollo de un modelo para calcular la eficiencia térmica de un colector. solar de tubos de vidrio al vacio (water–in–glass) ............................................................... 261 9.3.2.2. Desarrollo de procedimientos de prueba para la determinación del. rendimiento térmico de un colector solar de tubos de vidrio al vacio (water–in–. glass) ..................................................................................................................................................... 263. CAPITULO X: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................... 265 10.1. Conclusiones del estándar ASHRAE 93-2003..................................................................................... 265 10.2. Conclusiones sobre los resultados ......................................................................................................... 267 10.2.1. Determinación de la constante de tiempo ............................................................................... 267 10.2.2. Determinación de la eficiencia térmica .................................................................................... 267 10.2.2.1. Colector solar ARISTON................................................................................................ 268 10.2.2.2. Colector solar GreenOneTec ....................................................................................... 269 10.2.2.3. Comparación entre ambos colectores ..................................................................... 269 10.2.2.4. Sector de los laboratorios de pruebas ..................................................................... 270 10.2.2.5. Infraestructura para la Casa Solar ............................................................................ 271. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................................................................ 273 ANEXO A. DEFINICIONES DE ENERGÍA SOLAR ................................................................................................. 279 ANEXO B. PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR EL TIEMPO SOLAR APARENTE (AST)....................... 281 ANEXO C. EQUIPOS DE COLECTORES Y CALENTADORES DE AGUA SOLARES ...................................... 283 ANEXO D. LISTADO DE ESTANDARES OFICIALES PARA LA EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO. TÉRMICO DE UN COLECTOR SOLAR O SISTEMA TÉRMICO SOLAR ....................................... 289. ANEXO E. REQUERIMIENTOS DEL ESTANDAR ASHRAE 93-2003 PARA LOS INSTRUMENTOS DE. MEDICIÓN .................................................................................................................................................... 295.

(9) ANEXO F. CONDICIONES REQUERIDAS EN EL SISTEMA DE PRUEBAS Y EL AMBIENTE PARA LA. DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICA ........................................................................... 297. ANEXO G. EJEMPLO DE UNA CURVA DE EFICIENCIA TÉRMICA DE UN COLECTOR SOLAR DE PLACA. PLANA OBTENIDA CON EL ESTANDAR ASHRAE 93-2003 ........................................................ 299. ANEXO H. GUIA PRÁCTICA PARA LLEVAR A CABO LA PRUEBA DE EFICIENCIA TÉRMICA ............. 301 ANEXO I. CALENDARIO DEL MEDIODÍA SOLAR PARA LA CIUDAD DE MONTERREY, NUEVO LEÓN.. ......................................................................................................................................................................... 305. ANEXO J. HOJA DE DATOS PARA LA TOMA DE MEDICIONES PARA LA PRUEBA DE EFICIENCIA. TÉRMICA ...................................................................................................................................................... 307.

(10) RESUMEN. La siguiente tesis es un análisis de algunos de los aspectos de los colectores solares de placa. plana como; su funcionamiento mecánico, rendimiento térmico, la respuesta dinámica, sus. pérdidas ópticas, entre otros. Así mismo se analizan y discuten distintos métodos de prueba para la evaluación de estos sistemas.. Primero se da una breve introducción a este campo de la ciencia presentado algunas de las. motivaciones que pueden llevar a realizar este tipo de investigaciones. Enseguida, se presentan los antecedentes teóricos principales requeridos para desarrollar el análisis. Así como para poder. entender y llevar a cabo métodos de prueba correctos, y que sean validos para una evaluación de desempeño.. En el capítulo tres se presenta una lista de trabajos previos que de alguna manera sirvieron de. apoyo para la realización de esta tesis. De los cuales el realizado por la Universidad de Wisconsin. en Madison fue utilizado como guía para las pruebas experimentales. Enseguida se presenta el. marco teórico completo del modelo del colector solar de placa plana. Desde el balance de energía sobre todo el sistema hasta la caracterización final del colector.. La siguiente parte es el estudio del estándar ASHRAE 93-2003 y su interpretación. En el. capítulo cinco se presentan los puntos más relevantes de los procedimientos enunciados por este estándar. Sin embargo, más adelante habrá que modificarlos un poco para crean un método de. pruebas práctico y realizable para el laboratorio de energía solar del Tec de Monterrey (Casa Solar).. En la tercera parte de la tesis se lleva a cabo el diseño y la construcción de un sistema de. pruebas para la evaluación de colectores solares de placa plana. La infraestructura se creó para la Casa Solar, y es resultado de un análisis de distintas configuraciones de circuitos de prueba. Por último, las pruebas de la determinación de la constante de tiempo y la eficiencia térmica del. colector son llevadas a cabo. Los resultados que se obtuvieron fueron para dos distintos colectores, ambos de la tecnología de placa plana.. 11.

(11) NOMENCLATURA.. (𝜏𝛼): Producto transmitancia–absortancia �– � (𝜏𝛼)𝑒 : Producto transmitancia–absortancia efectivo �– � (𝜏𝛼)𝑒,𝑛 : Producto transmitancia–absortancia efectivo en condiciones de incidencia normal a la superficie [−] (𝜏𝛼)𝑛 : Producto transmitancia–absortancia en condiciones de incidencia normal a la superficie [−] (𝜏𝛼)𝑝𝑟𝑜𝑚 : Producto transmitancia–absortancia ponderado [−] 𝑊. (𝑈𝐴)𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 : Producto coeficiente de perdidas–área de los lados � � 𝐾 𝑚2. 𝛼: Difusividad térmica � 𝑠2 �, Absortancia [−] 𝑚2. 𝛼𝑎𝑖𝑟𝑒 : Difusividad térmica del aire � 𝑠2 �. 𝛽: Ángulo de inclinación del colector solar [°]. 1. 𝛽𝑎𝑖𝑟𝑒 : Coeficiente de expansión volumétrica del aire � � 𝐾. ∆𝑃𝐿,𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 : Caída de presión a través del colector solar [𝑃𝑎] ∆𝑃𝐿,𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 : Caída de presión a través del filtro [𝑃𝑎] ∆𝑃𝐿,𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 : Caída de presión a través del flujometro [𝑃𝑎] ∆𝑇: Delta de temperatura [℃] ∆𝑧: Diferencia de alturas entre la entrada y la salida [𝑚] 𝛿: Espesor de la placa de absorción [𝑚], Declinación solar [°] 𝜖: Emitancia [−], Rugosidad del material [𝑚] 𝜖𝑐 : Emitancia de la cubierta [−] 𝜖𝑖 : Emitancia de la superficie 𝑖 [−] 𝜖𝑝 : Emitancia de la placa �– � 𝜑: Latitud [°] 𝛾: Espesor promedio de la unión entre la placa de absorción y el tubo [𝑚], Ángulo acimutal [°] 𝛾𝑠 : Ángulo acimutal solar [°] 𝜂: Eficiencia térmica instantánea del colector solar [−] 𝜂𝑜 , Eficiencia óptica (o máxima) del colector solar [−] 𝜇: Viscosidad dinámica �. 𝑘𝑔 � 𝑚∙𝑠. 𝑘𝑔 � 𝑚∙𝑠 𝑘𝑔 𝜇𝑤 : Viscosidad dinámica del fluido evaluada en la pared del tubo � � 𝑚∙𝑠 𝑘𝑔 𝜇𝑎𝑖𝑟𝑒 : Viscosidad dinámica del aire � � 𝑚∙𝑠 𝑚2 𝜈: Viscosidad cinemática � 𝑠 � 𝑚2 𝜈𝑎𝑖𝑟𝑒 : Viscosidad cinemática del aire � 𝑠 � 𝑘𝑔 𝜌: Reflectancia [−], Densidad � 3 � 𝑚 𝑘𝑔 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 : Densidad del aire � 3 � 𝑚. 𝜇0 : Viscosidad dinámica del fluido evaluada en el centro del tubo �. 𝜌𝑑 : Reflectancia difusa [−]. 𝜎: Constante de Stephan–Boltzmann �. 𝑊 � 𝑚2 ∙𝐾4. 𝜏: Transmitancia [−], Constante de tiempo del colector solar [𝑠], [𝑚𝑖𝑛]. 13.

(12) 𝜏𝑎 : Transmitancia considerando solo las pérdidas por absorción [−] 𝜏𝑟 : Transmitancia considerando solo las pérdidas por reflexión [−] 𝜃: Ángulo de incidencia [°], Ángulo entre las componentes de la irradiancia directa y difusa [°] 𝜃1 : Ángulo entre la radiación que sale del diferencial de área 𝑑𝐴1 y una dirección normal a este [°], Ángulo de incidencia en la Ley de Snell [°] 𝜃2 : Ángulo entre la radiación que incide en el diferencial de área 𝑑𝐴2 y una dirección normal a este [°], Ángulo de refracción en la Ley de Snell [°] 𝜃𝑧 : Ángulo cenital [°] 𝜔: Ángulo horario [°] 𝐴: Área [𝑚2 ] 𝐴1 : Área de la región 1 en los balances de masa y momentum [𝑚2 ] 𝐴2 : Área 2 [𝑚2 ], Área de la región 2 en los balances de masa y momentum [𝑚2 ] 𝐴𝑐 : Área neta del colector solar [𝑚2 ] 𝐴𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 : Área de transversal de la manguera de descarga del sistema [𝑚2 ] 𝐴𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 : Área transversal del flujometro [𝑚2 ] 𝐴𝑖 : Área de la superficie 𝑖 [𝑚2 ] 𝐴𝑝 : Área de la placa de absorción [𝑚2 ] 𝐴𝑠 : Área superficial [𝑚2 ] 𝑎: 1er coeficiente de pérdidas de calor en la ecuación de 2do orden de la eficiencia térmica del colector solar 𝑊 �𝑚2 ∙℃� 𝐵: Parámetro en la ecuación del tiempo [°] 𝑏: Ancho de la unión entre la placa de absorción y el tubo por unidad de longitud [𝑚], Intercepción con el eje y de la recta para la eficiencia térmica del colector solar [−], 2do coeficiente de pérdidas de calor en la. ecuación de 2do orden de la eficiencia térmica del colector solar � 𝑏0 : Coeficiente del modificador del ángulo de incidencia [−] 𝐶: Constante experimental en la correlación 3.16 [−]. 𝑊2 � 𝑚4 ∙℃2. 𝐶𝑏 : Conductancia térmica de la unión entre la placa de absorción y el tubo � 𝐶𝑝 : Calor especifico a presión constante � 𝑚. 𝑐: Velocidad de la luz en el vacío, � � 𝑠. 𝐽 � 𝑘𝑔∙𝐾. 𝑊 � 𝑚2 ∙𝐾. 𝐷: Diámetro externo de los tubos [𝑚] 𝐷𝑖 : Diámetro interno de los tubos [𝑚] �����⃗ 𝑑𝐴: Vector normal al área transversal [𝑚2 ] �����⃗ 𝑑𝐴1 : Vector normal al área de la región 1 en los balances de masa y momentum [𝑚2 ] �����⃗ 𝑑𝐴2 : Vector normal al área de la región 2 en los balances de masa y momentum [𝑚2 ] 𝑑𝐴2 : Diferencial de área 2 [𝑚2 ] 𝐸: Energía [e𝑉], Ecuación del tiempo [𝑚𝑖𝑛] 𝐸(𝑇): Potencia de emisión térmica �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐸𝑏 (𝑇): Potencia de emisión de cuerpo negro a una temperatura efectiva �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐸𝑠𝑜𝑙 : Energía solar que incide sobre el colector solar [𝐽] 𝐸ú𝑡𝑖𝑙 : Energía útil ganada por el fluido de trabajo que pasa a través del colector solar [𝐽] 𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 : Energía perdida al ambiente desde el colector solar [𝐽] 𝑒𝑓 : Carga dinámica debida a las pérdidas por fricción [𝑚] 𝑒𝑘 : Carga dinámica debida al cambio en la energía cinética [𝑚] 𝑒𝑚 : Carga dinámica debida a trabajo mecánico [𝑚]. 14.

(13) 𝑒𝑝 : Carga dinámica debida al cambio en la presión mecánica [𝑚] 𝑒𝑞 : Carga dinámica debida a la transferencia de calor [𝑚] 𝑒𝑢 : Carga dinámica debida al cambio de energía interna [𝑚] 𝑒𝑦 : Carga dinámica debida a la diferencia en el nivel potencial gravitacional [𝑚] 𝐹: Factor de eficiencia del colector solar [−] 𝐹′: Eficiencia de la aleta [−] 𝐹 ′′ : Factor de flujo del colector solar [−] 𝐹𝑖→𝑗 : Factor de forma de la superficie 𝑖 a la 𝑗 [−] 𝐹𝑅 : Factor de remoción de calor del colector solar �– � 𝐹𝑑𝐴1 →𝑑𝐴2 : Factor de forma del diferencia de 𝐴1 al diferencial de 𝐴2 [−] 𝑓: Factor de fricción de Darcy [−] 𝑓𝑡𝑢𝑏𝑜𝑝𝑙𝑢𝑠 : Factor de fricción de Darcy del tuboplus [−] 𝑓𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 : Factor de fricción de Darcy de la manguera [−] 𝑓𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 : Factor de fricción de Darcy del tubo de cobre [−] 𝐺: Irradiación �. 𝑊 �, 𝑚2. Irradiancia �. 𝐺𝑆𝐶 : Constante solar �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐺𝑏𝑛 : Irradiancia directa �. 𝑊 � 𝑚2. 𝑊 � 𝑚2. 𝑊. 𝐺𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 : Irradiancia desde el cielo � 2 � 𝑚 𝐺𝑑 : Irradiancia difusa �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐺𝑜𝑛 : Irradiancia solar extraterrestre �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐺𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 : Irradiancia reflejada por el suelo � 𝐺𝑡 : Irradiancia total �. 𝑊 � 𝑚2. 𝑚. 𝑔: Aceleración gravitatoria � 2 � 𝑠. 𝐻: Insolación promedio para un día �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐽 �, Altura del colector solar [𝑚] 𝑚2. ℎ: Espesor del aislante térmico en el fondo del colector solar [𝑚] ℎ𝐿 : Perdida de carga en el sistema debido a fuerzas de fricción [𝑚] ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 : Coeficiente de transferencia de calor por convección �. 𝑊 � 𝑚2 ∙𝐾. ℎ𝑐,𝑐−𝑎𝑚𝑏 : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el ambiente �. 𝑊 � 𝑚2 ∙𝐾. ℎ𝑐,𝑝−𝑐 : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la placa y la cubierta del colector solar 𝑊. �𝑚2 ∙𝐾�. ℎ𝑟𝑎𝑑 : Coeficiente de transferencia de calor por radiación [𝐾 3 ] ℎ𝑟,𝑐−𝑎𝑚𝑏 : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la cubierta del colector solar y el 𝑊. ambiente �𝑚2 ∙𝐾�. ℎ𝑟,𝑝−𝑐 : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la placa y la cubierta �. 𝑊 � 𝑚2 ∙𝐾. ℎ𝑤 : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la pared de los tubos internos y el fluido de 𝑊 trabajo �𝑚2 ∙𝐾� 𝐼: Irradiación �. 𝑊 �𝑚 2 �. 𝐽 �, 𝑚2. Insolación promedio para una hora �. 15. 𝐽 �, 𝑚2. Intensidad de la radiación local en el medio.

(14) 𝐼𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 : Intensidad de la radiación incidente �. 𝑊 � 𝑚2. 𝐼𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 : Intensidad de la radiación transmitida � 𝐽: Radiosidad �. 𝐽 � 𝑚2. 𝑊 � 𝑚2. 𝐾: Coeficiente de extinción del vidrio [−] 𝐾𝜏𝛼 : Modificador del ángulo de incidencia [−] 𝐾𝐿 : Coeficiente de pérdida de carga debido a la fricción en los accesorios [−] 𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒 : Conductividad térmica del aire �. 𝑊 � 𝑚∙𝐾. 𝑊 � 𝑚∙𝐾 𝑊 𝑘𝑎,𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 : Conductividad térmica del aislante en el fondo del colector solar � � 𝑚∙𝐾 𝑊 𝑘𝑎,𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 : Conductividad térmica del aislante por los lados del colector solar � � 𝑚∙𝐾. 𝑘𝑏 : Conductividad térmica de la unión entre la placa de absorción y el tubo �. 𝐿: Longitud de la tubería [𝑚], Largo del colector solar [𝑚] 𝐿𝑐 : Longitud característica [𝑚] 𝐿𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 : Longitud total de tubo de cobre [𝑚] 𝐿𝑙𝑜𝑐 : Longitud geográfica del lugar [°] 𝐿𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 : Longitud de la manguera [𝑚] 𝐿𝑠𝑡 : Longitud geográfica del meridiano estándar para un uso horario local [°] 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜𝑝𝑙𝑢𝑠 : Longitud total de tuboplus [𝑚] 𝑘𝑔. 𝑚̇: Flujo másico � � 𝑠. 𝑚: Masa [𝑘𝑔], Constante experimental en la correlación 3.16 [−], pendiente de la recta para la eficiencia 𝑊 térmica del colector solar � 2 � 𝑚 ∙℃. 𝑚𝑎 : Masa de aire �– � 𝑁: Número de cubiertas [−] 𝑁𝑢: Número de Nusselt [−] 𝑛1 : Índice de refracción del medio 1 [−] 𝑛2 : Índice de refracción del medio 2 [−] 𝑛: Número de día del año [−], Coeficiente del exponencial en la ecuación 2.3 [−], Constante experimental en la correlación 3.16 [−], Número de tubos dentro del colector solar [−] 𝑃: Perímetro del colector solar [𝑚] 𝑃𝑟: Número de Prandtl [−] 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐−𝑎𝑚𝑏 : Flujo de calor perdido desde la cubierta del colector hacia el ambiente [𝑊] 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐𝑜𝑛𝑣 : Flujo de calor perdido por convección [𝑊] 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑝−𝑐 : Flujo de calor perdido desde la placa de absorción hacia la cubierta del colector solar [𝑊] 𝑄̇𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑟𝑎𝑑 : Flujo de calor perdido por radiación [𝑊] 𝑄̇𝑟𝑎𝑑 : Flujo de calor por radiación [𝑊] 𝑄̇ú𝑡𝑖𝑙 : Calor útil ganado por el fluido de trabajo [𝑊] 𝑊 𝑄̇′𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 : Flujo de calor por unidad de longitud a través de la aleta � � 𝑚. 𝑊 𝑄̇′𝑡𝑢𝑏𝑜 : Flujo de calor por unidad de longitud a través del tubo � � 𝑚. 𝑊 𝑄̇′ú𝑡𝑖𝑙 : Flujo de calor por unidad de longitud ganado por el fluido de trabajo � � 𝑚. 𝑄′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐−𝑎𝑚𝑏 : Flujo de calor perdido por unidad de área desde la cubierta del colector solar hacia el. ambiente �. 𝑊 � 𝑚2. 𝑊 𝑄̇′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑐𝑜𝑛𝑣 : Flujo de calor perdido por convección por unidad de área � 2 � 𝑚. 16.

(15) 𝑊 𝑄̇′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑝−𝑐 : Flujo de calor perdido por unidad de área de la placa de absorción hacia la cubierta � 2 �. 𝑄̇′′𝑝𝑒𝑟𝑑,𝑟𝑎𝑑 : Flujo de calor perdido 𝑄: Calor [𝐽]. 𝑚. 𝑊 por radiación por unidad de área � 2 � 𝑚. 𝑅1 : Resistencia térmica entre la placa de absorción y la cubierta � 𝑅2 : Resistencia térmica entre la cubierta y el ambiente �. 𝐾∙𝑚2 � 𝑊. 𝐾∙𝑚2 � 𝑊. 𝑅3 : Resistencia térmica entre la placa de absorción y el fondo del colector solar � 𝑅4 : Resistencia térmica entre el fondo del colector solar y el ambiente � 𝑅𝑖 : Resistencia térmica de superficie por radiación �. 1 � 𝑚2. 𝐾∙𝑚2 � 𝑊. 𝑅𝑖→𝑗 : Resistencia térmica espacial por radiación de la superficie 𝑖 a la 𝑗 � 𝑅𝑎: Número de Rayleigh [−] 𝑅𝑎𝐿 : Número de Rayleigh longitudinal [−] 𝑅𝑒: Número de Reynolds �– � 𝑟: Distancia entre 𝑑𝐴1 y 𝑑𝐴2 [𝑚]. 𝑆: Radiación solar absorbida por unidad de área �. 𝐾∙𝑚2 � 𝑊. 1 � 𝑚2. 𝑊 � 𝑚2. 𝑇: Temperatura [𝐾], [℃] 𝑇∞ , 𝑇𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑 : Temperatura de los alrededores [𝐾] 𝑇𝑎𝑚𝑏 : Temperatura ambiente [℃] 𝑇𝑏 : Temperatura de la unión entre la placa de absorción y el tubo [℃] 𝑇𝑐 : Temperatura de la cubierta [℃] 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 : Temperatura equivalente de cuerpo negro del cielo [𝐾] 𝑇𝑓 : Temperatura del fluido [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡 : Temperatura del fluido a la entrada del colector solar [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡,1 : Temperatura 1 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡,2 : Temperatura 2 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡,3 : Temperatura 3 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡,4 : Temperatura 4 del fluido a la entrada del colector solar en la prueba de eficiencia térmica [℃] 𝑇𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 : Temperatura del fondo del colector solar [℃] 𝑇𝑠𝑎𝑙 : Temperatura del fluido a la salida del colector solar [℃] 𝑇𝑠𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 : Temperatura inicial del fluido a la salida del colector solar [℃] 𝑇𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑥 : Temperatura máxima de entrada al colector en la prueba de eficiencia térmica [℃] 𝑇𝑚𝑓 : Temperatura media del fluido [℃] 𝑇𝑚𝑝 : Temperatura media de la placa de absorción [℃] 𝑇𝑝 : Temperatura de la placa de absorción [℃] 𝑇𝑝𝑟 : Temperatura de rocío [℃] 𝑇𝑠 : Temperatura superficial [℃] 𝑡: Hora contando desde la medianoche en la ecuación 3.16 [ℎ𝑟𝑠] 𝑡0 , Tiempo muerto del sistema [𝑠] 𝑡𝑠 : Tiempo de estabilización del sistema [𝑠] 𝑊 � 𝐾∙𝑚2 𝑊 del colector solar � 2 � 𝐾∙𝑚. 𝑈𝑐 : Coeficiente de pérdidas de calor del colector � 𝑈𝐿 : Coeficiente global de pérdidas. 𝑈𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 : Coeficiente global de pérdidas por el fondo del colector solar �. 17. 𝑊 � 𝐾∙𝑚2.

(16) 𝑈𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠 : Coeficiente global de pérdidas por los lados del colector solar �. 𝑊 � 𝐾∙𝑚2. 𝑊 � 𝐾∙𝑚2 𝑊 𝑈𝑠𝑢𝑝 : Coeficiente global de pérdidas por la parte superior del colector solar � 2 � 𝐾∙𝑚 𝑚3 ̇ 𝑉𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 : Flujo volumétrico en el flujometro � 𝑠 � �⃗ : Velocidad del fluido �𝑚� 𝑉 𝑠. 𝑈𝑜 : Coeficiente global de pérdidas entre el fluido de trabajo y el ambiente �. �⃗1: Velocidad en la región 1 en las ecuaciones de conservación de masa y momentum [𝑚] 𝑉 �⃗1,𝑝𝑟𝑜𝑚 : Velocidad promedio en la entrada del sistema �𝑚� 𝑉 𝑠. �⃗2 : Velocidad en la región 2 en las ecuaciones de conservación de masa y momentum [𝑚] 𝑉 �⃗2,𝑝𝑟𝑜𝑚 : Velocidad promedio en la salida del sistema �𝑚� 𝑉 𝑠. �⃗𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 : Velocidad en la salida de la manguera �𝑚� 𝑉 �⃗𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 : Velocidad en el flujometro �𝑚� 𝑉 𝑠. 𝑠. �⃗𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 : Velocidad dentro del sistema de pruebas �𝑚� 𝑉 �⃗𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 : Velocidad del viento �𝑚� 𝑉 𝑠. 𝑠. 𝑊: Distancia de tubo a tubo en la placa de absorción [𝑚] 𝑤: Espesor del aislante térmico por los lados del colector solar [𝑚]. 𝑥: Dirección horizontal [𝑚], Razón de diferencia de temperaturas–irradiancia � 𝑦: Dirección vertical [𝑚]. 18. 𝑚2 ∙℃ � 𝑊.

(17) FIGURAS. Fig. 1.1. Imagen del sistema solar (se presentan solo los cuerpos celestes más relevantes). Fig. 1.2. Clasificación de las diferentes fuentes de energía encontradas en el planeta.. Fig. 1.3. División de las fuentes de energía renovables en cinco grandes clasificaciones. Fig. 1.4. La torre o chimenea solar (Updraft Solar Tower).. 1.4a. Funcionamiento físico de la tecnológica. Una tecnología innovadora que aprovecha la energía solar térmica.. 1.4b. Prototipo construido por Enviro Mission en Manzanares, España.. Fig. 2.1. Área de colectores instalados para el 2007 en varios países del mundo.. Fig. 2.2. Fracción dividida de la radiación total incidente en una superficie.. Fig. 2.3. Fotosfera del Sol en el espectro ultravioleta captada por el observatorio espacial TRACE de la NASA.. Fig. 2.4. Estructura interna del Sol.. Fig. 2.5. Porcentajes de la radiación solar atmosférica al fraccionarse a su llegada a la atmosfera. Fig. 2.6. Flujo neto de radiación en una superficie.. Fig. 2.7. Fotografías de distintos piranómetros.. 2.7a. PSP (Precision Spectral Pyranometer) de Epply Laboratories. 2.7b. Kipp & Zonen CM21/CM22.. 2.7c. Piranómetros MS-601 y MS-601F de EKO Instruments. 2.7d. Un albedometro de NovaLynx Corporation.. Fig. 2.8. Piranómetro bloqueado con un anillo ensombrecedor para medir la radiación solar difusa.. Fig. 2.9. Piranómetro colocado de cabeza para poder medir la radiación reflejada por el suelo. Fig. 2.10. Pirheliómetro de grado de investigación de la marca Hukseflux.. Fig. 2.11. Ángulo de incidencia (tetha) entre los rayos del Sol y una dirección normal a la superficie del colector.. Fig. 2.12. Ángulos de geometría solar para una superficie horizontal en la Tierra.. Fig. 2.13. Localizaciones en la Tierra que muestran los ángulos 𝛽, 𝜃, 𝜑 y la relación 𝜑 − 𝛽 para una superficie viendo hacia el sur en el hemisferio norte.. Fig. 2.14. Colector solar de placa plana con conductos de cobre en forma de serpentín. 19.

(18) Fig. 2.15. Colector solar de placa plana con conductor en forma de retícula. Fig. 2.16. Calentador de agua solar de colector y tanque integrado.. Fig. 2.17. Extremo de entrada de un colector solar de tubo de vidrio al vacio. Fig. 3.1. Colector de placa plana GreenOneTec FK8231.. Fig. 3.2. Calentador de agua solar de colector de placa plana ARISTON 150/1 TR CN TOP. Fig. 3.3. Calentador de agua solar de tanque y colector integrado SolarTech Genius 200L.. Fig. 3.4. Calentador de agua solar de tubos de vidrio al vacio THERMOSOL TH-470-47/1500-20.. Fig. 3.5. Calentador de agua solar de tubos de vidrio al vacio JIEMEI Comfort–A1.. Fig. 3.6. Graficas de incremento de temperatura del agua en las evaluaciones experimentales del rendimiento térmico del proyecto en la Casa Solar del Tec de Monterrey.. 3.6a. Grafica del comportamiento de la temperatura de salida del sistema a lo largo del tiempo para los cinco sistemas de calentadores solares.. 3.6b. Grafica del comportamiento de la energía almacenada a lo largo del tiempo para los cinco sistemas de calentadores solares.. Fig. 3.7. Sistema de pruebas y colector solar GreenOneTec.. Fig. 3.8. Diagrama de bloques para el sistema de pruebas de colectores solares del SEL.. Fig. 3.9. Primeros resultados obtenidos para la prueba de la determinación de eficiencia térmica.. 3.9a. Curva de eficiencia térmica calculada con las 18 mediciones que se hicieron de acuerdo al procedimiento de pruebas.. 3.9b. Curva de eficiencia térmica calculada solo con las 10 mediciones que se lograron simétricas al mediodía solar.. Fig. 3.10. Piranómetro utilizado en el MATC (Madison Area Technical College), para las pruebas del SEL.. Fig. 3.11. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con el modelo analítico de la teoría de colectores solares de placa plana (Duffie & Beckman. 2006).. Fig. 3.12. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con el método alterno para 𝑈𝑠𝑢𝑝 (Duffie. & Beckman. 2006).. Fig. 3.13. Curva de eficiencia térmica promedio calculada con ambos métodos de Duffie & Beckman. 2006.. Fig. 4.1. Configuración de colector solar de placa plana con doble cubierta.. Fig. 4.2. Circuito equivalente de transferencia de calor para un colector solar de placa plana con una sola cubierta.. 20.

(19) Fig. 4.3. Resistencia térmica equivalente entre la placa de absorción y el ambiente. Fig. 4.4. Ley de Snell para dos medios con índices refractivos 𝑛1 y 𝑛2 .. Fig. 4.5. Proceso de absorción de la radiación solar en un sistema de placa de absorción– cubiertas.. Fig. 4.6. Una sección de tubo y placa de absorción.. Fig. 4.7. Balance de energía sobre una sección de la placa de absorción.. Fig. 4.8. Grafica de la eficiencia de la aleta en función del coeficiente global de pérdidas, la conductividad térmica del material y otros parámetros geométricos.. Fig. 4.9. Grafica del factor de flujo del colector en función del parámetro: tasa de capacitancia adimensional.. Fig. 4.10. Balance de energía tomando un volumen de control de una sección de fluido dentro de un conducto del colector solar.. Fig. 4.11. Ejemplo de dos graficas de eficiencia térmica para un mismo colector basadas en dos áreas distintas (la de apertura y la neta).. Fig. 4.12. Grafica de una curva de eficiencia para un colector solar de placa plana.. Fig. 4.13. Ejemplo representativo de la constante de tiempo y la respuesta de la temperatura de salida de un colector solar ante un cambio escalón de la radiación solar.. Fig. 4.14. Graficas obtenidas para 𝑍 y 𝑌 versus el tiempo.. 4.14a. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 1 realizado por H. J. Hou, et. al.. 4.14b. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 2 realizado por H. J. Hou, et. al.. 4.14c. 14c. Grafica 𝑍 vs. tiempo correspondiente al experimento 3 realizado por H. J. Hou, et. al.. Fig. 4.15. Graficas del modificador de ángulo de incidencia contra dos funciones distintas del ángulo de incidencia para tres colectores solares de placa plana distintos. 4.15a. Grafica de 𝐾𝜏𝛼 vs. ángulo de incidencia. 1. 4.15b. Grafica de 𝐾𝜏𝛼 vs. �cos 𝜃 − 1�.. Fig. 4.16. Ángulos de incidencia trazados sobre dos planos de un colector tubular.. Fig. 5.1. Configuración de banco de pruebas de circuito abierto con alimentación externa.. Fig. 5.2. Configuración de banco de pruebas de circuito cerrado.. Fig. 5.3. Configuración de banco de pruebas de circuito abierto sin alimentación externa.. Fig. 5.4. Grafica de las curvas de eficiencia térmica de tres colectores de placa plana distintos. Fig. 6.1. Ubicación de la Casa Solar en el I. T. E. S. M. Campus Monterrey.. Fig. 6.2. Tanque de alimentación de agua para la prueba fabricado de fibra de vidrio. 21.

(20) Fig. 6.3. Montura alta–acimutal para pruebas con movimientos en inclinación y orientación del. colector.. Fig. 6.4. Filtro para capturar arena, tierra y sedimentos.. Fig. 6.5. Flujometro de turbina y paletas utilizado en el sistema de pruebas.. Fig. 6.6. Piranómetro de la marca Apogee Instruments.. Fig. 6.7. Poste de acero armado para la estructura con movimiento alta–acimutal para el colector solar.. Fig. 6.8. Estructura utilizada para soportar el tanque de fibra de vidrio que alimenta al sistema. Fig. 6.9. Vistas interiores de la descarga al tanque de fibra de vidrio.. Fig. 6.10. Instrumentos de medición colocados en el sistema de pruebas. 6.10a. Piranómetro cubierto. 6.10b.. 6.10b. Transportador instalado en el mismo plano del colector.. 6.10c. Vista lateral del flujometro y termopar a la entrada del colector.. Fig. 6.11. Sistema de pruebas terminado.. Fig. 7.1. Cubierta para tapar el colector solar y reducir la radiación solar incidente a cero.. Fig. 7.2. Ejemplo representativo de la simetría con respecto al mediodía solar para las pruebas.. Fig. 8.1. Variación en la temperatura de entrada en la segunda prueba del día 15 de octubre de 2010 (se mantuvo dentro de una variación de 0.12 °C por debajo del valor inicial).. Fig. 8. 2. Variación de la radiación solar en la segunda prueba del día 15 de octubre de 2010 (aquí la tendencia fue de incremento casi constante dentro de una variación de –3.9 y +9 W/m2).. Fig. 8. 3. Respuesta del estado estable del colector durante la prueba. Se puede observar el tiempo en que tarda en perder hasta el 65 %.. Fig. 8.4. Curva de eficiencia térmica obtenida con todos los datos de las pruebas realizadas entre el 21 de abril de 2011 y el 12 de mayo de 2011.. Fig. 8.5. Curva de eficiencia térmica obtenida eliminando aquellos los del 21 de abril de 2011 y los más lejanos al mediodía solar del 29 de abril de 2011. Fig. 8.6. Grafica de dispersión de los datos para las pruebas de eficiencia térmica del colector solar GreenOneTec.. Fig. 8.7. Resultados del Clear Sky Calculator obtenidos para el 8 de Mayo de 2011, para la ciudad de Monterrey al momento justo del mediodía solar.. Fig. 9.1. Cubierta del estándar 95-1987 de la ASHRAE. 22.

(21) Fig. 9.2. Balance de energía en un colector solar de tubos de vidrio al vació del tipo water–in–. glass.. 23.

(22) TABLAS.. Tabla 2.1. Datos físicos y de localización del Sol.. Tabla 3.1a. Sistemas solares de calentamiento de agua de placa plana.. Tabla 3.1b. Sistemas solares de calentamiento de agua de tubos de vidrio al vacio.. Tabla 3.2. Resultados del modelo analítico del colector solar de placa plana (Duffie & Beckman, 2006) y del reporte del ENEA.. Tabla 5.1. Condiciones de prueba requeridas y variaciones máximas en las mediciones.. Tabla 5.2. Periodos previos a la prueba para asegurar condiciones de estabilidad (o cuasi– estabilidad) en el ambiente y el sistema.. Tabla 6.1. Equipo utilizado en el sistema de pruebas para colectores solares de placa plana, y su descripción.. Tabla 7.1. Rangos de variaciones permitidas que se deben de mantener durante un periodo previo a la prueba.. Tabla 7.2. Valores y rangos de variación permitida de las cantidades a registrar durante la prueba.. Tabla 7.3. Condiciones requeridas para la prueba de eficiencia térmica.. Tabla 8.1. Pruebas preliminares para la determinación de la eficiencia térmica entre los meses de noviembre y diciembre de 2010.. Tabla 8.2. Resultados del día 4 de octubre de 2010.. Tabla 8.3. Resultados del día 11 de octubre de 2010. Tabla 8.4. Resultados del día 15 de octubre de 2010.. Tabla 8.5. Detalles de la primera prueba del día 15 de octubre de 2010.. Tabla 8.6. Resultados finales de la caracterización de la dinámica del sistema.. Tabla 8.7. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar ARISTON entre los días 6 de noviembre de 2010 y 29 de abril de 2011.. Tabla 8.8. Comportamiento de la variación de los datos de acuerdo a las especificaciones establecidas en el método para las pruebas del colector ARISTON.. Tabla 8.9. Datos de mediciones eliminando aquellos del 21 de abril de 2011 y los más lejanos al mediodía solar del 29 de abril de 2011.. 25.

(23) Tabla 8.10. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar GreenOneTec del día 5 de mayo de 2011.. Tabla 8.11. Comportamiento de la variación de los datos de acuerdo a las especificaciones establecidas en el método para las pruebas del colector GreenOneTec.. Tabla 8.12. Datos obtenidos de las pruebas de eficiencia para el colector solar GreenOneTec del día 5 de mayo de 2011, eliminando las dos pruebas que se vieron afectadas por el control en las variables de medición.. 26.

(24) CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.. Esta tesis fue escrita con la motivación de poder entender y vislumbrar un poco más el. funcionamiento de aquellos sistemas térmicos que hacen uso de la energía solar. Consta de varias. partes, que si bien no se realizaron en una secuencia perfecta, si constan todas de una continuidad. La parte de antecedentes y marco teórico pone las bases teóricas para el. entendimiento del sistema del colector solar térmico. Desglosan todas las leyes involucradas y relaciones matemáticas en los análisis de transferencia de calor y mecánica de fluidos. También. se incluyen algunas discusiones para reflexionar sobre el punto en el que nos encontramos. actualmente, energéticamente hablando. Algo de suma importancia para este trabajo, fue considerar un panorama global sobre la situación, y no solo dirigir el análisis a resultados, o. estudios en México. Empezando por el hecho de que los dos sistemas que se estudiaron son colectores solares de fabricantes europeos en Austria e Italia.. El primer objetivo de esta tesis fue poner a prueba la practicidad del estándar americano de la. ASHRAE para el cálculo y determinación del rendimiento térmico de un colector solar de placa plana. Se realizó trabajo de documentación, investigación bibliográfica, diseños y estudios. preliminares. A lo largo de estas etapas nos dimos cuenta de que probablemente un 40 % del. estándar no es prácticamente realizable y un 10 % físicamente imposible. Una de las partes clave del proyecto se presentó justo antes de comenzar las pruebas experimentales. Se tomó la. decisión de modificar los requerimientos del estándar y (más que otra cosa) adaptarlo a las condiciones ambientales que se presentan en la ciudad de Monterrey, y los requerimientos de los instrumentos de medición a las limitaciones del laboratorio.. Para el diseño y construcción del sistema de pruebas se trabajó un poco con ingeniería inversa.. Es decir, en lugar de primero hacer el análisis y cálculos para el sistema, primero se investigó en. el mercado que es lo que había disponible, y en base a eso se construyó todo el sistema. Para dejar como etapa final el análisis estructural y de mecánica de fluidos. Esta es una forma muy. recurrente de trabajar en el mundo real, y nos permitió aprender a combinar la teoría con la. práctica. Inicialmente el contenido de la tesis no consideraba incluir el diseño y la construcción del sistema. Ya que se pensaba que este podía ser un trabajo previo nada más, y sin mucha 27.

(25) relevancia para el proyecto. El detalle fue que se trabajó mucho más detenidamente de lo que se. pensaba en esta etapa, y tomó mucho más tiempo del que se había considerado desde un inicio, por eso fue que se decidió incluirlo como parte de la tesis.. Para ser francos, se cubrió casi todo lo que inicialmente se había pensado desde el inicio. La. etapa de pruebas experimentales y análisis de datos fue la última del proyecto. Este fue el punto culminante y de mayor satisfacción de todo el trabajo, porque pudimos ver con nuestros propios ojos como era el comportamiento real del rendimiento térmico del colector solar. En base a estos. resultados se presentan las conclusiones y recomendaciones a los fabricantes y diferentes usuarios de estas tecnologías. Así como las recomendaciones a seguir para los siguientes grupos. que tengan el deseo continuar con esta línea de investigación, y desarrollar nuevos métodos de prueba que realicen una contribución a la estandarización y normalización de los colectores solares.. 1. 1. Objetivo. El principal objetivo de este trabajo es analizar desde el punto de vista de rendimiento. energético, una de las principales aplicaciones de la energía solar como una fuente de energía térmica primaria. Hoy en día los calentadores de agua solares son bastante populares alrededor. del mundo. En algunos países en mayor grado que en otros, pero en cualquier caso este tipo de tecnología sigue despertando el interés de la gente.. Para poder contar con elementos de comparación y selección entre diferentes equipos, es muy. importante que se nos presente un reporte global de resultados y de evaluación térmica en campo. Resultados globales que incluyan la respuesta del colector de perder (o llegar) el estado. estable, alguna curva con parámetros representativos y cuantificables de su rendimiento térmico,. y en este caso, de variables ambientales y geométricas como la irradiación solar, las condiciones climáticas del lugar en cuestión, la posición aparente del Sol, etc.. Todo el trabajo hecho durante esta investigación tiene como finalidad obtener de manera. experimental un conjunto de parámetros que nos lleven a predecir el rendimiento térmico de un. colector solar de placa plana. Esta información es vital para aquellas personas encargadas de los. análisis de ventas y mercadotecnia. Ya que sin esta información, sería imposible calcular el 28.

(26) tiempo de retorno de inversión, y los ahorros generados por el consumidor. Como comentario. final a la introducción; a lo largo de la investigación, se encontró la manera en la que se están desarrollando los mercados en otras partes del mundo, y que tan fuerte es la relación entre investigación y comercialización en diferentes países, en donde el mercado de los calentadores de agua solares ha crecido de manera muy importante durante los últimos diez años.. 1. 2. Metodología.. La metodología utilizada en este trabajo fue la siguiente: 1. Investigación del estado del arte.. 2. Documentación de la bibliografía.. 3. Estudio del estándar ASHRAE 93-2003. 4. Solicitud de los equipos e instrumentos de medición necesarios para el sistema de pruebas.. 5. Diseño y construcción del sistema de pruebas.. 6. Instalación de todos los equipos e instrumentos de medición en el sistema de pruebas.. 7. Realización de la prueba para determinar la constante de tiempo del colector ARISTON.. 8. Realización de las pruebas preliminares para determinar la eficiencia térmica del colector ARISTON.. 9. Calculo del flujo volumétrico máximo que puede ser obtenido con el sistema de pruebas a la entrada del colector.. 10. Realización de las pruebas finales para determinar la eficiencia térmica del colector ARISTON.. 11. Análisis de los datos y resultados del colector ARISTON.. 12. Realización de las pruebas para determinar la eficiencia térmica del colector GreenOneTec.. 13. Análisis de los datos y resultados del colector GreenOneTec. 14. Redacción de la tesis.. 15. Redacción de las conclusiones finales del trabajo.. 29.

(27) 1. 3. La escala cósmica.. El sistema solar en el que vivimos es diminuto si consideramos una escala cósmica. A grandes. rasgos, sabemos que nuestro sistema solar es uno de los miles que probablemente existan en nuestra galaxia. Estos cálculos se han venido realizando en los últimos años con base a nuevas. observaciones de estrellas parecidas a nuestro Sol y de características similares. Estos estudios se logran observando indirectamente pequeñas perturbaciones orbitales de la estrella, corrimientos del espectro visible y curvaturas de la luz que viaja desde ellas.. En años recientes, diversos telescopios espaciales tanto de la agencia espacial europea como. de la NASA han podido tomar imágenes cada vez más nítidas de los confines del universo. Estos telescopios. han. podido. construir. mediante. simulaciones. computacionales,. mapas. tridimensionales del universo observable, y más allá, cada vez con mayor detalle. El universo en. el que habitamos es increíblemente inmenso, y se piensa que apenas se ha podido observar aproximadamente el 1 % de él.. El sistema solar en el que vivimos es imposible de ser observado individualmente en uno de. estos mapas tridimensionales. Sería necesario hacer un acercamiento en por lo menos cinco pasos para poder localizar al Sol y a los planetas que orbitan alrededor de él. Para darnos una. idea de comparación más clara de la medida de nuestro sistema solar, se puede pensar en los siguientes datos: La luz del Sol tarda más o menos unas cinco horas y media en llegar a Plutón. Aunque para llegar a la Tierra le toma solo 8 minutos y 20 segundos. Mientras que en cruzar toda la galaxia de un extremo a otro esta tarda entre 100 y 120 mil años luz.. La Vía Láctea es la galaxia en la que habita nuestro Sol, que se encuentra en constante viaje. alrededor de su centro. En ubicación espacial, nuestro sistema solar esta orbitando en uno de los brazos de la espiral aproximadamente a un cuarto del diámetro hacia dentro, llamado Brazo de. Orión. La distancia entre nosotros hasta el centro de la galaxia es de apenas 27 700 años luz. Ya en este gigante celeste hablamos de un cuerpo de 200 mil a 400 mil millones de estrellas. La Vía. Láctea es la segunda más grande y brillante de nuestro grupo local de galaxias, solo Andrómeda es de mayor tamaño y mayor brillo.. 30.

(28) El Grupo Local está formado en su mayoría por galaxias enanas y satélites que se mueven en. una especie de conglomeración alrededor de otros conglomerados de galaxias. Nuestro grupo contiene unas 30 galaxias y existe mucho espacio entre ellas en comparación con otros grupos de. galaxias.. Más allá de este cumulo de galaxias, los cúmulos (o grupos locales) vecinos se agrupan para. formar súper cúmulos que pueden variar en el numero de cúmulos que estos contienen. Nosotros. nos movemos en el llamado Súper Cúmulo de Virgo que contiene alrededor de 100 cúmulos locales como el nuestro y su forma es de disco plano con 200 millones de años luz de diámetro. Existen gran cantidad de súper cúmulos como el de Virgo, algunos con más del doble de galaxias, y otros con mucho menos. En la actualidad se piensa que los súper cúmulos también son atraídos. entre sí para formar unas estructuras que se denominan como híper cúmulos, aunque hasta el. momento esto sigue siendo solo una hipótesis.. Finalmente, están las estructuras en forma de filamentos que están formadas por cientos de. cúmulos y súper cúmulos. Estas son las estructuras más grandes que existen en el universo, aunque en los últimos años se han hecho observaciones de dos estructuras gigantes galácticas. conocidas como la “Gran muralla” y la “Gran muralla Sloan”. Estas estructuras tienen forma de. paredes gigantescas que contienen entre miles y pocos millones de grupos de galaxias y. sobrepasan los 500 millones de años luz de largo. Aunque en realidad no se sabe exactamente. cuánto más podrían extenderse. Ya que el gas y polvo que existe en el plano de nuestra galaxia obstaculiza la visión de los telescopios. Los objetos más distantes que se han observado en el universo son los quásares, que se encuentran a unos 2 440 millones de años luz. Están más allá. de cualquier súper cúmulo conocido y forman parte de los límites del espacio en nuestro universo.. 1. 4. Sistema solar interior.. El sistema solar en el que habitamos, y que rige nuestra estrella; el Sol, está compuesto de ocho. planetas, algunas decenas de lunas y muchísimos cuerpos rocosos que están divididos en aerolitos, meteoritos y asteroides. Además de esto, cada cierto tiempo tenemos la presencia de. innumerables cometas que son atraídos por la gravedad del Sol para después ser expulsados del 31.

(29) sistema solar. Algunos de estos nos visitan periódicamente debido a la órbita circular o elíptica en la que viajan.. Nuestro sistema solar se divide en el sistema interior y exterior; el sistema solar interior. abarca desde el Sol hasta Marte, y el sistema solar exterior va de Júpiter a Plutón (aunque este. último haya sido desechado como planeta desde el 2006). En la figura 1.1 se puede observar el. orden y clasificación de cada uno de los cuerpos más importantes del sistema solar. Aunque la imagen no está a escala, el tamaño de las esferas si es representativo de la diferencia en tamaños reales (observe como aquí Plutón ya está fuera de la clasificación de "planetas").. Fig. 1.1. Imagen del sistema solar (se presentan solo los cuerpos celestes más relevantes). (Créditos de International Astronomical Union. Tomada de http://www.iau.org/public/pluto).. Todos los planetas del sistema solar interior gozan de abundante calor por parte de nuestra. estrella. Sin embargo no todos están dentro de la banda permitida para la vida como la conocemos en nuestro planeta. Mercurio se encuentra extremadamente cerca del Sol, y puede alcanzar temperaturas de hasta 427 °C en su superficie.. Venus en cambio, podría pensarse que es muy similar a la Tierra (sus características son tan. similares, que lo han llamado nuestro planeta hermano), de hecho se encuentra a una distancia moderada del Sol. La mayor diferencia entre Venus y la Tierra es la composición de la atmosfera. Mientras que en la Tierra la atmosfera posee casi tres cuartas partes de nitrógeno y una de 32.

Figure

Fig. 1.2. Clasificación de las diferentes fuentes de energía encontradas en el planeta
Fig. 1.3. División de las fuentes de energía renovables en cinco grandes clasificaciones
Fig. 2.1. Área de colectores instalados para el 2007 en varios países del mundo. (Créditos de Jorge A
Fig. 2.2. Fracción dividida de la radiación total incidente en una superficie. (Tomada de Transferencia de calor y masa; un enfoque  práctico
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Referencias

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