Análisis de materiales y geometrías para el diseño y construcción de prototipos de colectores solares térmicos

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

ANÁLISIS DE MATERIALES Y GEOMETRÍAS PARA EL

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPOS DE

COLECTORES SOLARES TÉRMICOS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERA MECATRÓNICA

VALERIA PATRICIA CHACÓN PÁEZ

DIRECTOR: ING. LUIS ARMANDO HIDALGO

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015

DECLARACIÓN

Yo VALERIA PATRICIA CHACON PAEZ, 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.

____________________

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de materiales y geometrías para el diseño y construcción de prototipos de colectores solares térmicos”, que, para aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Valeria Chacón Páez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamente de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

DEDICATORIA

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

RESUMEN ... xi

ABSTRACT ... xii

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEÓRICO ... 3

2.1 FUENTES DE ENERGIA – HISTORIA Y CRECIMIENTO EN EL MUNDO ACTUAL. ... 4

2.1.1 ENERGIA SOLAR ... 6

2.2 CONCEPTO DE ENERGIA SOLAR ... 7

2.2.1 EL SOL Y SUS CARACTERÍSTICAS ... 8

2.3 CONCEPTOS TEÓRICOS PARA LA APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR ... 8

2.3.1 ENERGIA SOLAR TÉRMICA... 8

2.3.2 CONSTANTE SOLAR ... 9

2.3.4 TIPOS DE RADIACIÓN ... 9

2.3.4 ALTURA SOLAR (αl) ... 10

2.3.5 AZIMUT SOLAR (ψ) ... 10

2.3.6 CUERPO NEGRO ... 11

2.3.7 ABSORBANCIA ... 12

2.3.8 EMITANCIA ... 12

2.3.9 TRANSMITANCIA ... 13

2.3.10RADIACIÓN SOLAR EN EL ECUADOR ... 13

2.4 COLECTOR SOLAR TÉRMICO ... 14

2.4.1 COLECTOR SOLAR TERMICO DE PLACA PLANA ... 15

2.5 CONVERSIÓN DE LA ENERGIA SOLAR TÉRMICA ... 16

2.6 ESPECIFICACIONES Y CÁLCULOS DE LOS COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA ... 17

2.6.1 ELEMENTOS DE UNA INSTALACION SOLAR TÉRMICA ... 17

2.6.2 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y FABRICACION DE LOS COLECTORES SOLARES PLANOS. ... 18

ii

2.6.4 BALANCE ENERGETICO EN EL CALENTADOR SOLAR ... 20

2.6.5 BALANCE ENERGETICO EN EL COLECTOR SOLAR ... 21

2.6.6 PÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTOR SOLAR ... 22

2.6.6.1 Coeficiente de Pérdidas de calor en la parte inferior .. 24

2.6.6.2 Coeficiente de pérdidas en la parte superior ... 25

2.6.6.3 Coeficiente de pérdidas de calor por los lados ... 27

3. METOLODOGÍA ... 3

3.1 DIAGNOSTICO DEL SISTEMA ... 29

3.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 29

3.2.1 PARÁMETROS ... 31

3.3 RESTRICCIONES DEL PROTOTIPO ... 34

3.4 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA EL DISEÑO ... 35

3.4.1 CRITERIOS PONDERADOS DE INGENIERIA ... 35

3.4.2 CASA DE CALIDAD ... 36

3.4.3 COMPARACIÓN POR CRITERIOS PONDERADOS ... 38

3.4.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COLECTORES SOLARES ... 40

3.5 MÉTODO PARA LA SIMULACIÓN ... 42

3.6 METODOLOGIA PARA REALIZAR LAS PRUEBAS ... 42

4. DISEÑO ... 30

4.1 CONFIGURACIÓN MECÁNICA DE LOS COLECTORES SOLARES ... 44

4.1.1 COLECTOR SOLAR DE COBRE TIPO PARRILLA DE DIFERENTES SECCIONES DE TUBO ... 44

4.1.2 COLECTOR SOLAR DE COBRE TIPO SERPENTIN SECCION REDONDA (TSSRC) ... 46

4.1.3 COLECTOR SOLAR DE MANGUERA TIPO PARRILLA SECCION REDONDA (TPSRM). ... 47

4.2 ESTUDIO DE LA ENERGIA SOLAR ... 49

4.3 ANALISIS POR SIMULACIÓN ... 51

4.3.1 PROCESO DE SIMULACION ... 51

4.3.2 PROTOTIPO VIRTUAL ... 59

4.4 SISTEMA HIDRAULICO ... 60

iii

4.4.2 REGULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO... 63

4.5 CONSTRUCCIÓN ... 64

5. ANALISIS Y RESULTADOS ... 42

5.1 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS. ... 67

5.1.1 PROMEDIO TEMPERATURA AMBIENTAL ... 67

5.1.2 PROMEDIO DE TEMPERATURA DE LOS COLECTORES ... 68

5.1.3 PROMEDIO TOTAL DE TEMPERATURAS CADA COLECTOR ... 69

5.2 CÁLCULO DE TEMPERATURA PROMEDIO... 69

5.3 CÁLCULO DE PÉRDIDAS ... 70

5.3.1 CÁLCULO DE PÉRDIDA EN LA PARTE INFERIOR ... 70

5.3.2 CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN LA PARTE SUPERIOR. ... 70

5.4 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR LATERAL ... 72

5.5 CÁLCULO TOTAL DE PÉRDIDAS ... 72

5.6 BALANCE DE LA ENERGIA QUE RECIBEN LOS TUBOS ... 73

5.7 CÁLCULO DE LA IRRADIACION SOLAR SOBRE LOS COLECTORES SOLARES ... 73

5.8 CÁLCULO DEL CALOR INCIDENTE EN CADA COLECTOR SOLAR ... 75

5.8.1 CÁLCULO DEL CALOR INCIDENTE PRÁCTICO. ... 75

5.8.2 CÁLCULO DEL CALOR INCIDENTE TEÓRICO ... 76

5.8.3 DIFERENCIA ENTRE EL CALOR INCIDENTE TEÓRICO Y EL CALOR INCIDENTE PRÁCTICO. ... 76

5.9 CÁLCULO CALOR ÚTIL ... 77

5.10 CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE EFICIENCIA PARA CADA COLECTOR. ... 77

5.11 ANÁLISIS POR MATERIALES Y GEOMETRÍAS ... 78

5.12 CÁLCULO DE VALORES MONETARIOS REALES DE LOS COLECTORES SOLARES PARA MEDIDAS EXISTENTES EN EL MERCADO ... 79

5.13 RESULTADOS DE LA SIMULACION ... 84

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 42

iv 6.2 RECOMENDACIONES ... 89 BIBLIOGRAFÍA ... 95

v

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Emisiones de CO2 según tipo de combustible ... 5

Figura 2. Ivanpah Solar Electric Generating System. ... 7

Figura 3. Componentes de la radiación solar. ... 10

Figura 4. Ángulos de incidencia de los rayos del sol sobre la superficie terrestre. ... 10

Figura 5. Azimut Solar. ... 11

Figura 6. Solsticios de invierno y de verano ... 14

Figura 7. Estructura de un colector solar de placa plana ... 17

Figura 8. Efecto invernadero colector placa plana ... 19

Figura 9. Efecto invernadero dentro del colector ... 20

Figura 10. Circuito térmico de un colector solar plano con dos cubiertas .... 23

Figura 11. Metodología mecatrónica ... 29

Figura 12. Fotografía satelital obtenida con Google Earth donde se indica la altura de la UTE. ... 31

Figura 13. Curva de radiación solar de la estación Belisario del Distrito Metropolitano de Quito en el año 2014 ... 32

Figura 14. Datos de la temperatura ambiental de la estación Belisario del Distrito Metropolitano de Quito. ... 32

Figura 15. Fotografía colectores solares sin obstáculos de sombra. ... 33

Figura 16. Ángulo de inclinación recomendado para Ecuador ... 33

Figura 17. Esquema de simulación ... 42

Figura 18. Procedimiento de pruebas. ... 43

Figura 19. Curva de radiación solar de la UTE ... 51

Figura 20. Importación de geometría externa- Colector tipo serpentín de cobre sección redonda. ... 52

Figura 21. Importación de geometría externa- Colector tipo parrilla de manguera negra. ... 52

vi Figura 23. Importación de geometría externa- Colector tipo parrilla de cobre

con sección ovalada. ... 53

Figura 24. Importación de geometría externa- Colector tipo parrilla de cobre con sección redonda. ... 54

Figura 25. Mallado geometría Colector tipo serpentín de cobre sección redonda. ... 54

Figura 26. Mallado geometría - Colector tipo parrilla de manguera negra ... 55

Figura 27. Mallado geometría - Colector tipo parrilla de cobre con sección elíptica. ... 55

Figura 28. Mallado geometría- Colector tipo parrilla de cobre con sección ovalada. ... 56

Figura 29. Importación de geometría externa- Colector tipo parrilla de cobre con sección redonda. ... 56

Figura 30. Setup Fluent Launcher Setting Edit – Workbench 15.0 ... 57

Figura 31. Setup Fluent Launcher Setting Edit – Boundari conditions ... 57

Figura 32. Setup Fluent Launcher Setting Edit – Create Edit Materials ... 58

Figura 33. Setup Fluent Launcher Setting Edit – Calculation complete. ... 58

Figura 34. Vista frontal del panel solar tipo parrilla de cobre. ... 59

Figura 35. Vista frontal del panel solar tipo parrilla de cobre. ... 59

Figura 36. Vista frontal del panel solar tipo parrilla de manguera negra. ... 60

Figura 37. Diagrama del sistema hidráulico del sistema de calentamiento solar de los prototipos. ... 61

Figura 38. Fotografía piezas soldadas. ... 64

Figura 39. Fotografía colectores solares con cubierta de vidrio. ... 65

Figura 40. Ensamble total de los colectores solares. ... 66

Figura 41. Variación de la temperatura ambiental ... 68

Figura 42. Gráfica del promedio de temperaturas de cada colector ... 69

Figura 43. Diseño del colector solar tipo serpentín con tubería de cobre a tamaño real ... 82

vii Figura 45. Panel tipo serpentín de cobre sección de tubo redonda- Temperatura del agua vs Volumen del fluido ... 85 Figura 46. Panel tipo parrilla de manguera negra sección de tubo redonda -

Temperatura del agua vs Volumen del fluido ... 85 Figura 47. Panel tipo parrilla de cobre sección de tubo elíptica - Temperatura

del agua vs Volumen del fluido ... 86 Figura 48. Panel tipo parrilla de cobre sección de tubo ovalada - Temperatura

del agua vs Volumen del fluido ... 86 Figura 49. Panel tipo parrilla de cobre sección de tubo redonda - Temperatura

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Materiales comúnmente utilizados para la fabricación de colectores

solares planos. ... 18

Tabla 2. Dimensionamiento del prototipo ... 34

Tabla 3. Posibles soluciones para selección de material. ... 35

Tabla 4. Posibles soluciones para selección de geometrías. ... 36

Tabla 5. Cuadro de selección de alternativas de material del proyecto. ... 37

Tabla 6. Cuadro de selección de geometrías del proyecto. ... 37

Tabla 7. Cuadro de comparación ponderada para la selección de materiales. ... 38

Tabla 8. Cuadro de comparación ponderada para la selección de geometrías. ... 39

Tabla 9. Cuadro de selección alternativa para los materiales ... 39

Tabla 10. Cuadro de selección alternativa para las geometrías. ... 40

Tabla 11. Estudio comparativo de la sección de la tubería de los colectores solares. ... 41

Tabla 12. Tubería de cobre tipo “L”. ... 44

Tabla 13. Partes y accesorios para colector solar tipo parrilla sección redonda, elíptica y ovalada. ... 45

Tabla 14. Partes y accesorios colector solar tipo serpentín sección redonda ... 46

Tabla 15. Especificaciones técnicas de la manguera negra para agua. ... 47

Tabla 16. Especificaciones técnicas de la manguera negra para agua. ... 48

Tabla 17. Registro promedio anual de insolación directa, difusa y global ... 49

Tabla 18. Registro radiación solar semanal-febrero, marzo, abril, mayo 2015. ... 50

Tabla 19. Accesorios PVC ... 62

Tabla 20. Elementos de regulación hidráulica. ... 63

Tabla 21. Codificación de los colectores solares. ... 67

Tabla 22. Promedio de temperatura ambiental ... 67

ix

Tabla 24. Promedio general de temperatura de cada tipo de colector ... 69

Tabla 25. Cálculo de la irradiación solar ... 74

Tabla 26. Datos para el cálculo del calor incidente práctico. ... 75

Tabla 27. Cálculo del Calor incidente práctico. ... 75

Tabla 28. Cálculo del Calor incidente teórico ... 76

Tabla 29. Diferencia entre valores teóricos y prácticos. ... 76

Tabla 30. Datos para el cálculo del calor útil. ... 77

Tabla 31. Cálculo del calor útil para cada colector. ... 77

Tabla 32. Cálculo porcentual de la eficiencia para cada colector ... 78

Tabla 33. Análisis por sección de tubo ... 78

Tabla 34. Análisis por geometría de tubería ... 79

Tabla 35. Análisis por geometría y material ... 79

Tabla 36. Promedio total de eficiencia para cada colector solar ... 80

Tabla 37. Datos para un colector tipo serpentín de ISOFOTON ... 80

Tabla 38. Cálculo monetario para un colector tipo serpentín de tubería de cobre tipo “L”. ... 81

Tabla 39. Datos para un colector de manguera negra. ... 82

x

ÍNDICE DE ANEXOS

xi

RESUMEN

xii

ABSTRACT

This project was to design and build five prototypes solar collector comprising the operation efficiency and obtaining two types of three kinds of materials and shapes for the inner pipe of each manifold and different pipe sections by mathematical calculation methods. Mechatronics methodology provided a precise selection of materials for prototypes and determined the most efficient geometries for the operation of thermal models. It was possible to design and build low-cost materials and optimal for the operation and assembly, while respecting the principles of operation of collectors with thermosiphon. The project promoted the development and research at the University of Solar Energy, contributing to the development of renewable energy systems at low cost and benefit of the country. It was determined that the operation of the prototype was made easy to apply, however, to avoid wastage of materials and time losses in the construction of solar systems thermos was important to consider factors such as radiation values, climate, site installation, factors shade, humidity and wind. The purpose of the project was to determine the efficiency of the solar collectors using mathematical models, basic concepts of solar and thermal energy and taking real values of a testing process for a period of thirteen weeks, allowing the possibility to implement the best solutions for this study and facilitating deployments ladders for water heating demands in homes or for heating swimming pools. In this work it was found that CAD design and CAE software simulating an operation was evident, resolved calculations and got very close to reality values.

1

1. INTRODUCCIÓN

La ausencia de aplicaciones en energía solar térmica a nivel didáctico en el Ecuador, genera un carente conocimiento en esta área y sobre todo un desinterés por parte de los estudiantes, es por eso que el presente proyecto tiene como objetivo principal diseñar y construir prototipos de colectores solares térmicos, empleando diferentes materiales, en la Universidad Tecnológica Equinoccial, obteniendo mediciones de las diferentes variables que permitan determinar las ventajas y desventaja de cada uno de ellos.

Los prototipos fueron ensamblados con materiales de fácil acceso en el mercado nacional y de costos moderados, además están construidos a escala pequeña, para realizar pruebas de funcionamiento que se encuentran registradas en tablas, durante 60 días.

En busca de poner en práctica las normativas vigentes en el país se montaron cinco colectores solares, cada uno presenta diferencias en su geometría o materiales de construcción. Consecutivamente se realiza el diseño de todos los colectores en una herramienta CAD, alcanzando así uno de los objetivos del presente proyecto.

El sistema de los colectores solares se encuentra formando un solo conjunto entre sí, tiene la misma estructura de soporte, los cinco están ensamblados dentro de cajas de madera de color negro, con las mismas dimensiones. Además son un sistema cerrado, debido a que, el agua recircula entre ellos, y cuentan con un sistema de circulación conocido como termosifón. Todos poseen el mismo tipo de tanque, los mismos accesorios y del mismo material, respetando una uniformidad en el sistema.

2 toman los valores a la misma hora, cada día desde las 08h00 hasta las 18h00, con un intervalo de 2 horas, de lunes a viernes.

Se indaga de manera específica los datos de la radiación solar, temperatura ambiental, presión atmosférica y humedad relativa, de la ubicación exacta de la UTE, para tener valores prácticos y aplicativos al proyecto.

Los datos son utilizados en un modelo matemático para el estudio de energía termosolar, y se establece las principales variables en el estudio de los paneles termosolares, con lo que se llega a establecer cuál de todos los colectores es el de mejor rendimiento y de menor costo.

Para efecto del proyecto, se realiza una proyección con datos y valores monetarios reales de los colectores de más alta eficiencia.

Objetivo General

Diseñar y construir prototipos de colectores solares térmicos, empleando diferentes materiales.

Objetivos Específicos.

- Analizar y poner en práctica las normativas vigentes en el país que regulen la investigación, desarrollo e implementación de sistemas de calentamiento basados en energía solar térmica.

- Definir y determinar las principales variables que intervendrán en la construcción de los diferentes prototipos de paneles solares térmicos.

- Seleccionar los materiales para la construcción de los prototipos de paneles solares térmicos basándose en la investigación teórica de los diferentes materiales existentes en el mercado

3 - Realizar pruebas en cada prototipo para obtener valores reales del rendimiento de cada uno.

- Identificar las diferencias de funcionamiento de los diferentes prototipos de colectores solares térmicos indicando sus ventajas y desventajas

4 A inicios del siglo XIX un total del 5% de las industrias alrededor del mundo utilizaban como energía primaria, la procedente de fuentes renovables. Transcurrido un siglo después el porcentaje aumento a 38%, pero a inicios del presente siglo el porcentaje era solo del 16%.

Las preferencias industriales parecen estar cambiando, los países industrializados parecen haber tomado conciencia ambiental y han decidido aumentar de manera considerable las proporciones de energías renovables. Para el año 2004 la inversión total en el mundo en fuentes renovables fue de 22.000 millones de dólares USA, en 2008 aumentó a 130.000 millones de dólares USA, 160.000 millones de dólares USA, en 2009 y 211.000 millones de dólares USA en 2010. (Sardón, Garcá, & Fernadez, 2003)

2.1 FUENTES DE ENERGIA – HISTORIA Y CRECIMIENTO EN

EL MUNDO ACTUAL.

5 silenciosa, devastadora e irreversible, tanto en el ámbito ambiental, social, económico y político. Cabe mencionar que no solo los países desarrollados son los que más utilizan grandes cantidades de energía, también los países en vías de desarrollo están empleado con mayor rapidez un aumento en el consumo de energía debido al incremento en sus economías. (Velasco, Energias Renovables, 2009).

El mundo espera tener un fuerte crecimiento de la demanda energética procedente de fuentes fósiles y aumentaran la emisión de CO2, causando

deterioros irreversibles en el medio ambiente. En la figura 1, se presentan las emisiones de CO2 para cada tipo de combustible en GTep hasta el 2020.

(Sardón, Garcá, & Fernadez, 2003)

Figura 1. Emisiones de CO2 según tipo de combustible

(Sardón, Garcia , Fernadez Gonzales, & Santos Garcia, 2003).

6 950 MGTep de biomasa, y una cantidad muy pequeña que casi no llega a los 50 MGTep de geotermia, solar y eólica. (Santamarta, 2004).

Rusia dispone del 40% de las reservas mundiales de gas natural y el resto se encuentran ubicadas en países de la OPEC y alcanzan los 140x1012 _m3_,

calculando su consumo, las mismas se agotarían en 70 años. En el caso de las reservas mundiales de carbón están distribuidas de manera proporcional y las reservas comprobadas podrían durar unos 200 años, siempre y cuando se sepa racionalizar el consumo del carbón, ya que se debe considerar que el 40% de la electricidad mundial se genera a partir del mismo, de las cuales Austria genera electricidad con el 85%, China 75% y en EE.UU., Sudáfrica y Dinamarca hasta el 50%. Además se debe considerar que el 70% de carbón satisface a la producción mundial de acero, fabricación de ladrillos, azulejos, cementos, plásticos, tintes, explosivos, etc. (Velasco, Energias Renovables, 2009).

Las energías renovables son las que proceden de fuentes inagotables, como el sol, el aire, el agua y biomasa.

La matriz energética mundial es dependiente del petróleo y lo será por varios años más, aunque América Latina y el Caribe poseen un alto índice de participación de las Energías Renovables en sus matrices energéticas. (Bellver, 2014)

2.1.1 ENERGIA SOLAR

7 es IVANPAH SOLAR ELECTRIC GENERATING SYSTEM por Energy, BrightSource Energy y Google, ubicada en California, produce un total de 392 MW, y provee electricidad suficiente para 1’400.000 hogares de California, prescindiendo de la emisión de 400.000 toneladas métricas de dióxido de carbona al año. En la figura 2 se muestra la extensión de esta planta solar.

Figura 2. Ivanpah Solar Electric Generating System. (Bellver, 2014).

2.2 CONCEPTO DE ENERGIA SOLAR

8 2.2.1 EL SOL Y SUS CARACTERÍSTICAS

El sol es una estrella y se encuentra a una distancia de 150.000.000 Km de la Tierra, es de naturaleza gaseosa y tiene cerca de cinco millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia, por lo tanto fuente inagotable de energía, y aprovechable en toda la superficie del planeta.

Sugiere que el sol genera energía debido a las reacciones nucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo, y que la temperatura media es de unos 15.000.000 °C. El sol está constituido por hidrogeno en un 78% de su masa y helio 20%, por lo que se convierte en un enorme reactor nuclear de fusión, que es capaz de transformar en cada segundo 600.000.000 de toneladas de hidrogeno en 596.000.000 de toneladas de helio, proceso en el que se transforma 4.000.000 de toneladas de materia cada segundo en 3,7x10 23 _kW

de energía, la misma es irradiada al espacio, y llega a nuestro planeta solo unos 1,74x10 14 _{kW, pero este valor equivale a unas 5000 veces el consumo}

energético de toda la población de la Tierra. (Martinez, 2010)

2.3 CONCEPTOS TEÓRICOS PARA LA APLICACIÓN DE LA

ENERGÍA SOLAR

A continuación se presenta un conjunto de cálculos térmicos para realizar el estudio en los colectores solares.

2.3.1 ENERGIA SOLAR TÉRMICA

9 2.3.2 CONSTANTE SOLAR

“La constante solar es la irradiancia solar extraterrestre, incidente en un plano perpendicular a la dirección de esta radiación, cuando la Tierra está a la distancia media del sol (149,5 • 106 _{km). El valor de la constante solar (I}

cs) es

de 1367 W/m2 _{variando en un ± 3% durante el año por ser la órbita terrestre}

elíptica” (Martinez, 2010)

Solo la tercera parte de la energía solar alcanza la superficie, el resto es reflejado por la atmósfera y devuelto al espacio, siendo las nubes las responsables, además la radiación ultravioleta e infrarroja son absorbidas por el ozono en la parte alta de la atmósfera. (Piña & S.L Innovación y Planificación, 2013)

2.3.4 TIPOS DE RADIACIÓN

Las radiaciones que provienen del sol y llegan a los diferentes puntos de la superficie de la Tierra se presentan en tres tipos. Directa, dispersa o difusa y albedo.

La radiación solar directa es la incidencia en línea recta sobre cualquier superficie con un ángulo único y preciso, la misma que es dispersada por los gases y partículas presentes en la atmósfera, por lo tanto sobre las superficies se presenta la radiación difusa.

10

𝐼

_{𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙}

= 𝐼

_{𝐷𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎}

+ 𝐼

_{𝐷𝑖𝑓𝑢𝑠𝑎}

+ 𝐼

_{𝐴𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜}

[1]

Figura 3. Componentes de la radiación solar.

(E. Coffar, 1977)

2.3.4 ALTURA SOLAR (αl)

“Es el ángulo formado por la posición aparente del Sol en el cielo con la horizontal del lugar”. (Muñiz, 2008). Mostrada en la figura 4.

Figura 4. Ángulos de incidencia de los rayos del sol sobre la superficie terrestre.

(Muñiz, Cuervo Garcia, & ECA, Institito de Tecnología y Formación, “Energía Solar

11 “Es el ángulo horizontal formado por la posición del Sol y la dirección del verdadero sur”. (Muñiz, 2008). Mostrado en la figura 5.

Figura 5. Azimut Solar.

(Muñiz, Cuervo Garcia, & ECA, Institito de Tecnología y Formaciƥn, 2008).

2.3.6 CUERPO NEGRO

“Un emisor perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie que viene dada por la ecuación de Steffan-Boltzmann:”(Martínez, 2010).

Q = σAT4 [2] Dónde:

Q: Calor radiante [W]

σ: Constante de Steffan-Boltzman (σ = 5,67x10−8 [ 𝑊 𝑚2_𝐾4].

A: Área de trasmisión [m2_]

T: Temperatura absoluta de la superficie [K].

12 que depende únicamente de su temperatura, obedeciendo la ley de Planck (Martinez, 2010) :

𝑬

_𝒃

=

2𝜋𝑐2ℎ

𝜆5

𝑙

ℎ𝑐 𝑒𝜆𝑘𝐵𝑇−𝑙

[3]

Dónde:

𝑬_𝒃:Poder emisivo espectral por unidad de longitud [W/m3_]

𝒄:La velocidad de la luz en el vacío (3x108 [m/s])

𝒉: Constante de Planck (6,626x10-34_[J/K])

𝜆: Longitud de onda [m]

𝑘_𝐵: Constante de Boltzmann (1,38x10-23_[J/K])

𝑇: Temperatura absoluta del cuerpo [K].

2.3.7 ABSORBANCIA

“Cuando incide radiación sobre un cuerpo, una parte de la radiación es absorbida y el resto reflejada. La absorbancia (α) es la relación entre la radiación absorbida y la incidente”

α =

Radiación absorbida

Radiación incidente

[4]

La absorbancia puede variar con valores comprendidos entre 0 y 1, únicamente para un cuerpo negro perfecto el valor será 1, para el resto de cuerpos reales las absorbancias son menores que 1, dependiendo también el color y el terminado de la superficie.

13 “La emitancia (ε) de un cuerpo es la relación entre radiación que emite dicho cuerpo y la que emitiría un cuerpo negro a la misma temperatura”

𝜖 =

Emisión real cuerpo

Emisión cuerpo negro misma temperatura

[5]

La emitancia es un valor indicativo de la capacidad de enfriamiento por radiación de un cuerpo. Para que un cuerpo pueda alcanzar altas temperaturas es necesario una baja emitancia y una elevada absorbancia. (Martinez, 2010)

2.3.9 TRANSMITANCIA

“Es el porcentaje de la energía incidente que es transmitida a través del cuerpo” (Peñaherrera & Sarzosa, 2012)

τ =

W

SK

[6]

Donde:

W: Potencia [W]

S: Superficie del cuerpo [m2_]

K: Diferencia de temperaturas [K] (Peñaherrera & Sarzosa , 2012).

2.3.10 RADIACIÓN SOLAR EN EL ECUADOR

14 es de +/- 23.5°, por lo tanto el sol se desplaza durante el año 47° entre el solsticio de verano y el solsticio de invierno, como se muestra en la figura 6.

El Ecuador está ubicado entre latitudes 1°30´N al norte, 5°0´S al sur, 75°10´W al este, 72°0´W al oeste. La posición el país favorece a la aplicación de la energía solar tanto para obtener electricidad o calor. (Norma Ecuatoriana de Construcción, 2011).

Figura 6. Solsticios de invierno y de verano

(LUXXOL, 2013)

2.4 COLECTOR SOLAR TÉRMICO

El colector solar térmico es un dispositivo capaz de trasformar la energía radiante del sol en calor, para ser transferida a un fluido de trabajo y dependiendo de varios parámetros alteran su aplicación y funcionamiento. (Thoma, Dominguez , & Corzo, 2013).

15

 Colectores de baja temperatura: El máximo de temperatura es 50°C, están formados por el absorbedor, un circuito de fluido térmico, aislamiento térmico y una caja, dentro de este grupo se encuentra el captador solar plano. Son los indicados para uso doméstico y para calentamiento de piscinas.

 Colectores de media temperatura: El máximo de temperatura es de 90°C, e incluyen todos los componentes de baja temperatura, pero se le añade una cubierta transparente, con la finalidad de minorar las pérdidas e incrementar el efecto invernadero. Las aplicaciones se destinan a hoteles, gimnasios y condominios.

 Colectores de alta temperatura: El máximo de temperatura es 150°C e incluye otra cubierta entre la anterior y el absorbedor para tener un vacío entre las dos. En este grupo se encuentran los colectores solares de vacío e indicados para aplicaciones a gran escala o industriales y para calefacción de lugares amplios.

(Dennis C.A., 2005).

2.4.1 COLECTOR SOLAR TERMICO DE PLACA PLANA

“Los colectores solares de placa plana son elementos constituidos por una superficie absorbente de material de alta conductividad térmica y estable a la corrosión, que conjuntamente con los tubos conductores de fluido de trabajo, con el aporte del aislante térmico, la caja hermética y la cubierta de alta transparencia, hacen posible la ganancia térmica máxima.” (Norma Ecuatoriana de Construcción, 2011).

16 placa de absorción. La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. (Piña & S.L Innovación y Planificación, 2013)

𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒂𝒏𝒆𝒂 _% = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 100 [7]

2.5 CONVERSIÓN DE LA ENERGIA SOLAR TÉRMICA

La conversión de la energía solar es la absorción de la radiación solar por una superficie captadora la cual adquiere la mayor parte del espectro solar incidente. El receptor realiza el intercambio de calor con el medio ambiente por medio de radiación, convección y conducción.

La conversión térmica es dos tipos:

Natural: Vientos, efecto invernadero de la Tierra, Ciclo Hidrológico. Artificial: Efecto invernadero, Concentración, Arquitectura Solar. (Valdovino, 2009).

El equilibro de un sistema a colector de radiación solar es:

∝ 𝜏𝐸 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑣 + 𝑄𝑅𝑎𝑑 + 𝐸𝑈𝑡𝑖𝑙 [8]

Donde:

∝ 𝜏: Cociente absorción-transmisión de la radiación solar entre la cubierta transparente y superficie absorbente.

E: energía incidente

𝑄_{𝑐𝑜𝑛𝑑}: Pérdidas por conducción

𝑄𝐶𝑜𝑛𝑣 : Pérdidas por convección 𝑄_𝑅𝑎𝑑 : Pérdidas por radiación

17 (Fauroux & Jager, 2013)

2.6 ESPECIFICACIONES

Y

CÁLCULOS

DE

LOS

COLECTORES SOLARES DE PLACA PLANA

Para realizar los cálculos de los colectores solares de placa plana se deben considerar el siguiente compendio de ecuaciones, además para efectuar los cálculos se deben conocer todas las características de los mismos.

2.6.1 ELEMENTOS DE UNA INSTALACION SOLAR TÉRMICA

El colector solar plano está conformado por los siguientes elementos como se muestra en la figura 7:

Figura 7. Estructura de un colector solar de placa plana (Diez, 2003)

 Cubierta transparente de vidrio o plástico plano

 Tubos colectores termosolares

 Superficie o placa de absorción metálica donde la radiación solar transfiere por conducción el calor a los tubos

18 2.6.2 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y FABRICACION DE LOS COLECTORES SOLARES PLANOS.

En la tabla 1 se enuncian los principales componentes del colector solar y los materiales con los que se fabrican comúnmente, basándose en las normativas.

Tabla 1. Materiales comúnmente utilizados para la fabricación de colectores solares planos.

PARTE MATERIAL DESCRIPCIÓN FUNCIÓN

Cubierta (Norma Ecuatoriana

de Construcción, 2011)

Vidrio El vidrio permite alcanzar altas temperaturas por el efecto invernadero y posee un bajo nivel

de emisividad. Cubierta transparente por la cual pasa la radiación solar, protege del polvo y la humedad. Ayuda a producir el efecto invernadero dentro del colector solar.

Plástico

El plástico más utilizado es el policarbonato con resistencia a la radiación ultravioleta, además no permite un buen efecto invernadero, tiene bajo nivel de emisividad. Tubos colectores termosolares. (Cerón, 2012) Cobre Aluminio

Si se escoge cobre se debe considerar espesor máximo de 0,

2 mm.

Sobre esta superficie incide la radiación solar y por medio de la conducción se transfiere a los tubos convirtiendo esta energía en calor. - Tipo serpentín: el fluido atraviesa un solo tubo en forma de serpentín, son sencillos de fabricar y trabajan bien en condiciones de bajo flujo. - Tipo parrilla: este tipo de configuración ha logrado posicionarse mejor en el mercado, por su alto rendimiento de operación. Consiste en colocar varios tubos en paralelo formando una parrilla.

Caja o marco (Norma Ecuatoriana

de Construcción, 2011)

Madera Plástico

Se debe considerar un material rígido y que resista las cargas del

peso interior del colector

Caja hermética que soporta las partes del colector solar plano

Placa de absorción (Cerón, 2012)

Latón Acero Aluminio Cobre

Cualquiera sea el metal de la placa de absorción se debe considerar un bajo índice de corrosión y un espesor máximo de

3 mm

Superficie de color obscuro absorbente expuesta a la radiación

solar y en contacto con los tubos. Tanque Termosolar (Norma Ecuatoriana de Construcción, 2011) Acero inoxidable Plástico

Es el lugar donde se guarda el agua Tuberías secundarias y accesorios (Norma Ecuatoriana de Construcción, 2011) Cobre PVC

En este circuito se podrá utilizar cobre. También puede utilizarse

plásticos que soporten la temperatura máximo del circuito

Su función es acoplar los colectores solares para cumplir la circulación

19 2.6.3 EFECTO INVERNADERO

Efecto que permite acumular mucho calor dentro del colector gracias a que le vidrio permite el paso de la radiación del espectro visible pero es opaca a la radiación infrarroja, rebotan y vuelven a ser captadas, por lo tanto el calor es absorbido por el fluido de las tuberías internas del captador como se muestra en la figura 8. (Serrano, 2011)

Figura 8. Efecto invernadero colector placa plana (Serrano, 2011)

La energía se transmite a través de la cubierta y se dirige hacia la paca absorbedora y tubos, aumentando su temperatura, pero existe una porción de energía que no es absorbida y es emitida como radiación térmica, para luego ser reflejada a la cubierta transparente. (Enrique & Jager Mariano, 2013)

Para cuantificar los parámetros del efecto invernadero se muestran en la figura 9 los siguientes elementos:

∝𝝆: Absorbancia de la placa ∝_𝐜: Absorbancia de la cubierta

20

𝝆𝒄: Reflectividad difusa HT: Energía Solar Incidente

Figura 9. Efecto invernadero dentro del colector

(Enrique & Jager Mariano, 2013).

2.6.4 BALANCE ENERGETICO EN EL CALENTADOR SOLAR

El comportamiento térmico de colectores solares planos se determina mediante un balance energético de la energía absorbida, la energía aprovechada y la perdida, como lo define con la finalidad de determinar el calor útil dado al agua para establecer la eficacia del calentador solar. (Vásquez, 2003)

𝐇_𝐓 𝐀_𝐞= q_util+ q_cs+ q_da + q_cx [9]

Dónde:

H_T : Radiación solar total incidente sobre el colector por unidad de área

Ae: Área efectiva del colector

q_util: Calor útil empleado para calentar el agua del depósito

q_cs: Calor disipado al ambiente por el colector

qda : Calor disipado al ambiente por el depósito de almacenamiento q_cx : Calor disipado al ambiente por las conexiones

21 𝐪_{𝐮𝐭𝐢𝐥}∶ m C_P (T_fe− T_fs) [10]

Donde:

m: Flujo de masa del colector

C_P : Capacidad calorífica del agua o calor especifico

Tfe: Temperatura del fluido a la entrada del colector T_fs: Temperatura del fluido a la salida del colector

Una vez encontrado el valor del calor útil que se va a requerir para calentar el agua del depósito, es factible encontrar la eficiencia del calentador, que es el porcentaje la superficie efectiva del colector y que se aprovecha como el calor útil dividida entre la radiación solar global incidente:

ɳ

_𝐜

=

qutil

HTAe

[11]

Donde:

ɳ_𝐜: Eficiencia del calentador

q_util: Calor útil empleado para calentar el agua del depósito

HTAe: Radiación solar incidente por unidad de área efectiva. (Vásquez, 2003)

2.6.5 BALANCE ENERGETICO EN EL COLECTOR SOLAR

De la misma manera que en el calentador solar se puede realizar un balance de energía en el colector solar, tomando en cuenta la radiación global que incide sobre el colector y las características propias de reflexión y absorción de la cubierta del colector de la siguiente manera:

𝐇

_𝐓

𝐀

_𝐞

(𝛕𝛂) = q

_cal

+ q

_pe

+

dU

22 Donde:

HT Ae (τα): Radiación global incidente sobre el colector solar corregido por el

factor (𝜏𝛼) propias de la reflexión y absorción de la cubierta de colector.

q_cal: Calor entregado al agua en el colector solar

q_pe: Pérdidas de calor en el colector por conducción, convección y re-radiación.

dU

dt: Almacenamiento de energía en el colector, usualmente es despreciable Una vez realizadas las aclaraciones anteriores dU

dt ≈ 0 por lo tanto:

𝐇𝐓 𝐀𝐞 (𝛕𝛂) = qcal+ qpe [13]

Relacionando la ecuación 14 y 16 se consigue:

𝐪_𝐜𝐬(𝛕𝛂) = 𝑞_𝑝𝑒 [14]

𝐪𝐜𝐚𝐥

(𝛕𝛂)= 𝑞ú𝑡𝑖𝑙+ 𝑞𝑑𝑎+ 𝑞𝑐𝑥 [15]

(Vásquez, 2003)

2.6.6 PÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTOR SOLAR

Para determinar las pérdidas de calor en el colector se emplea la siguiente formula:

23 Donde:

q_pe: Pérdidas de calor en el colector

UL: Coeficiente de pérdidas de calor global

Acs: Área del colector solar

Tp: Temperatura promedio de la placa de absorción

Ta: Temperatura ambiental.

El coeficiente total de pérdidas UL, se debe establecer las conductancias

inferior, superior y latera en el colector solar, mediante un circuito térmico, se muestran los fenómenos físicos como se muestran en la figura 10.

(Vásquez, 2003)

Figura 10. Circuito térmico de un colector solar plano con dos cubiertas

(Vásquez, 2003)

La conductancia es una medida de transferencia de calor que sucede a través de los materiales y se calcula como la inversa de la resistencia térmica:

C =

λ

e

=

1

R

[17]

Donde:

24 R: Resistencia térmica a la transferencia de calor por convección, conducción y radiación.

𝜆: Longitud de onda

𝑒: Energía interna.

(Kreith, Manglik , & Bohn, 2012)

2.6.6.1 Coeficiente de Pérdidas de calor en la parte inferior

Las pérdidas que se producen en la parte inferior se establecen mediante la resistencia térmica conductiva R1 y la resistencia térmica convectiva R2:

U

_f0

=

1

R1+R2

[18] Donde:

Ufo: Pérdidas en la parte inferior

R1: Resistencia a la conducción a través del aislante

R2: Resistencia a la convección hacia el ambiente

R1: está dada por la conductividad térmica del aislante y el espesor del mismo.

𝑅

₁

=

1

𝑘𝑎

[19]

Donde:

ka: Conductividad térmica del aislante.

(Vásquez, 2003)

Mientras que R2 está dada por el coeficiente convectivo de transferencia de

calor que ocurre entre la placa de absorción y el ambiente, pero para el caso de los colectores bien aislados se vuelve despreciable.

R

₂

=

1

25 Donde:

hfo:Coeficiente de transferencia de calor por convección entre el fondo del colector y el ambiente.

Las pérdidas de calor en la parte inferior estaría dada por:

U

_fo

=

1

R1

=

k_a

l [21]

(Vásquez, 2003)

2.6.6.2 Coeficiente de pérdidas en la parte superior

Al obtener resistencias térmicas R3, R4, R5, mostradas en la figura 10, se

puede determinar la conductancia en la parte superior del colector solar. El calor se transfiere en forma paralela por convección y radiación entre la placa de absorción

U

_sup

=

1

R₃+R₄+R₅

[21]

Donde:

R3: Resistencia térmica entre la placa de absorción y la cubierta interior.

R

₃

=

Tp−TC2

(hC2+hR2)(Tp− TC1 )

[22]

Donde:

h

_R2

=

σ(Tp+TC2)(Tp

2 _+T C2 2 ₎ 1

εp+ 1 εC2−1

[23]

Donde:

σ: Constante de Boltzman

26 TC1: Temperatura de la cubierta exterior

ε_p: Emitancia de la placa de absorción en el infrarrojo

εC2: Emitancia de la cubierta interior

h

_C2

:

Coeficiente de transferencia de calor entre la placa de absorción y la cubierta interior.

h

_R2

:

Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la placa de absorción y la cubierta interior.

R4:Resistencia térmica entre la cubierta exterior y la cubierta interior.

𝑅

₄

=

𝑇𝐶2−𝑇𝐶1

(h_C1+h_R1)(𝑇_𝐶2−𝑇_𝐶1)

[24]

Donde:

h

_R2

=

σ(TC1+TC2)(TC1 2 +TC22 ) 1

εC2+ 1 εC1−1

[25]

Donde:

ε_C1: Emitancia de la cubierta exterior

h

_C1

:

Coeficiente de transferencia de calor entre las cubiertas exterior e interior

h

_R1

:

Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre las cubiertas exterior e interior.

R5: es la resistencia térmica entre la cubierta exterior y el ambiente.

𝑅₅ = 𝑇𝐶1−𝑇𝑎

(h_C∞+h_fir)(𝑇𝐶1−𝑇𝑎) [26]

Donde:

h

_fir

= 𝜎𝜀

_𝐶1

(

𝑇

_𝐶1

+𝑇

_𝑎

)(𝑇

_𝐶12

+ 𝑇

_𝑎2

)

[27]

27 hfir: Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre las cubiertas

exterior e interior

σ: Constante de Boltzman Ta: Temperatura ambiental

h_C∞: Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la cubierta y el ambiente.

(Vásquez, 2003).

2.6.6.3 Coeficiente de pérdidas de calor por los lados

Las pérdidas que se producen por los lados se evalúan utilizando la siguiente ecuación:

𝑞_{𝑙𝑎𝑑𝑜𝑠} = 𝑈_𝑙𝐴_𝐶(𝑇_𝑝− 𝑇_𝑎) [28]

Donde:

𝑈_𝑙: Coeficiente de pérdidas de calor lateral.

𝑈

_𝑙

=

𝑘𝑎 ´ℎ𝑃

´𝑙

[29]

Donde:

P: Perímetro del colector solar h: Altura del colector solar

l´: Espesor del aislante por los lados ka´: Conductividad del aislante lateral

28

𝑈_𝐿 = 𝑈_𝑓0+ 𝑈_𝑠𝑢𝑝+ 𝑈_𝑙 [30]

29 La metodología mecatrónica integra sistemáticamente los requisitos y necesidades, las restricciones del sistema, el diseño y la construcción del conjunto de paneles solares. A continuación en la figura 11 se muestra un esquema del diseño e implementación del sistema mecatrónico.

Figura 11. Metodología mecatrónica

3.1 DIAGNOSTICO DEL SISTEMA

Uno de los objetivos de la construcción de los colectores solares es desarrollar un sistema didáctico que pueda ser comprendido por cualquier persona al observar el funcionamiento. No se trata de satisfacer necesidades de carga o de demanda energética.

Otro propósito del sistema es diferenciar la efectividad de los materiales y geometrías: forma del serpentín y forma de la sección transversal del mismo en cada uno de ellos durante su funcionamiento.

3.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA

Los colectores estarán colocados en la terraza del laboratorio de mecatrónica de la UTE, los sistemas estarán interconectados entre sí, aunque son

Requerimientos y Necesidades

Restricciones

Diseño Mecánico

Diseño Hidraulico

Materiales Prototipo _virtual Prototipo _Físico Análisis

Estudio de la energia disponible y el

recurso solar

30 independientes porque cada uno posee un tanque termosolar para cumplir con la retroalimentación de agua por el principio de termosifón.

“Se debe tener en cuenta el destino para el cual se diseñó la edificación en donde se instalará el sistema, así como el número y actividades de sus ocupantes.” (Ecuador Patente nº NTE-INEN 2 507:2009, 2009)

Como el prototipo cumplirá solo funciones didácticas los requerimientos técnicos de diseño estarán enfocados para tal fin, y se basaran en la Norma Ecuatoriana de Construcción.

De acuerdo a las necesidades de operación los colectores requieran los siguientes parámetros de técnicos de ingeniería:

 Geometría: Cada una de las tuberías de conducción del fluido de los prototipos de colectores solares debe ser diseñados y construidos con geometrías diferentes pero todos deben tener las mismas dimensiones.

 Cantidad: Deben ser cinco prototipos para poder realizar comparaciones entre sí.

 Materiales: Que se diferencie por lo menos dos tipos de materiales en la tubería de conducción de los colectores considerando la capacidad de captación y transferencia de energía así como los costos del mercado nacional.

 Facilidad de montaje y desmontaje: Que el conjunto de colectores solares se pueda montar y desmontar sin complicaciones.

 Acceso y Mantenimiento: La estructura del sistema debe permitir acceso a los componentes siendo susceptibles a reparación o reemplazo.

 Instalación: Que todos los prototipos están instalados idénticamente para respetar criterios energéticos y criterios constructivos.

 Funcionalidad: El sistema de calentamiento solar cumpla los objetivos para los que ha sido diseñado.

31

 Periodo de prueba: Que se exponga a condiciones de alta exposición solar y presencia parcial solar por tres meses consecutivos.

 Inclinación: que los colectores tengan una inclinación de máximo 10° recomendable para la latitud de Ecuador que es casi perpendicular, como se expone en la norma ecuatoriana de construcción.

3.2.1 PARÁMETROS

Antes de comenzar el diseño del sistema de captación solar se tomaron en cuenta los siguientes parámetros de borde:

• Condición local de la UTE: Este proyecto se ubicara en la terraza del edificio de los laboratorios de Mecatrónica de la Universidad Tecnológica Equinoccial, la latitud del lugar es de 0°10´35.04” y una Longitud de 78°30´18.72”, con una altura 2983 m. sobre el nivel del mar, como se muestra en la figura 12.

Figura 12. Fotografía satelital obtenida con Google Earth donde se indica la altura de la UTE.

32 Figura 13. Curva de radiación solarde la estación Belisario del

Distrito Metropolitano de Quito en el año 2014 (Secretaria del Ambiente, 2015)

• Temperatura del área local: Para tener un valor real de la temperatura en la UTE, se ha tomado los valores de la página de la Secretaría del ambiente del Distrito Metropolitano de Quito, representados en la figura 14.

Figura 14. Datos de la temperatura ambiental de la estación Belisario del Distrito Metropolitano de Quito.

33

 Determinación de sombras: En este caso específico de investigación no se toma en cuenta esta consideración, debido al sitio donde se ubicó este proyecto, en la terraza de la UTE, donde no existen obstáculos que causen sombras. Como se muestra en fotografía 15.

Figura 15.Fotografía colectores solares sin obstáculos de sombra.

 Inclinación y orientación de los colectores: El cantón Quito se encuentra localizado en la provincia de Pichincha, rodeado de grandes volcanes y elevaciones. La altitud de la cuidad es de 2812.69 metros sobre el nivel del mar. Presenta una latitud de 0°15´S y longitud de 78°35´W.

Por lo tanto el ángulo de inclinacion recomendado es de 10° como se muestra en la figura 16, debido a que los rayos del sol con esta latiud es casi perpendicular.

34 Debido a que el Ecuador esta en la Latitud Sur, el colector solar debe estar orientado al Norte Geografico, hacia la linea equinoccial, logrando asi la mayor energia anual del sol.

 Tamaño del colector solar: en la tabla 2 se muestra la escala escogida para los prototipos:

Tabla 2. Dimensionamiento del prototipo

Dimensión

Tamaño comercial más

pequeño

Escala para el prototipo

Tamaño para el prototipo

Largo 150 cm 3 50 cm

Ancho 80 cm 3 27 ≈ 30 cm

Espesor 10 cm 1 10 cm

3.3 RESTRICCIONES DEL PROTOTIPO

Cada prototipo termosolar tendrá las mismas dimensiones y condiciones físicas externas, esto es para que se pueda realizar un estudio comparativo de las eficiencias de los colectores solares.

No se requiere llenar cada vez el sistema con agua potable, porque el termosifón reabastece de agua durante las horas operativas.

35 Los prototipos serán fabricados con fines didácticos por ese motivo se seleccionara materiales de bajo costo para su construcción.

3.4 SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA EL DISEÑO

Se consideran los aspectos técnicos, material del colector, costos, criterios de ingeniería y las normas vigentes y actualizadas para colectores solares térmicos.

3.4.1 CRITERIOS PONDERADOS DE INGENIERIA

 Material: existen diferentes opciones para seleccionar el material de la tubería de circulación del fluido del colector solar. En la tabla 3 se colocan las alternativas.

Tabla 3. Posibles soluciones para selección de material.

O PCIÓ N M a te ria l de l a tub e ría Tipo Em is iv ida d Abs orta nc ia s ol a r Res is te n c ia a l a c orros ió n Cond uc tiv ida d té rmi c a (W /(m ·K)) Pe s o c a da m e tro (Kg ) Prec io po r m e tro (USD )

1 Cobre

Metal

0,04-0,05 0,64 Elevada 385 0.304 $ 5.50

2 Aluminio Metal 0,05 0,10 Elevada 209-232 0.180 $ 11.60

3 Acero

galvanizado Metal 0,028 0,34 Elevada 372-385 0.300 $ 12.50

4 Manguera

negra para agua

Polietileno 0,95 0,5 Elevada 0-157 0.100 $ 3.00

5 Tubería de

PVC Plástico 0,94 0,10 Elevada 0,035 0.20 $ 6.60

36

 Geometría: en el mercado existen diferentes opciones con respecto a la geometría de la tubería de circulación de fluido de los colectores solares en la tabla 4 se presentan las alternativas.

Tabla 4. Posibles soluciones para selección de geometrías.

OPCIÓN GEOM E TR ÍA Ti po de m a te ri a l e n e l que s e p u e de e nsa m b la r Ter m os if ón P e rdi da d e c a rga Fac il idad de co nst ruc c ió n Ope ra c ión a ba jo f lu jo

1 Serpentín Metal Si Media Sencilla Si 2 Parilla Metal o

plástico Si Baja Media Media 3 Mixto Metal o

plástico Si Alta Media Media 4 Espiral

Metal No Alta Media No

3.4.2 CASA DE CALIDAD

37 Tabla 5. Cuadro de selección de alternativas de material del proyecto.

Cuadro de selección de alternativas de materiales de los colectores solares T ipo E misi vidad Ab sortan ci a s o lar Resi sten cia a la corr o s ión Co n d u ctividad t ér mica P es o P re cio T O T AL

Cobre 3 5 5 5 5 3 4 ₃₀

Aluminio 3 5 1 5 3 5 1 ₂₃

Acero galvanizado 3 2 3 5 4 3 1 ₂₁

Manguera negra para agua

3

5 5 5 3 5 5 ₃₁

Pvc 3 4 1 5 3 5 4 ₂₅

En la tabla 6 se seleccionan mediante la casa de calidad las geometrías para el diseño de los colectores solares. Se califica con 5 como máximo y 1 como mínimo. Se estableció la calificación de los criterios basándose en conocimientos técnicos y la experiencia propia.

Tabla 6. Cuadro de selección de geometrías del proyecto.

Cuadro de selección de alternativas geométricas para los

colectores solares Ti po de m a te ri a l e n e l que s e puede e nsa m b la r Ter m os if ón P e rdi da d e c a rga Fac il idad de co nst ruc c ió n Ope ra c ión a ba jo f lu jo TOTA L

Serpentín 5 5 3 5 5 23 Parrilla 5 5 5 4 4 23

Mixto 5 4 1 3 3 16

38 3.4.3 COMPARACIÓN POR CRITERIOS PONDERADOS

En las tablas 7 y 8 se evalúa un criterio respecto a otro, se considera las similitudes entre los criterios con un valor de 1, si no existe similitud el valor será 0 y si existe poca similitud será 0,5.

En la tabla 7 se observa la comparación ponderación de criterios de materiales de los paneles solares y en la tabla 8 se detalla la comparación ponderada de las alternativas geométricas para los colectores solares. En la tabla 9 y 10 se realizó la multiplicación de valores con su pertinente ponderación,

La opción 1 y 4 para materiales es la que mayor puntaje tiene y la opción 1 y 2 para geometrías son las indicadas para el diseño

Tabla 7. Cuadro de comparación ponderada para la selección de materiales. CRITERIOS Ti po E m is iv idad A bsort a ncia s o la r R e s is te ncia a l a c orros ió n C ondu c ti v idad té rm ic a P e s o P re c io S u m a par c ia l ∑ +1 P ondera c ión

Tipo 1 0,5 0 1 0 1 4,5 5,5 0,22 Emisividad 1 0 0 0,5 0 0 2,5 3,5 0,14 Absortancia solar 1 0 0 0 0 0 2 3 0,12

Resistencia a la

corrosión 1 0 0 0 0 0,5 2,5 3,5

0,14

Conductividad

térmica 1 0 0 0 0 0 2 3

0,12

Peso 0,5 0 0 0 0 0,5 2 3 0,12 Precio 1 0 0 0 0 0,5 2,5 3,5 0,14

39 Tabla 8. Cuadro de comparación ponderada para la selección de

geometrías. CRITERIIOS Ti po de m a te ri a l e n e l que s e puede e nsa m b la r Ter m os if ón P e rdi da d e c a rga Fac il idad de c onst ruc c ión Ope ra c ión a ba jo f lu jo S u m a par c ia l ∑ +1 P ondera c ión Tipo de material en el que se puede ensamblar

0 0 1 0

1 2 0,14

Termosifón 0 1 1 1 3 4 0,29 Perdida de

carga 0,5 1 0 0,5

2 3 0,21

Facilidad de

construcción 1 1 0 0

2 3 0,21

Operación a

bajo flujo 0 0,5 0 0,5

1 2 0,14

SUMA 14 1

Tabla 9. Cuadro de selección alternativa para los materiales

CRITERIOS Ti po E m is iv idad A bsort a ncia s o la r R e s is te ncia a l a c orros ió n C ondu c ti v idad té rm ic a P e s o P re c io TOTA L

Cobre 0,66 0,7 0,6 0,7 0,6 0,36 0,56 _4,18 Aluminio 0,66 0,7 0,12 0,7 0,36 0,6 0,14 _3,18

Acero

galvanizado 0,66 0,28 0,36 0,7 0,48 0,36 0,14 2,98 Manguera

negra para agua

0,66 0,7 0,6 0,7 0,36 0,6 0,7 _4,32

40 Tabla 10. Cuadro de selección alternativa para las geometrías.

CRITERIOS Ti po de m a te ri a l e n e l que s e puede e nsa m b la r Ter m os if ón P e rdi da d e c a rga Fac il idad de c onst ruc c ión Ope ra c ión a ba jo f lu jo TOTA L

Serpentín 0,7 1,45 0,63 1,05 0,7 4,53 Parrilla 0,7 1,45 1,05 0,84 0,56 4,6

Mixto 0,7 1,16 0,21 0,63 0,42 3,12 Espiral 0,14 0,29 0,21 0,21 0,14 0,99

3.4.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COLECTORES SOLARES

Se construirán los 5 colectores solares, los mismos que estarán alimentados por agua de la red mediante una tubería de ½ pulgada, cada colector constará de las siguientes partes:

 Cubierta de vidrio transparente..

 Caja de madera de color negro mate.

 Placa absorbedora de latón pintada de negro mate.

 Configuración de tubería del fluido

 Accesorios: llave de paso, válvula check, codos y tees de PVC, tuberías de PVC.

El volumen inicial de trabajo será de 20 litros de agua para cada uno.

Cabe recalcar que los prototipos serán construidos en su interior con tubería y accesorios de ½ pulgada, puesto que aún los modelos de colectores solares del mercado por la general presentan esta dimensión de tubería.

41 - 1 se construirá en manguera negra con

configuración de tubería tipo parrilla.

- 3 se fabricarán en cobre con configuración de tubería tipo parrilla, con sección de tubo redonda, elíptica y ovalada respectivamente. - 1 se ensamblará en cobre con configuración de

tubería tipo serpentín.

Una vez seleccionados los materiales y las geometrías para los tubos de conducción de los colectores solares. Las tuberías de conducción serán comparadas de la siguiente manera respecto a su eficiencia tomando en cuenta ciertas condiciones presentadas en la tabla 11:

Tabla 11. Estudio comparativo de la sección de la tubería de los colectores solares.

Material

Dos colectores con la misma geometría y misma sección pero con diferente material.

 Cobre

 Manguera.

Geometría

Dos colectores con el mismo material y forma de la tubería del fluido pero diferente forma de la tubería de conducción.

 Tipo parrilla

 Tipo serpentín

Sección de tubo

Tres colectores solares con la misma geometría pero con diferente sección de tubo.

 Un tubo de sección redondo

 Un tubo de sección ovalado

42

3.5 MÉTODO PARA LA SIMULACIÓN

Para realizar la simulación del presente proyecto se tomaron en cuenta estos procedimientos, mostrados en la figura 17.

Figura 17. Esquema de simulación

3.6 METODOLOGIA PARA REALIZAR LAS PRUEBAS

Al momento de empezar a trabajar los colectores solares deberán cumplir con el siguiente procedimiento de la figura 18.

Cabe mencionar que las mediciones de la temperatura de agua se realizarán en cada tanque de almacenamiento, con un termómetro que estará colocado en la tapa de los mismos.

Además se anotará los valores de la temperatura iniciales del agua y la temperatura ambiental y sus condiciones ambientales.

Modelamiento • Modelar en software CAD Mallado

•Mallado con el estudio de la calidad de elementos, los mismos que deben estar comprendid os entre los valores de 0,75 a 1

Importar • Importar a software CAE Parámetros • Ingresar los parametro s de borde

43 Figura 18. Procedimiento de pruebas.

Revisar que no existan

mermas dentro de los

tanques.

Abrir la primera llaves

de paso para el ingreso de agua de la

red

Revisar el resto de llaves de paso

Proceder a llenar los

tanques

Cerrar las llaves, comprobando que todos los

tanques tengan la misma altura

de agua.

Tomar la temperatura

cada dos horas

Verificar a diario la cantidad de agua de cada

tanque.

44 Para realizar el diseño del sistema termosolar didáctico se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:

4.1 CONFIGURACIÓN MECÁNICA DE LOS COLECTORES

SOLARES

Se requiere crear los prototipos de los colectores solares mediante un modelo computarizado, para ello se seleccionó el diseño en SolidWorks, para modelar las piezas en 3D, plasmar el ensamble de las partes y mecanismos y prestar atención al momento de realizar la construcción.

La tubería interna de los colectores estará diseñada y construida con la misma longitud de tubo y serán sometidas a las mismas condiciones ambientales del lugar.

Para los colectores de tubería cobre se seleccionó el tubo de cobre tipo L, de media pulgada. En la tabla 12 se muestran las características de la tubería de cobre de temple rígido tipo “L”.

Tabla 12. Tubería de cobre tipo “L”.

Medida Nominal Pulgadas milímetros Diámetro Exterior Pulgadas milímetros Diámetro Interior Pulgadas milímetros Espeso de pared Pulgadas milímetros Peso Lb/pie Kg/m Peso por tramo Libras Kilogramos Presión máxima PSI Kg/cm2 Presión constante PSI Kg/cm2 Flujo G.P.M L.P.M 1/2” 12.7 mm 0.625” 15.875 0.545” 13.843 0.040” 1.1016 0,285 0,424 5.705 2.590 5,760 404.92 1,152 80.98 3.656 13.493 (Nacobre, 2012)

4.1.1 COLECTOR SOLAR DE COBRE TIPO PARRILLA DE

DIFERENTES SECCIONES DE TUBO