UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD DE UTILIZAR COLECTORES
SOLARES PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA EN EL
HOSPITAL BACA ORTIZ EN LA CIUDAD DE QUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA EN MECATRÓNICA
STEFANY PAOLA VILLACÍS MARIÑO
DIRECTOR: ING. DIEGO ESTEBAN VACA PAREDES, MSc.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo Stefany Paola Villacís Mariño, declaro que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Stefany Paola Villacís Mariño
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de
factibilidad de utilizar colectores solares para el calentamiento de
agua en el Hospital Baca Ortiz en la ciudad de Quito”, que, para
aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Stefany
Paola Villacís Mariño, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Diego Esteban Vaca Paredes
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A mis padres, por el cariño y el amor que me brindan en cada momento de
mi vida; por su apoyo incondicional, por siempre creer en mí, y por ser mi
AGRADECIMIENTO
A Dios, por todas las bendiciones derramadas sobre mí y por llenarme de
fuerza para vencer todos los obstáculos que se me han presentado.
A mi madre, por ser el pilar de mi vida, por su infinito amor e incondicionales
cuidados, por hacer de mí, una mejor persona a través de sus consejos y
enseñanzas. Gracias por ser mi ángel.
A mi padre, por brindarme los recursos necesarios para culminar mi
formación académica, por su apoyo y confianza para cumplir mis objetivos
personales y profesionales.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial y a sus docentes, por la formación
académica que recibí en sus aulas durante estos 5 años. Un agradecimiento
especial al Ing. Diego Vaca, por la dirección de este proyecto; por haber
dedicado su tiempo y experiencia profesional para orientarme, apoyarme
incondicionalmente y transmitirme sus conocimientos en el campo de las
energías renovables y de esta manera culminar exitosamente este trabajo.
Por supuesto, al Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías
Renovables, por permitirme desarrollar este fascinante proyecto, en especial
al PhD Jesús López, por su paciencia y dedicación al guiarme en el la
elaboración de este trabajo, por transmitirme sus conocimientos de una
manera pedagógica, debido a su experticia en el tema.
Y a mis amigas y amigos de la universidad, por todos los momentos
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ... ix
ABSTRACT ... x
1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. OBJETIVO GENERAL ... 4
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 4
2. MARCO TEÓRICO ... 6
2.1. ANTECEDENTES ... 6
2.2. DEFINICIONES ... 7
2.2.1. Energía solar ... 7
2.2.2. El sol ... 7
2.2.3. Irradiación solar ... 8
2.2.4. Radiación solar extraterrestre ... 9
2.2.5. Equipo para la mediación de la radiación solar... 9
2.2.6. El recurso solar ... 11
2.2.7. Atlas solar del ecuador ... 11
2.2.8. Radiación solar en quito ... 11
2.2.9. Climatología en quito ... 13
2.2.10. Tendencias tecnológicas en energías renovables en el ecuador 14 2.2.11. Tecnología solar en el ecuador ... 14
2.2.12. Energía solar ... 14
2.2.12.1. Energía solar fotovoltaica ... 15
2.2.12.2. Energía solar térmica ... 15
2.2.13. Dispositivos de almacenamiento y colección térmica ... 18
2.2.13.1. Colectores estacionarios ... 19
ii
2.2.13.3. Colectores solares de tubos al vacío ... 20
2.2.13.4. Colectores parabólicos compuestos ... 21
2.2.13.5. Colectores concentradores ... 22
2.2.13.6. Colectores de cilindros parabólicos ... 23
2.2.13.7. Discos parabólicos con reflectores ... 24
2.2.13.8. Colectores lineales de Fresnel... 25
2.2.13.9. Colectores heliostatos con torre central ... 25
2.2.14. Calentamiento de agua a baja temperatura ... 26
2.2.14.1. Sistemas termosifón ... 27
2.2.14.2. Sistemas de circulación forzada ... 28
2.2.15. Consumo de energía en los hospitales ... 29
2.2.16. Programas de simulación ... 30
2.2.16.1. TRNSYS: thermal process simulation program ... 31
3. METODOLOGÍA ... 32
3.1. AÑO METEOROLÓGICO TIPO ... 32
3.1.1. Método Pissimanis modificado: ... 34
3.1.1.1. Temperatura (ta): ... 34
3.1.1.2. Humedad relativa (hr): ... 35
3.1.1.3. Radiación global (rg): ... 37
3.1.1.4. Velocidad del viento (vv): ... 39
3.1.1.5. Dirección del viento (dv): ... 39
3.1.2. Método Pissimanis modificado para la ciudad de Quito ... 45
3.2. ESPECIFICACIONES DEL HOSPITAL ... 50
3.2.1. Perfil anual de consumo energético... 55
3.2.1.1. Perfil anual de consumo de energía térmica ... 55
iii
3.2.1.3. Indicadores ... 65
3.3. SIMULACIÓN DEL SISTEMA SOLAR TÉRMICO ... 67
3.3.1. Pre dimensionamiento del sistema solar térmico en Fchart ... 67
3.3.2. Dibujo del entorno del hospital en AutoCAD ... 69
3.3.3. Levantamiento en 3D del hospital y su entorno en SketchUp ... 73
3.3.4. Estudio de proyección de sombras en Ecotect ... 76
3.3.5. Modelo y simulación del sistema solar térmico ... 79
3.3.5.1. Modelo con colector solar plano ... 86
3.3.5.2. Modelo con colector solar de tubos al vacío ... 88
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 90
4.1. Análisis técnico... 90
4.2. Análisis económico ...103
4.2.1. Inversión inicial ...103
4.2.2. Vida útil del sistema solar térmico ...103
4.2.3. Ahorro por reducción de emisiones de CO2 ...104
4.2.4. Ahorro en el consumo de diésel ...104
4.2.5. Costo de operación y mantenimiento ...106
4.2.6. Costo promedio del capital ponderado (WACC) ...106
4.2.7. Valor actual neto (VAN) ...108
4.2.8. Tasa interna de retorno (TIR) ...108
4.2.9. Índice costo/beneficio ...109
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...117
4.1. Conclusiones ...117
5.1. Recomendaciones ...119
BIBLIOGRAFÍA ...120
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación de los colectores solares. ... 18
Tabla 2. Promedio diario reportes horarios enero 2009………..33
Tabla 3. Estimación de un dato faltante en el parámetro temperatura. ... 35
Tabla 4. Estimación de datos faltantes en el parámetro temperatura. ... 36
Tabla 5. Estimación de un dato faltante en la humedad relativa. ... 36
Tabla 6. Estimación de datos faltantes en humedad relativa. ... 37
Tabla 7. Estimación de un dato faltante en el parámetro radiación global. 38 Tabla 8. Estimación de datos faltantes en el parámetro radiación solar. .. 38
Tabla 9. Factores de peso para los parámetros climáticos considerados. 43 Tabla 10. Máximos, mínimos y medios para las variables meteorológicas. 46 Tabla 11. Coeficientes WS para los meses de los años disponibles. ... 47
Tabla 12. Coeficientes WSS para los meses de los años disponibles. ... 48
Tabla 13. Meses seleccionados como año TMY para la estación Belisario. 48 Tabla 14. Media móvil de datos de enero del 2008 a febrero del 2011. ... 49
Tabla 15. Proporcionales de los 3 turnos lunes 16 de septiembre 2013. .... 56
Tabla 16. Proporcionales diarios del 16 al 22 de septiembre 2013. ... 57
Tabla 17. Proporcionales diarios de las 5 semanas seleccionadas. ... 57
Tabla 18. Proporcionales correspondientes a la semana tipo... 58
Tabla 19. Consumo de agua caliente lavandería de la semana tipo. ... 62
Tabla 20. Energía térmica anual sobre cada superficie de estudio. ... 79
Tabla 21. Parámetros definidos para el captador solar plano en TRNYS. .. 87
Tabla 22. Valores de las entradas del colector solar plano. ... 88
Tabla 23. Valores de las salidas del colector solar plano... 88
Tabla 24. Parámetros definidos colector de tubos al vacío en TRNSYS. ... 89
Tabla 25. Entradas del colector solar de tubos al vacío en TRNSYS. ... 89
Tabla 26. Salidas del colector solar de tubos al vacío en TRNSYS. ... 90
Tabla 27. Resultados obtenidos de las ocho simulaciones en TRNSYS. ... 91
Tabla 28. Balance energético anual sistema solar térmico hospital. ... 93
v Tabla 31. Flujo económico WACC 5% e inversión inicial sin IVA para la
evaluación de la instalación del sistema solar térmico para el
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Gráfico del espectro solar extraterrestre. ... 9
Figura 2. Fotografía de un piranómetro... 10
Figura 3. Fotografía de un pirheliómetro. ... 10
Figura 4. Atlas solar del Ecuador, insolación global promedio. ... 12
Figura 5. Sistema de paneles solares fotovoltaicos. ... 15
Figura 6. Diseño de un sistema solar pasivo para un edificio. ... 16
Figura 7. Esquema de un sistema solar térmico activo. ... 17
Figura 8. Fotografía de un típico colector solar de placa plana. ... 19
Figura 9. Estructura de un colector solar de tubos al vacío tipo heat pipe. 21 Figura 10. Esquema de un colector cilíndrico parabólico. ... 22
Figura 11. Fotografía de un colector con centro parabólico. ... 24
Figura 12. Fotografía de un plato parabólico reflector y motor Stirling ... 24
Figura 13. Fotografía de un colector lineal de Fresnel. ... 25
Figura 14. Fotografía de colectores heliostatos con torre central ... 26
Figura 15. Esquema de un sistema solar térmico termosifón. ... 28
Figura 16. Valores de CFD para Tmax mes de enero... 47
Figura 17. Ubicación del Hospital Baca Ortiz. ... 50
Figura 18. Diagrama del sistema de generación y distribución de vapor. ... 51
Figura 19. Fotografía de la caldera. ... 52
Figura 20. a)Termografía caldera. b) Fotografía visible de la caldera. ... 52
Figura 21. Tanques de agua fría. ... 53
Figura 22. Tanque de agua caliente para la lavandería. ... 53
Figura 23. a) Termografía del tanque para la lavandería. b) Fotografía del tanque para la lavandería. ... 54
Figura 24. Fotografía del tanque de agua caliente resto del hospital. ... 54
Figura 25. a) Termografía del tanque resto del hospital. b) Fotografía del tanque resto del hospital. ... 55
Figura 26. Perfil de consumo energético térmico total enero del 2013. ... 60
Figura 27. Perfil semanal de consumo energético de la lavandería. ... 64
Figura 28. Perfil consumo energético térmico lavandería febrero 2014. ... 65
vii
Figura 30. Hoja de cálculo en Excel del método F-chart. ... 71
Figura 31. Orto fotografía del hospital y su entorno. ... 72
Figura 32. Plano catastral del hospital y su entorno. ... 72
Figura 33. Plano 2D en AutoCAD del hospital y su entorno... 73
Figura 34. Modelo 3D del hospital realizado en SketchUp... 74
Figura 35. Superficies (1) y (2) del cuarto de máquinas. ... 75
Figura 36. Superficies (3) y (4) edificio para proyección de sombras. ... 75
Figura 37. Superficies (5) y (6) edificio para proyección de sombras. ... 76
Figura 38. Diagramas estereográficos de las superficies... 78
Figura 39. Modelo sistema solar térmico con captador plano en TRNSYS. 81 Figura 40. Representación gráfica de un colector plano en TRNSYS. ... 86
Figura 41. Representación del colector de tubos al vacío en TRNSYS. ... 88
Figura 42. Eficiencia de los colectores ... 94
Figura 43. Energía térmica mensual consumida y generada y fracción solar mensual para el sistema solar térmico para el hospital... 95
Figura 44. Curvas de potencia del sistema semana con menor radiación .. 97
Figura 45. Curvas potencia sistema día con menor radiación (martes). ... 98
Figura 46. Curvas temperatura sistema día menor radiación (martes). ... 99
Figura 47. Curvas potencia sistema semana mayor radiación(tercera semana agosto). ...100
Figura 48. Curvas potencia sistema día con mayor radiación (lunes). ...101
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO I Ficha de registro de datos del cuarto de máquinas ...124
ANEXO II Perfiles consumo energético total febrero-diciembre 2013 ....126
ANEXO III Datasheet colector plano Apollon 2 000 ...137
ANEXO IV Datasheet colector tubos al vacío Ritter Solar CPC OEM 18 .139
ANEXO V Cotización del sistema solar con el colector Apollon 2 000 ....140
ANEXO VI Precio del colector solar Ritter Solar CPC OEM 18 ...141
ANEXO VII Gráficas de las siete simulaciones en TRNSYS ...142
ANEXO VIII Especificaciones del colector Apollon 2 000 ...170
ANEXO IX Fotografías del interior y exterior cubierta cuarto máquinas...171
ANEXO X Proyección del precio del diésel ...172
ix
RESUMEN
El sector energético es el mayor responsable de las emisiones de gases de
efecto invernadero, principalmente CO2, siendo éste el principal factor que
incentiva el uso de energías renovables. Actualmente, en el Ecuador se
busca cambiar la matriz energética, mediante la implementación de
proyectos fundamentados en fuentes renovables de producción de energía,
como lo es el sol, ya que se dispone de un recurso solar importante debido a
su ubicación geográfica. El presente proyecto tiene como objetivo general el
realizar un análisis de factibilidad de utilizar colectores solares para calentar
el agua en el hospital Baca Ortiz, ubicado en la ciudad de Quito. En este
trabajo se presentan los resultados obtenidos de dicho estudio, después de
haber evaluado ocho alternativas en el programa de simulación TRNSYS.
En primera instancia, fue necesario realizar un tratamiento de datos
meteorológicos, para construir un año meteorológico típico (TMY) para la
zona de análisis. En segundo lugar, se definió el perfil anual energético de
consumo para calentar el agua caliente destinada para la lavandería del
hospital. Además, se realizó un estudio de proyección de sombras, con la
finalidad de seleccionar la superficie más favorable para instalar el sistema.
Posteriormente, se analizó técnica y económicamente las ocho alternativas
establecidas para el proyecto, dando como resultado óptimo el modelo con
colector plano a una inclinación de 10° con respecto a la superficie.
Finalmente, se hizo un análisis costo-beneficio para determinar la viabilidad
económica del sistema propuesto, considerando tres escenarios,
obteniéndose un resultado favorable al aplicar una tasa de descuento menor
y contando con un incentivo por parte del Estado, se determinó que la
inversión inicial se recuperaría a los 12 años de haber instalado el sistema
solar térmico. También, se pudo establecer que la energía térmica aportada
por la instalación corresponde al 62% de la demanda energética anual para
calentar el agua de la lavandería, valor que representa una disminución del
3% del presupuesto anual total destinado para la compra de combustible en
x
ABSTRACT
The energy sector is the largest contributor to greenhouse gases emissions,
mainly of CO2, which is the main factor that encourages the use of renewable
energies. Currently, in Ecuador, the government aims to change the energy
matrix, through the implementation of projects based on renewable energies,
such as the sun, because an important solar resource is available. The
objective of the present study is to analyze the feasibility of using solar
collectors for water heating in the Baca Ortiz Hospital, located in the city of
Quito. This work presents the results obtained from the study, after
evaluating eight alternatives through simulations in the TRNSYS software. At
first, it was necessary to do a meteorological data treatment to build a typical
meteorological year (TMY) for the study area. Secondly, the annual energy
consumption profile for heating water for the hospital laundry was defined.
Besides, a cast shadow study was made, in order to select the most
favorable surface to install the system. Subsequently, the eight alternatives
established for the project were technically and economically analyzed;
defining the model with the flat collector as the optimal result, with an
inclination angle of 10 ° to the surface. Finally, a cost-benefit analysis
considering three scenarios was performed in order to determine the
economic feasibility of the proposed system, obtaining a favorable result
when applying a lower discount rate and a discount given by the government.
According to the results, the initial investment would be recovered in 12
years, after installing the solar thermal system. Additionally, the present
study shows, that the thermal energy provided by the solar installation
corresponds to 62% of the total annual energy demand for heating water for
the laundry, which also represents a decrease of 3 % of the annual budget
for the purchase of fuel, in comparison with a typical year defined previously
1 El sector energético es el mayor responsable de las emisiones de gases de
efecto invernadero, principalmente CO2 (U.S Energy Information
Administration, 2011) Por este motivo, diversas agencias científicas y de
investigación están trabajando actualmente en proyectos de concientización
a la población. En el mes de abril del presente año la IPCC (The
Intergovernmental Panel on Climate Change) presentó un informe en el cual
se propone la reducción de un 40% al 70% de emisiones de CO2 hasta el
2050, con la finalidad de limitar el aumento de la temperatura global a los
2°C. Y es por esta razón que actualmente se desarrollan agresivas
investigaciones para la generación de energías limpias y se promueven
políticas de desarrollo de energías renovables.
De acuerdo con el Plan Maestro de Electrificación del Ecuador (versión 2013
– 2022) se plantea el desarrollo del sistema eléctrico considerando la
disponibilidad de las suficientes reservas energéticas, garantizando de esta
manera el abastecimiento normal de la demanda nacional; y procurando una
optimización de los costos operativos actuales. Bajo esta óptica el Ministerio
de Electricidad y Energías Renovables (MEER) está generando nuevos
proyectos que utilizan energías renovables como alternativa para asegurar la
sostenibilidad, sustentabilidad y responsabilidad social de la comunidad, con
la finalidad de cambiar la matriz energética del país.
Por otro lado, el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías
Renovables (INER) es un instituto adscrito al Ministerio de Electricidad y
Energías Renovables del Ecuador. El mismo fue creado con el objetivo de
generar conocimientos para impulsar al desarrollo científico y tecnológico
mediante el estudio, innovación y difusión de proyectos relacionados con la
eficiencia energética y energías renovables. Sus líneas de investigación se
centran en la energía generada a partir de biomasa, energía solar, energía
eólica y energía geotérmica, mientras que en eficiencia energética se aborda
la eficiencia en alumbrado público, en la industria, en el transporte y en las
edificaciones1.
2 Una de las fuentes de energía renovables más importante es la energía
solar. Esta energía se puede aprovechar en forma de electricidad con
paneles fotovoltaicos y en forma de calor con colectores solares. En este
ámbito, la energía solar térmica aprovecha la luz del sol para producir calor y
de esta manera se calienta el agua sanitaria destinada al consumo
doméstico o industrial. El Ecuador posee un recurso solar considerable,
debido a su ubicación geográfica.
El presente trabajo de titulación propone medir el impacto, tanto técnico
como económico de instalar colectores solares para el calentamiento de
agua en las terrazas del hospital Baca Ortiz de la ciudad de Quito.
En el estudio se realizará la estimación de la reducción del uso de
combustibles fósiles que actualmente se utilizan para satisfacer las
necesidades de agua caliente en el hospital, así como también una
estimación de las inversiones necesarias para llevar a cabo una instalación
de colectores solares.
Este trabajo está conformado por cinco capítulos. En primera instancia se
presenta la revisión bibliográfica que recopila los aspectos fundamentales de
las tecnologías solares térmicas. En segunda instancia se presenta el
análisis de los datos recolectados de la radiación solar existente y disponible
en la ciudad de Quito. Luego, se describe un exhaustivo análisis de los
datos generales del hospital como son: consumo energético, caudal de agua
consumida, etc. En cuarto lugar se muestra la simulación de los diferentes
tipos de colectores solares en el software TRNSYS; este capítulo representa
la parte más compleja del estudio. En quinta instancia se expone el
respectivo análisis económico de los resultados obtenidos después de haber
realizado las simulaciones. Finalmente se expresan las conclusiones y
3 Es de conocimiento público que en el Ecuador una considerable proporción
del presupuesto general del Estado se destina a mantener una política
energética subsidiaria, basada en combustibles fósiles y sus derivados, de
esta manera se logra una mejoría en los indicadores sociales, económicos y
productivos (Iturralde, 2013).
Según datos presentados por la Agencia Pública de Noticias los Andes, el
subsidio de combustibles fósiles para el año 2012 en el Ecuador fue de 3
405.66 millones de dólares, siendo el diésel el derivado de petróleo de
mayor importación (47%). Es necesario considerar que las variaciones de
los precios en el crudo del petróleo en el mercado internacional, constituyen
un factor fundamental en el costo de los subsidios que el gobierno impone a
los derivados del petróleo (Iturralde, 2013) (Fierro, 2014).
En los últimos años el precio del crudo del petróleo se ha incrementado
notablemente. Según datos estadísticos del Banco Central los gastos
destinados a los subsidios de los combustibles fósiles han crecido en los
últimos años, pasando de $1 074.00 millones en el 2006 hasta llegar a los $2
303.20 millones en el 2010 (Icaza & Morán, 2012).
Es por esta razón que este trabajo se centra en los altos costos en el
consumo actual de combustibles fósiles en el hospital Baca Ortiz, ya que
representa una alta inversión al considerar que el costo de la energía es
elevado.
El alto costo de los combustibles fósiles se debe a la estructura de la actual
matriz energética. Los proyectos expuestos en el Plan Maestro de
electrificación (2013 – 2023) se basan en la migración del consumo de gas
licuado y otros derivados del petróleo hacia la electricidad y el trasporte
eléctrico, haciendo énfasis en el enfoque en energías renovables y
4 El presente trabajo de titulación brinda la posibilidad de realizar un estudio
de factibilidad para utilizar colectores solares para el calentamiento del agua
en el hospital Baca Ortiz, debido a que se ha facilitado una apertura por
parte del Ing. Alex Vega Martínez que ocupó la posición de jefe de
mantenimiento hasta julio del 2013, y del Arq. Alejandro Sánchez actual jefe
de ingeniería, infraestructura y mantenimiento del hospital; y de esta manera
trabajar en conjunto entre las dos instituciones.
Se espera que este trabajo sea un primer paso en las medidas de ahorro
energético que el INER propondría para todos los hospitales públicos y
privados del Ecuador, como medida que incentive a la comunidad a
incursionar en las energías alternativas.
1.1. OBJETIVO GENERAL
El objetivo general del proyecto fue realizar un análisis de factibilidad para
utilizar colectores solares para el calentamiento de agua en el hospital Baca
Ortiz en la ciudad de Quito.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Realizar un estudio bibliográfico en el que se determinen las tecnologías
actuales disponibles para los colectores solares utilizados para calentar el
agua sanitaria.
2. Analizar la radiación solar existente y disponible en la ciudad de Quito.
3. Analizar los datos generales del hospital como son: consumo energético,
caudal de agua consumida, plano de las cubiertas, número y potencia de las
calderas, etc.
4. Efectuar las simulaciones con lo diferentes tipos de colectores solares
existentes.
5 El alcance del proyecto radica en utilizar la información de los parámetros
meteorológicos de la ciudad de Quito como son: la radiación solar, la
humedad relativa, la temperatura media y la velocidad del viento, adquiridos
en la base de datos de la Secretaría del Ambiente del Municipio de Distrito
Metropolitano de Quito. Con estos datos, se procederá a efectuar las
simulaciones de diversos tipos de colectores solares en el software
TRNSYS. Con los resultados obtenidos en las simulaciones se procederá a
realizar el respectivo análisis económico y determinar la factibilidad de
instalar el tipo de colector más adecuado para el sistema de calentamiento
6 En este capítulo se presentan los argumentos que sirvieron como
antecedentes para proponer el desarrollo del proyecto, así como también se
definen los términos que se utilizaron como base para el ejecución del
proyecto.
2.1. ANTECEDENTES
La producción y distribución de energía mediante métodos convencionales,
es decir utilizando los combustibles fósiles, ha provocado un aumento
drástico en la presencia de gases de efecto invernadero que son nocivos
para el medio ambiente. Como consecuencia se han producido daños en la
capa de ozono, altos niveles de contaminación y cambios climáticos
drásticos a nivel mundial.
Las energías renovables surgen como respuesta a los problemas
mencionados, para convertirse en alternativas eficientes de generación
energética, al mismo tiempo que son amigables con el medio ambiente y
permiten un uso racional y sustentable de los recursos, asegurando una
buena calidad de vida y un nivel superior de confort.
Las fuentes alternativas de energía representan un gran potencial, debido a
que son abundantes en la naturaleza. Es por esta razón que existe la
necesidad de incursionar en la investigación y desarrollo de equipos de
captación de estas fuentes, particularmente del sol (Llangarí & Tinajero,
2010).
La energía solar es conocida como la fuente de energía más antigua, ya que
el sol fue símbolo de adoración por algunas de las primeras civilizaciones de
la humanidad, al ser considerado como un dios cuyo poder estaba presente
en sus actividades cotidianas, como el secado de alimentos (Kalogirou,
7 El sol proporciona una fuente inagotable y almacenable de energía, por lo
que se ha posicionado al recurso solar como el gran potenciador de
procesos de aprovechamiento de energía para diferentes aplicaciones como
calentamiento de agua, sistemas de calefacción y aire acondicionado,
generación de electricidad, secado de alimentos, etc.
2.2. DEFINICIONES
2.2.1. ENERGÍA SOLAR
Las mediciones de la radiación solar son fundamentales para comprender
como el sol es la fuente principal que genera energía a la Tierra. Se han
venido diseñando las edificaciones con la finalidad de aprovechar el recurso
solar de la radiación en el día para mantenerlas calientes, desde el tiempo
de la civilización griega (Vignola, Michalsky, & Stoffel, 2012). En los últimos
años las tecnologías se han desarrollado lo suficiente para cumplir con las
demandas energéticas actuales, convirtiéndose en una de las alternativas
inagotables de conservación del medio ambiente.
2.2.2. EL SOL
El sol es una esfera de materia gaseosa incandescente con un diámetro de
1.39 x 109 m y se encuentra a una distancia de 1.50 x 1011 m de la Tierra,
formada casi en su totalidad por hidrógeno y una pequeña proporción de
helio. Como se puede observar desde la Tierra, el sol gira alrededor de su
propio eje, una vez cada cuatro semanas (Duffie & Beckman, 2006).
El sol posee una temperatura efectiva en su corona de 5760 K, acotando
que la temperatura en la región central es mucho mayor. La potencia total
que entrega el sol es de 3.8x10 MW, la cual produce radiación en todas
las direcciones. Sin embargo, la Tierra tan sólo 1.70 x 1014 MW de esta
8 suficientes para suplir la demanda energética por un año, de la población
mundial actual (Kalogirou, 2009).
2.2.3. IRRADIACIÓN SOLAR
Todos los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos sometidos a temperaturas
mayores al cero absoluto emiten energía en forma de ondas
electromagnéticas. La radiación que es emitida por el sol, tiene una longitud
de onda que fluctúa entre 0.15 y 3.0 μm. Se distinguen los siguientes tipos
de radiación solar: ultravioleta, visible e infrarroja (Kalogirou, 2009).
Radiación directa: Se define como la radiación recibida del sol en una
superficie sin haber sido dispersada por la atmósfera, es decir sin
haber sido afectada por el cambio de dirección por reflexión o difusión
(Duffie & Beckman, 2006) y (Peñaherrera & Sarzosa, 2012).
Radiación difusa: Es la radiación recibida del sol en una superficie,
después de haber sido dispersada por la atmósfera (Duffie &
Beckman, 2006).
Radiación solar total: Se define como la suma de la radiación directa
más la radiación difusa en la superficie (Duffie & Beckman, 2006).
Irradiancia (G): Es el cociente que relaciona la energía radiante
incidente en una superficie por la unidad de área de la misma. Se
expresa en W/ (Duffie & Beckman, 2006).
Irradiación (H): Se define como la irradiancia evaluada en una unidad
de tiempo específica, usualmente una hora o un día. Se expresa en
J/ (Duffie & Beckman, 2006).
Ángulo de incidencia ( ): Es el ángulo que existe entre la dirección de
la radiación directa de una superficie y la normal a dicha superficie
9 2.2.4. RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE
Es el flujo de energía que el sol emite por unidad de tiempo hacia una
determinada superficie perpendicularmente a la dirección de propagación de
la radiación solar, a una distancia intermedia entre la Tierra y el sol, fuera de
la atmósfera. Actualmente se conoce el valor de la constante solar como
1367W/m . En la Figura 1 se puede observar un gráfico del espectro de la
radiación solar extraterrestre (Duffie & Beckman, 2006).
2.2.5. EQUIPO PARA LA MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Las variables que se necesitan para el diseño, desarrollo, evaluación del
desempeño de las diferentes aplicaciones de la energía solar, generalmente
se obtienen utilizando dispositivos con efectos termoeléctricos y
fotovoltaicos. Existen dos tipos de instrumentos: el piranómetro y
pirheliómetro (Kalogirou, 2009).
El piranómetro es un instrumento que mide el hemisferio total de la radiación
solar, generalmente es una superficie horizontal, como se puede observar
en la Figura 2 (Duffie & Beckman, 2006).
Figura 1. Gráfico del espectro solar extraterrestre.
10 El pirheliómetro es un instrumento que utiliza un detector colimador para
medir la radiación solar directa normal de una pequeña parte del cielo
alrededor de él. En la figura 3 se puede observar la fotografía del
pirheliómetro Eppley (Duffie & Beckman, 2006).
.
Figura 2. Fotografía de un piranómetro.
(Kalogirou, 2009)
Figura 3. Fotografía de un pirheliómetro.
11 2.2.6. EL RECURSO SOLAR
El correcto funcionamiento de los sistemas de absorción del recurso solar
dependen básicamente de la radiación recibida y de la temperatura
ambiente. Es por esta razón que se ha procedido a almacenar esta
información en distintas maneras, siendo la más accesible los mapas
solares, los cuales proporcionan la disponibilidad de la radiación solar de un
área determinada, pero carecen de detalles de las condiciones
meteorológicas locales. Cabe recalcar que la mayoría de los datos
disponibles son de las superficies horizontales, en donde existen dos
modalidades; en la primera se muestra un promedio mensual de la radiación
total diaria; mientras que la segunda presenta la radiación total por hora. Un
atlas solar incluye tablas de promedios máximos y mínimos de la radiación
extraterrestre, así como de las horas de sol (Duffie & Beckman, 2006) y
(Kalogirou, 2009).
2.2.7. ATLAS SOLAR DEL ECUADOR
El atlas solar del Ecuador (Consejo Nacional de Electricidad, 2008) ha sido
desarrollado con información generada por el National Renewable Energy
Laboratory (NREL) de Estados Unidos; con la finalidad de proporcionar los
datos necesarios para generación eléctrica al Consejo Nacional de
Electricidad (CONELEC). Este documento incluye la cuantificación del
potencial solar sobre superficie horizontal disponible, en base a mapas
mensuales de radiación directa, difusa y global. De esta manera es posible
localizar las regiones en donde es factible desarrollar aplicaciones térmicas o
fotovoltaicas. En la Figura 4 se observa la radiación solar promedio del
Ecuador (Llangarí & Tinajero, 2010).
2.2.8. RADIACIÓN SOLAR EN QUITO
El Ecuador posee una ubicación geográfica privilegiada que le permite tener
un elevado recurso solar. Como consecuencia la recepción es mucho mayor
12 varía en las diferentes regiones del país debido a las condiciones
meteorológicas locales (Peñafiel & Silva, 2012).
(http://www.conelec.gob.ec/archivos_articulo/Atlas.pdf)
Para la realización de este proyecto se necesita la información específica de
la ciudad de Quito. Se han tomado en cuenta los efectos ambientales
geográficos y ambientales que modifican la intensidad de la radiación. Estos
efectos son:
Hora Solar: Es la hora determinada por el movimiento aparente del sol
sobre el horizonte del lugar. El medio día es cuando el sol se
encuentra en su punto más alto (Almeida & Camacho, 2011).
Altitud: La ciudad de Quito se encuentra a una altitud de 2800 metros
sobre el nivel del mar, por lo que tienen una mayor irradiación solar
que en las ciudades ubicadas a nivel del mar. Cada 330 metros
aumenta la radiación ultravioleta en un rango de 6 a 10 % (Almeida &
Camacho, 2011).
Figura 4. Atlas solar del Ecuador, insolación global
13 Latitud geográfica: Los niveles de radiación de la ciudad de Quito son
mayores debido a su ubicación a 22 km del equinoccio (Almeida &
Camacho, 2011).
Estado atmosférico: El ozono y las partículas que contaminan la
atmósfera llegan a bloquear los rayos ultravioletas, visibles e
infrarrojos. Cuando el cielo está cubierto de nubes hay una
disminución del 30% de la irradiación que llega a la
superficie(Almeida & Camacho, 2011).
2.2.9. CLIMATOLOGÍA EN QUITO
La ciudad de Quito posee un clima templado de montaña, presenta un
período de lluvias prolongado, de diciembre a mayo, y una estación seca
que dura cuatro meses, de junio a septiembre. Presenta una temperatura
promedio de 15 ° C. Durante el medio día la temperatura promedio alcanza
los 24 ° C y puede bajar hasta los 7 ° C en la noche. Quito cuenta con un
clima primaveral la mayor parte del año, de junio a septiembre suele ser más
cálido durante el día, mientras que durante el resto del año el clima suele ser
más frío (Almeida & Camacho, 2011).
Para la realización del presente trabajo se contó con la información de las
principales estaciones del Distrito Metropolitano de Quito como son:
Cotocollao, Carapungo, Belisario, Jipijapa, el Camal, Centro, Guamaní,
Tumbaco y los Chillos; sin embargo, debido a su cercanía con el hospital, se
utilizó la información de la estación Belisario. Tomando en cuenta las
magnitudes de los factores que influyen en la determinación de la radiación
solar como: velocidad y dirección del viento, temperatura media, humedad
relativa y precipitaciones. Estos datos se han obtenido del sitio web de la
Secretaría del Medio Ambiente2.
2 Información disponible en el sitio web
14 2.2.10. TENDENCIAS TECNOLÓGICAS EN ENERGÍAS RENOVABLES
EN EL ECUADOR
El actual drástico cambio climático, el excesivo mal uso de los recursos
naturales no renovables como es el petróleo y una falencia en la cultura de
ahorro energético en nuestro país, son factores que han impulsado un
cambio en la matriz energética a nivel global, y con esto la paulatina
transición hacia las energías renovables, desarrollando e implementando
proyectos hidroeléctricos cada vez más.
Se tienen datos que dictaminan que en los últimos 27 años las inversiones
en energías renovables han logrado reducir los costos en un 40% en las
tecnologías utilizando energía proveniente de la biomasa, en un 70% de
geotermia y en un 90% de eólica, solar fotovoltaica y térmica (Peñafiel &
Silva, 2012).
2.2.11. TECNOLOGÍA SOLAR EN EL ECUADOR
El Ecuador se ha desarrollado en el campo de la energía solar en las últimas
décadas (1973 – 2005), el mismo que se ve reflejado en las aplicaciones con
paneles fotovoltaicos y colectores térmicos, sin embargo debido al bajo costo
de la electricidad en el país estos sistemas aún no son componentes
esenciales de los techos de los edificios, los cuales se utilizan para los
sistemas de calefacción, aire acondicionado, calentamiento de agua y
generación de electricidad (Peñafiel & Silva, 2012).
2.2.12. ENERGÍA SOLAR
La energía solar ha sido identificada como una de las fuentes de energía
alternativa más prometedoras para el futuro próximo. La utilización de
energía solar se clasifica en métodos directos e indirectos, debido a su
15 Dentro de los métodos directos de aprovechamiento de la energía existen
dos tipos: sistemas solares fotovoltaicos (electricidad) y sistemas solares
térmicos de alta y media temperatura (calor) (Peñaherrera & Sarzosa, 2012).
.
2.2.12.1. Energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la
energía solar en energía eléctrica por medio del efecto fotovoltaico, el cual
se lleva a cabo a través de células solares fabricadas a base de materiales
semiconductores como el silicio. Cuando la luz del sol (fotones) incide en la
superficie de las células, éstas generan una corriente eléctrica (Peñaherrera
& Sarzosa, 2012). Se puede observar en la figura 5 un sistema de paneles
fotovoltaicos.
Figura 5. Sistema de paneles solares fotovoltaicos.
(http://www.gstriatum.com/energiasolar/blog/2009/09/11/sistemas-fotovoltaicos/)
2.2.12.2. Energía solar térmica
La energía solar térmica se define como en el aprovechamiento de la
energía procedente de los rayos solares para generar calor de forma limpia
mediante el uso de paneles o colectores térmicos. Su proceso de
funcionamiento consiste en que el panel o colector solar capta los rayos
solares, transformando esta energía en calor. A través del panel o colector
16 anteriormente; el fluido a alta temperatura es almacenado o trasladado
directamente a su fuente de consumo.
Las aplicaciones más utilizadas de esta tecnología son el calentamiento de
agua sanitaria, la calefacción por suelo radiante y el precalentamiento de
agua para procesos industriales (Peñaherrera & Sarzosa, 2012).
La energía solar térmica se clasifica en sistemas activos y pasivos, de
acuerdo a su aplicación:
SISTEMA PASIVO:
Es aquel sistema de aprovechamiento de energía solar que no requiere
ningún dispositivo activo para captarla por lo que no se necesita ningún tipo
de instalaciones de equipos solares. Este tipo de sistema está orientado a
la climatización de edificios, mediante la correcta orientación de ventanas,
instalación de persianas e incorporación de materiales cerámicos. Otras
aplicaciones son el secado de productos agrícolas y ropa (Peñaherrera &
Sarzosa, 2012) y (Peñafiel & Silva, 2012). En la Figura 6 se presenta el
diseño de un sistema solar pasivo para una casa.
Figura 6. Diseño de un sistema solar pasivo para un edificio.
17
SISTEMA ACTIVO:
Este sistema necesita de la instalación de equipos especializados para
aprovechar la energía solar, éstos son los captadores y los acumuladores.
Este sistema es utilizado para el calentamiento de agua sanitaria, sistemas
de calefacción y en menor proporción para la generación de electricidad
(Peñaherrera & Sarzosa, 2012); (Peñafiel & Silva, 2012). La disponibilidad
del recurso solar aumenta considerablemente en el verano, por lo que se
puede calentar el agua de una manera eficiente durante esta temporada. La
mayoría de las instalaciones solares térmicas en todos los países son
utilizadas para calentar el agua potable (Peuser, Remmers, & Schnauss,
2002).
El desarrollo del presente trabajo de titulación se centra en los sistemas
térmicos activos, por lo que se enfatiza en información específica solamente
de estos sistemas. En la Figura 7 se puede observar un esquema de un
sistema solar térmico activo y sus aplicaciones.
Figura 7. Esquema de un sistema solar térmico activo.
18 2.2.13. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO Y COLECCIÓN TÉRMICA
Estos dispositivos se basan en el principio de exposición de una superficie
obscura a la radiación solar para aprovecharla, luego una parte de la
radiación absorbida se transforma en calor y éste se transfiere a un fluido
que puede ser aire o más comúnmente agua, el cual se encuentra circulando
dentro del colector. La energía solar recolectada se transmite directamente
del colector al agua caliente, al equipo calefactor de espacios o al tanque de
almacenamiento, de este último se utilizará la reserva en las noches o en
días nublados (Sukhatme & Nayak, 2008).
Existen básicamente dos tipos de dispositivos de captación solar:
estacionarios o no concentradores y concentradores: Como se puede
observar en la Tabla 1 los concentradores se clasifican en colectores de
seguimiento de un solo eje y los de seguimiento de doble eje.
Tabla 1. Clasificación de los colectores solares.
(Kalogirou, 2009)
Movimiento Tipo de colector Tipo de absorbedor
Radio de concentración
Rango de temperatura
(C°)
Estacionario
Colector de placa plana Plano 1 30 – 80
Colector de tubos al
vacío Plano/Tubular 1 50 – 200
Colector parabólico
compuesto Plano/Tubular
1 – 5 60 – 240
5 – 15 60 – 300
Seguimiento de eje simple
Reflector Fresnel lineal Tubular 10 – 40 60 – 250
Colector cilíndrico Tubular 15 – 50 60 – 230
Colector parabólico Tubular 10 – 85 60 – 400
Seguimiento de eje doble
Reflector de disco
parabólico Puntual 600 – 2000 100 – 1500
Colector de campo
19 2.2.13.1. Colectores estacionarios
Los colectores estacionarios son aquellos que tienen la misma área para
interceptar y absorber la radiación solar. Estos colectores están fijos
permanentemente en una determinada posición y no siguen al sol,
(Kalogirou, 2009). Se subdividen en tres tipos que son:
2.2.13.2. Colectores de placa plana
Es el colector cuyo funcionamiento consiste en que la radiación pasa a
través de una cubierta transparente e incide sobre la superficie de
terminación opaca con un alto nivel de absorción. Una gran parte de la
radiación es absorbida por la placa y es transferida al medio de transporte en
los tubos llenos de fluido, para posteriormente ser distribuidos directamente
o almacenados en el tanque. La parte posterior de la placa de absorción y
los cuatro lados del colector están bien aislados para reducir pérdidas por
conducción. Los tubos llenos de líquido suelen estar soldados a la placa de
absorción. Los tubos están conectados a ambos terminales mediante tubos
con diámetros mayores. En la Figura 8 se presenta un colector de placa
plana, en el cual se pueden observar la tubería superior e inferior (Kalogirou,
2009).
Figura 8. Fotografía de un típico colector solar de placa plana.
20 Las principales ventajas de utilizar estos colectores son los reducidos
precios que implican su manufactura y su capacidad de absorber la radiación
directa y difusa. Estos colectores suelen estar orientados directamente
hacia el ecuador, con la cara dirigida al sur en el hemisferio norte y dirigida al
norte en el hemisferio sur (Kalogirou, 2009).
Se han construido estos colectores con diferentes materiales, especialmente
aluminio y cobre. El propósito de los colectores de placa plana es captar la
mayor radiación solar posible, al menor costo total posible, procurando
siempre una vida efectiva larga (Kalogirou, 2009).
2.2.13.3. Colectores solares de tubos al vacío
Estos colectores solares consisten en un conjunto de módulos con forma
cilíndrica situados uno al lado del otro y rodeados por un marco, se
diferencian dos tipos: heat pipe y de circulación directa del fluido. El colector
solar de tubos al vacío que utiliza el principio de heat pipe, está formado por
dos tubos de vidrio concéntricos, con un espacio entre ellos lo que les define
como tubos al vacío. La superficie externa del tubo de vidrio interno está
recubierta. La radiación solar es absorbida por dicha superficie y conducida
parcialmente hacia dentro a través de la pared del tubo. En cambio el tubo
interior se llena de agua y el calor se transfiere al agua mediante circulación
termosifón. Es importante recalcar que las pérdidas de calor que pudieran
presentarse por convección se reducen significativamente debido al vacío
existente entre los tubos (Sukhatme, Nayak. 2008). En la Figura 9 se
muestra un esquema de la estructura básica de un colector solar de tubo al
vacío tipo heat pipe.
En los colectores solares de tubos al vacío de circulación directa, el fluido
circula directamente de la placa de absorción a los tubos. Su principal
ventaja es la facilidad de instalarlos directamente en superficies planas.
Los colectores solares de tubos al vacío han demostrado que la combinación
21 en un perfecto desempeño cuando se necesitan temperaturas altas. Estos
colectores son más eficientes que los de placa plana, ya que éstos pueden
trabajar a mayores temperaturas debido al vacío de los tubos y a su
precisión con ángulos de incidencia bajos. (Kalogirou, 2009).
Figura 9. Estructura de un colector solar de tubos al vacío tipo heat
pipe. (Kalogirou, 2009)
Una de las principales desventajas de este tipo de colectores es que
generalmente su precio es más alto que los de placa plana. Sin embargo su
relación de costo efectividad se puede mejorar al reducir el área de
captación para obtener la misma fracción solar (Kalogirou, 2009).
2.2.13.4. Colectores parabólicos compuestos
Este tipo de colectores tienen la capacidad de reflejar gran parte de la
radiación incidente al captador, ya que éstos presentan mejores propiedades
ópticas que los colectores planos. Estos colectores aceptan la radiación
proveniente en un rango relativamente amplio de ángulos de incidencia. Al
utilizar múltiples reflexiones internas, cualquier radiación recibida por la
abertura dentro del rango de aceptación del colector, encuentra su manera
22 Estos colectores tienen diferentes forma, pueden ser planos, cilíndricos,
dobles, etc. En la Figura 10 se observa la estructura de un colector cilíndrico
parabólico (Kalogirou, 2009).
Figura 10. Esquema de un colector cilíndrico parabólico.
(Kalogirou, 2009)
2.2.13.5. Colectores concentradores
Las diferencias de temperaturas provenientes de la concentración de la
energía pueden aumentar al disminuir el área de la superficie en donde se
produce la pérdida de calor. Las altas temperaturas pueden ser alcanzadas
por los colectores planos si una gran cantidad de radiación solar es
concentrada en un área relativamente pequeña. Esto se puede efectuar al
interponer un dispositivo óptico entre la fuente de radiación y la superficie
que absorbe la energía; de esta manera es como se han diseñado lo
colectores concentradores (Kalogirou, 2009).
Los colectores concentradores presentan algunas ventajas como, la
eficiencia térmica es mayor ya que las pérdidas de calor son menores. Las
superficies reflectoras requieren una menor cantidad del material y su
estructura es mucho más simple que los colectores planos. El costo por
unidad de área de la superficie de un colector concentrador es menor que la
del plano (Kalogirou, 2009).
Las principales desventajas son que los colectores concentradores tan sólo
23 radio de concentración. El sistema requiere la incorporación de un proceso
de seguimiento para que el colector funcione adecuadamente. Las
superficies reflectoras pueden perder su reflectancia con el tiempo, por lo
que requieren limpieza y mantenimiento (Kalogirou, 2009).
Algunos diseños se han considerado para los colectores concentradores, ya
que los concentradores de éstos pueden ser reflectores o refractores,
pueden tener forma cilíndrica o parabólica, o pueden ser continuos o
segmentados. Mientras que los recibidores pueden ser convexos, planos,
cilíndricos o cóncavos y pueden estar recubiertos por barniz o sin cobertura
alguna (Kalogirou, 2009).
2.2.13.6. Colectores de cilindros parabólicos
Este tipo de colectores se diseñaron para satisfacer la necesidad de entregar
altas temperaturas en un rango de 50 ° C a 400 ° C de una manera eficiente.
En este tipo de colectores se hacen al doblar una lámina de un material
reflectivo en forma de una parábola. Después se coloca un tubo metálico de
color negro (recubierto por un tubo de vidrio para reducir las pérdidas) en la
línea focal del receptor. Cuando la parábola apunta en dirección al sol, los
rayos paralelos incidentes se reflejan hacia el tubo receptor. La radiación
concentrada alcanzada calienta el líquido que circula dentro del tubo
receptor. Es suficiente utilizar solamente ejes simples para el seguimiento
del sol. El colector puede estar orientado en dirección norte – sur,
realizando un seguimiento del sol de este a oeste o viceversa (Kalogirou,
2009).
Las ventajas que presentan este tipos de colectores son principalmente el
modo de seguimiento del sol que utiliza no requiere mayor manipulación en
el ajuste del colector durante el día, ya que se mantiene direccionado hacia
el sol durante el mediodía y baja su rendimiento en la noche debido a un
gran dominio de los ángulos de incidencia (Kalogirou, 2009). En la Figura 11
24
Figura 11. Fotografía de un colector con centro parabólico.
(Kalogirou, 2009)
2.2.13.7. Discos parabólicos con reflectores
Estos colectores se caracterizan por un seguimiento al sol en dos ejes,
concentrando la energía solar en un receptor localizado en el punto focal del
disco. La estructura del plato debe seguir al sol en su totalidad para reflejar
la radiación directa hacia el receptor térmico. El receptor absorbe la energía
solar radiante y la convierte en energía térmica en un fluido circulante. La
energía térmica puede convertirse en electricidad mediante un generador
acoplado al receptor, o bien puede ser transportada a través de tuberías a
un sistema de conversión centralizado. Los platos parabólicos alcanzan
temperaturas de hasta 1500 °C. Su ventaja es principal es que como
siempre están direccionados hacia el sol son los colectores más eficientes
que existen (Kalogirou, 2009). En la Figura 12 se puede observar el
esquema de un disco parabólico con reflector y un motor Stirling para
generación eléctrica.
Figura 12. Fotografía de un plato parabólico reflector y
25 2.2.13.8. Colectores lineales de Fresnel
Los colectores de Fresnel están hechos de materiales de plástico y están
diseñados para direccionar los rayos del sol directamente a un punto
receptor, mientras que el último depende de una matriz de bandas de
espejos lineales que se encargan de concentrar la luz en el receptor lineal.
La mayor ventaja de este sistema es que utiliza reflectores planos o curvos,
que son considerablemente más baratos que los reflectores parabólicos de
vidrio. Adicionalmente estos colectores se instalan cerca del suelo, lo que
minimiza los requerimientos estructurales (Kalogirou, 2009). En la Figura 13
se muestra el esquema de un colector lineal de Fresnel.
2.2.13.9. Colectores heliostatos con torre central
Este tipo de colectores es utilizado cuando se requiere una energía radiante
extremadamente alta. Los colectores heliostatos consisten en un conjunto
de espejos que son capaces de reflejar su radiación incidente directa hacia
un objetivo común, que se conoce como colector receptor central. Por
Figura 13. Fotografía de un colector lineal de
26 efecto de los espejos grandes cantidades de energía radiante se direccionan
hacia la cavidad del receptor situado en lo alto de la torre central, para
producir vapor a temperaturas muy altas o calentar un fluido. La energía
térmica concentrada que es absorbida por el receptor, se transfiere a un
fluido circulante, el cual puede ser almacenado o utilizado para producir
energía. Este tipo de colectores tienen como ventaja que al poseer un solo
receptor, se minimizan los requerimientos de transporte de energía térmica.
En la Figura 14 se puede observar un esquema de un sistema de colectores
heliostatos con torre central (Kalogirou, 2009).
2.2.14. CALENTAMIENTO DE AGUA A BAJA TEMPERATURA
Los sistemas de calentamiento de agua son considerados como la aplicación
solar térmica a baja temperatura más atractiva desde el punto de vista
económico. En muchos países la implementación de estos sistemas se
iguala a los sistemas más utilizados que utilizan otras fuentes de energía.
Como por ejemplo en la India, se han instalado un sin número de colectores
térmicos planos, los cuales se usan principalmente para satisfacer las
Figura 14. Fotografía de un sistema de colectores
27 necesidades domésticas sanitarias de agua caliente. Los sistemas térmicos
de calentamiento de agua se clasifican en: sistemas de circulación natural o
termosifón y sistemas de circulación forzada (Sukhatme & Nayak, 2008).
2.2.14.1. Sistemas termosifón
Los sistemas de circulación natural o termosifón son utilizados
principalmente para propósitos domésticos. Los dos componentes
principales de este tipo de sistemas son el colector plano o de tubos al vacío
y el tanque de almacenamiento, que se encuentra ubicado a una altura
ligeramente superior al colector. El agua se calienta dentro del colector
mediante la absorción de la energía solar, el líquido fluye automáticamente
hasta llegar a la parte más alta del tanque, en donde es reemplazada por
agua fría que viene de la base del tanque. Entonces el agua caliente que se
utiliza directamente es la que viene de la parte superior del tanque. Cuando
el proceso se termina, el agua fría ingresa automáticamente a la base del
mismo. Usualmente se provee de un sistema auxiliar eléctrico en el mismo
acumulador, para días nublados o con precipitaciones (Sukhatme & Nayak,
2008).
Los calentadores de agua térmicos de termosifón han sido utilizados en
muchas regiones desde el inicio del siglo 20 hasta el año de 1940, hasta que
el costo de los combustibles se redujo considerablemente (Sukhatme &
Nayak, 2008).
Un sistema termosifón de calentamiento de agua doméstico con colectores
de tubos al vacío, consiste en varios tubos al vacío conectados directamente
al tanque de almacenamiento. Dentro de cada tubo hay agua, la misma que
se calienta para que el sistema termosifón se active. El agua caliente es
expulsada de cada módulo y es reemplazada por agua fría que viene
directamente del tanque. Comercialmente un sistema térmico termosifón de
28 100 litros de capacidad (Sukhatme & Nayak, 2008). En la Figura 15 se
muestra un esquema del proceso de calentamiento de agua en un sistema
solar térmico termosifón.
Figura 15. Esquema del funcionamiento de un sistema solar térmico
termosifón para calentar agua.
(http://www.erneuerbare-energien-und-klimaschutz.de/articles/fundamentals4/index.php)
2.2.14.2. Sistemas de circulación forzada
Los sistemas de circulación forzada se utilizan cuando se requiere una gran
cantidad de agua caliente, generalmente para abastecer procesos
industriales, comerciales o edificios. Estos sistemas constan de grandes
conjuntos de colectores planos o de tubos al vacío, en los cuales se produce
la circulación forzada mediante una bomba circuladora. Su principio de
funcionamiento consiste en que el agua del tanque de almacenamiento es
bombeada hacia el conjunto de colectores, donde se calienta y luego circula
nuevamente al tanque de almacenamiento.
En todo instante en el que se necesita agua caliente para el uso, se
compensa con agua fría debido al sistema control que dispone. La bomba
29 operada por un control de encendido – apagado que mide la diferencia de
temperatura entre el agua que sale de los colectores y la ubicación
adecuada dentro del tanque. La bomba se activa cuando esta diferencia de
temperatura excede un determinado valor, de alrededor de 10 °C y se
desactiva cuando la diferencia de temperatura está por debajo de dicho
valor.
Existe una reserva especial que se utiliza para un calentador auxiliar, el cual
está inmerso en el tanque de almacenamiento. En general se instalan este
tipo de colectores en fábricas, hospitales, oficinas, etc., donde la demanda
de agua caliente alcanza valores muy altos (Sukhatme & Nayak, 2008).
2.2.15. CONSUMO DE ENERGÍA EN LOS HOSPITALES
Actualmente el consumo de energía residencial y del sector público en la
Unión Europea, constituye el 40% de la energía total consumida por todos
los países miembros de la misma. Como consecuencia la Unión Europea se
ha visto obligada a mejorar su eficiencia energética en los edificios, por lo
cual se están implementando nuevas tecnologías que dan paso a proyectos
innovadores que utilizan energías alternativas amigables con el medio
ambiente (Bujak, 2010).
El sector público en la Unión Europea consume un nivel elevado de energía
eléctrica y térmica. Es por esta razón que es indispensable tener un
conocimiento detallado de la demanda de energía térmica durante períodos
cortos (una hora o un día) así como también durante períodos largos (un
mes o un año), para posteriormente aplicar las nuevas tecnologías y lograr
una operación óptima de las mismas lo que resulta en beneficios
económicos (Bujak, 2010).
El promedio del consumo de agua caliente diario por cama en los hospitales
30 Considerando estos valores se pudo establecer que la energía que se utiliza
para calentar el agua diariamente por cama es equivalente a un rango de
4.17 a 6.94 kWh en Europa, mientras que en Estados Unidos varía de 5.27 a
7.78 kWh. Se ha logrado especificar que las horas en las que la demanda de
agua caliente es mayor fluctúan entre las 8:00 y las 19:00, y por otro lado las
horas de menor consumo son de 1:00 a 6:00 (Bujak, 2010).
El consumo de agua caliente en los hospitales se caracteriza por presentar
un nivel estable y considerable durante todo el año, es por esta razón que
resulta factible aplicar tecnologías solares térmicas en las terrazas de las
edificaciones para facilitar este proceso y así obtener una reducción
considerable en el consumo de energía (Bujak, 2010).
Es importante recalcar que también se buscó información del consumo
energético en hospitales en Sudamérica y especialmente en el Ecuador. Sin
embargo, no se encontró información oficial al respecto.
2.2.16. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN
El uso de métodos de simulación en el estudio de los procesos solares es un
desarrollo relativamente reciente. En la actualidad existen algunos
programas que se utilizan para el estudio de sistemas de energía solar, los
cuales se basan en la resolución de un conjunto de ecuaciones algebraicas
diferenciales que representan el comportamiento físico de los equipos. Las
simulaciones ofrecen la oportunidad de evaluar los efectos de la
configuración del sistema y las diferentes alternativas que se pueden
generar para su correcto desempeño (Duffie & Beckman, 2006).
Las simulaciones se complementan a los experimentos físicos; en un
principio los parámetros de los colectores, los tanques de almacenamiento,
etc., constituyen las variables que se necesitan para diseñar los procesos
31 respectivos análisis en función del tiempo tanto a largo plazo (años) como a
corto plazo (días). Estos datos pueden ser la energía térmica de salida, las
pérdidas en el tanque de almacenamiento, energía auxiliar requerida,
temperatura en las diferentes partes del sistema (Duffie & Beckman, 2006).
2.2.16.1. TRNSYS: thermal process simulation program
TRNSYS es un programa de simulación de procesos térmicos, originalmente
desarrollado para aplicaciones de energía solar. Este programa utiliza un
lenguaje simple basado en Fortran, en donde sus componentes se conectan
de una manera análoga a las tuberías, conductos y alambrado del sistema
físico. El programador proporciona los valores de todos los parámetros que
se describen en los componentes que se requieren, para que posteriormente
se efectúen todas las soluciones simultáneas de las ecuaciones
correspondientes y por último se organizan las entradas y las salidas. El
usuario es el que determina cuan detallada debe ser la simulación (Duffie &
Beckman, 2006).