ÍNDICE
Prólogo xi
1. Radiación Solar en la República Mexicana 1
Introducción 1 Descripción del método 1 Resultados 3 Referencias 4
2. Superficies selectivas y superficies reflectivas 19
Introducción 19 Superficies selectivas 19 Empleo de las superficies selectivas en captadores solares 22 Aplicaciones 28 Película selectiva, cromo negro 30 Características de los depósitos de cromo negro 33 Níquel negro 37 Obtención de cromo negro a nivel industrial
para absorbedores de tres metros de longitud 38 Descripción del proceso 41 Superficies reflejantes 45 Diferentes tipos de espejos 47 Diferentes tipos de espejos desarrollados
en el Instituto de Ingeniería de la UNAM 48 Espejos de aluminio de primera superficie 52 Conclusiones y sugerencias 55 Referencias 55
3. Colectores planos 59
Características de la radiación solar. 59 Relaciones geométricas entre un plano y la radiación solar 62
Transferencia de calor en un calentador solar de agua 66 Referencias 75
4. Concentradores 77
Introducción 77 Concentradores 78 Tipos de concentradores con seguimiento del Sol 81 Concentradores estacionarios 81 Concentradores con seguimiento continuo 85 Concentradores con curvatura compuesta 91 Análisis óptico-geométrico de concentradores de enfoque lineal .. 94 Análisis teórico 96 Dispositivos láser para analizar espejos cilíndrico-parabólicos. . . 99 Construcción de espejos cilíndrico-parabólicos 102 Conclusiones 106 Referencias 106
5. Estanques Solares 109
Comparación de diferentes sistemas solares 109 El estanque solar no convectivo 112 Ventajas y desventajas de los estanques solares 116 Aplicaciones 117 Modelo matemático 127 Extracción de energía 131 Simulación 132 Resultados 133 Mejoras al modelo 137 Balance de energía agua-atmósfera 137 Aplicación inmediata: recuperación y refinación de sales 145 Uso de arcillas como impermeabilizantes 153 Aspectos necesarios de investigación para conocer la
física, la química y otros aspectos de los lagos solares 158 Referencias 159
6. Destiladores 163
Introducción 163 Concepto 163 Operación 164 Transferencia de calor y masa 167 Radiación solar 168 Conducción 169 Radiación del vidrio 169 Pérdida convectiva del vidrio 170
Radiación del agua 170 Convección natural 170 Evaporación 172 Balances globales y eficiencia 173 Referencias 175 7. Secadores 177 Introducción 177 Aspectos teóricos 178 Equilibrio 178 Clases de humedad 178 Mecanismos de flujo líquido interno 179 Periodos de secado 180 Correlación teórico-experimental 191 Conclusiones 192 Referencias 193
8. Aplicaciones de la energía solar en comunidades rurales 195
Introducción 195 Calentadores solares para baños públicos y digestores 196 Cocinas solares a la intemperie 198 Cocinas solares para usarse en una habitación 201 Digestores 205 Comparación de los costos de un calentador solar
y un digestor de metano con los de sistemas convencionales 229 Cocinas de leña 230 Conclusiones y sugerencias generales 238 Referencias 238
9. Plantas termosolares 241
Introducción 241 Diseño de la bomba solar 241 Componentes de la bomba 246 Acumulador 248 Turbina de vapor 249 Ciclo Rankine y su incremento de eficiencia 250 Diseño y construcción de los precalentadores solares 251 Seguidores del Sol, y mecanismo de transmisión 253 Motor de vapor 257 Pruebas 262 Planta solar de 10 kW 265 Ventajas y desventajas del expansor 272 Estudio teórico con diferentes
Análisis y obtención del modelo 278 Geometría y arreglos estudiados 282 Resultados y conclusiones 284 Modelo matemático del subsistema solar 292 Almacenamiento de energía 300
Comportamiento del captador cilíndrico-parabólico
utilizando aceite Therm 450 G.L. Esso como fluido de trabajo... 318 Comportamiento térmico durante el dia
y alo largo del año del sistema de captadores cilíndrico-parabólicos horizontales con orientación
N-S y E-0 para dos lugares con diferente insolación 328 Temperatura del fluido hacia la carga térmica
obtenido de la mezcla del fluido proveniente
direc-tamente de los captadores y del depósito de almacenamiento . . . . 350 Determinación del área mínima de captación
para generar 8 kW eléctricos en el Distrito Federal 357 Cambio de eficiencia de un captador
cilindrico-parabólico al variar la presión del aire entre el tubo absorbedor y la envolvente de vidrio y las selectividades
de la superficie del absorbedor. 360 Variación en el comportamiento térmico de
un captador cilíndrico-parabólico al cambiar
el diámetro del tubo absorbedor 369 Referencias 378
Nomenclatura 381 Apéndice A 385
Construcción de calentadores solares de 200 litros 385
A.l. Absorbedor o captador 385 A.2 Almacén 386 Apéndice B 399
Cartilla para la construcción y
operación de digestores de biomasa 399 Agradecimientos 417
PROLOGO
El crecimiento poblacional desmedido es en esencia el principal cau-sante de los problemas que agobian a la humanidad. Contadas comu-nidades logran establecer un equilibrio estable en su desarrollo. En este país, los habitantes mismos, como las autoridades, no han sido plena-mente conscientes de la existencia y el peligro de los problemas funda-mentales actuales y por lo tanto no parece que estén dispuestos a en-frentarlos con seriedad y decisión, por lo que es previsible algún no muy lejano y serio colapso. Son muchos los problemas, pero algunos ya rebasan límites aceptables y demandan con urgencia la participación multidisciplinaria especializada para resolver varios de sus aspectos.
Basta mencionar a tres condicionantes verdaderamente prioritarios, a juicio del que escribe, para lograr un sano desarrollo del país: ALIMEN-TOS, AGUA (uso y reuso) y ENERGÍA (contaminación atmosférica).
Es apenas en la última década, en la que viene demostrándose la importancia de preservar la ECOLOGÍA, como indispensable práctica de defensa del medio. Debe controlarse la consecuente contaminación generada durante el desarrollo de toda actividad. Empiezan incluso a generarse normas internacionales que deben atenderse para preservar el medio ambiente.
Unas cuantas cifras tomadas del boletín EPIDEMIOLOGÍA de la Secretaría de Salud, evidencian claramente la gravedad de la proble-mática ambiental.
Para el año 1990 reportan en dos renglones de sus estadísticas lo siguiente:
Renglón A. Infecciones intestinales con un total en el país de 3'753'035 casos; de éstos, los ocurridos en el Distrito Federal y el Estado de México resultan ser el 20.5%.
Renglón B. Infecciones respiratorias agudas, con un total de 14'020'980 casos; 22.9% del total se presentan en la misma zona cen-tral antes mencionada.
Mientras en el renglón A) la calidad del agua juega el principal papel, resulta todavía más grave (3.7 veces mayor) el renglón B) en el que se desprende de la calidad del aire, está seriamente afectada, prin-cipalmente, por el consumo energético del país.
Abundando en las estadísticas del sector salud, para los Estados de la República la afección pulmonar es menor del 2% de la población. En los lugares que cuentan ya con una importante industria (Jalisco, Veracruz, Nuevo León, Guanajuato y Coahuila) las afecciones respirato-rias o intestinales alcanzan cifras del orden del 5% del total. En la Cuenca de México se han excedido los límites tolerables, sobrepasando el 20%, el número de personas afectadas por la contaminación, segura-mente por efectos de la calidad del agua y el consumo excesivo de combustibles fósiles. Es verdad que en las estadísticas puede argüirse la densidad poblacional de las zonas, sin embargo, los porcentajes en sí spn indicativos de los graves efectos antes mencionados.
Un resumen con información proporcionada por SEMIP, se ha ordenado en la siguiente tabla. Mencionan que la situación energética se mantuvo estable entre 1983 y 1988.
CONSUMO ENERGÉTICO (Resumen) Datos de SEMIP 1988
Tipo de Energía Por ciento
del total BkWh Calidad residual
I. Hidroeléctrica. II Termoeléctrica. a) Petróleo crudo y condensados. b) Gas. c) Carbón III. Geotérmica
IV. Nuclear (iniciándose)
V. Eólica
VI. Biomasa (leña y bagazo de caña; consumo de bosques sin el control adecuado). VIL Solar 2.6 71.6 18.7 1.6 0.6 (0.2) 0 4.9 0 15.7 425.2 111.1 9.6 3.5 (4.3) 0 29.1 0 Limpia. Sucia. Regular. Sucia Limpia Limpia (de alto riesgo)
Limpia (muy limitada) Sucia (deseable que sea renovable) Limpia
Pueden anticiparse algunos comentarios al revisar someramente la división de la tabla adjunta.
I.- Es recomendable continuar con el desarrollo hidroeléctrico del país, aunque las grandes presas por construir son más difíciles y cos-tosas en su construcción. Las dos mayores presas actualmente en obra, por la CFE, van a recibir en gran parte aguas negras, semitratadas úni-camente por la oxidación en el trayecto natural de su recorrido. Es deseable también que siempre que sea posible, estos proyectos se de-sarrollen conjuntamente aprovechando e incluyendo zonas de riego con presas menores, que tanto se requieren, para complementar en lo posi-ble la producción de ALIMENTOS.
II.- Se aprecia que el grueso (90.3%) del consumo energético total recae todavía en los hidrocarburos. Ya se ha mencionado el problema de contaminación que éstos producen.
Similarmente el renglón por consumo de carbón aquí incluido pue-de calificarse también como altamente contaminante. Apue-demás va a tener que recurrirse a su importación. Debe estudiarse con más cuidado el número de personas afectadas por la contaminación atmosférica pro-longada, especialmente los niños.
III.- La energía geotérmica esta considerada como una energía limpia, y sería deseable su expansión. Sin embargo los lugares explo-rados para su explotación en el cinturón de fuego localizados en el ter-ritorio nacional son todavía limitados.
IV.- La energía nuclear bajo un control estricto de cuidados y ope-ración ha demostrado ser segura y limpia. Los desechos radiactivos de vida media larga, aunque no son de gran volumen, efectivamente re-quieren de una vigilancia y almacenamiento adecuados.
Es considerada de alto riesgo en caso de accidente, y en lo que respecta al número de personas afectadas, éste ha sido mínimo en toda su historia, en comparación con cualquier otro sistema de producción energética o de fumigación. Su desarrollo se ha visto más seriamente afectado por razones psicológicas que técnicas.
Es recomendable el desarrollo de reactores de unos 300MW, dise-ñados con muy alto grado de seguridad, aún a prueba de sabotaje.
Se antojan como los adecuados para instalarse aquí, aprovechan-do la experiencia adquirida por personal nacional en la planta de Laguna Verde. Estos reactores representarían un fuerte soporte para el
desarrollo industrial y aliviarían la pesada carga de los hidrocarburos. V.- No existen en el país los vientos de velocidad adecuada para el desarrollo de la energía eólica. Localmente en la zona de la Ventosa en Chiapas sería recomendable su uso; su elaboración es onerosa y no sencilla.
VI.- Biomasa. Es la más ampliamente difundida en el país, incluso por razones históricas. En este caso no es tan preocupante el grado de contaminación, sino la consecuente pavorosa pérdida de los bosques. De no atender con premura este problema, también acabarán perdién-dose los suelos fértiles. Es prioritario establecer una política de siem-bra-reciclaje de la madera, siguiendo como ejemplo el de Canadá, que ha logrado establecer así una industria renovable. Aquí ya se contó con el ejemplo del Sr. Lenz que atendía la siembra de grandes zonas de bosques, en parte utilizados en la industria de papel de Peña Pobre y demostró que es posible generar una industria no perecedera como lo es la del petróleo.
VIL- Se ha dejado intencionalmente la energía solar para comen-tarla al último, tratándose del tema básico, objeto de esta publicación. Se tiene catalogada como tecnología limpia para la producción de ener-gía eléctrica.
Debido a la intermitencia del sol y no contando aún con métodos amplios para almacenamiento de fluido eléctrico, recientemente se han diseñado sistemas híbridos sol-gas, para la generación continua de elec-tricidad. Aún así se trata de una energía casi limpia, particularmente útil para países cercanos al Ecuador. Tiene otros usos importantes como pue-de ser el calentamiento pue-de agua y aire, la pue-desalación, la refrigeración, etc. Algunos de estos aspectos se exponen con detalle en el texto.
Si por radiación solar la potencia recibida es del orden de un lkW/m2, es obvio que debe aprovecharse extensivamente y por fortuna
existe información de que su costo es ya competitivo con el de otros procedimientos de transformación energética.
Si bien, en la tabla, el renglón correspondiente a la producción nacional de energía solar todavía está en cero, claramente es una de las tecnologías más prometedoras y posibles de confrontación por los paí-ses en vías de desarrollo. El interés es ahora mundial y se está en posi-bilidad y a tiempo de desarrollarla aquí y no esperar adquirir plantas eléctricas de este tipo compradas finalmente a alto costo en el exterior.
El objetivo principal de los autores al escribir este libro es dar a
conocer algunas de las investigaciones, durante más de 18 años, en diferentes aspectos relacionados con las aplicaciones de la energía solar. El material que se presenta se refiere al empleo de los disposi-tivos solares que están utilizándose en México en prototipos de de-mostración o de laboratorio, y a las consideraciones sobre sus ventajas para su utilización en el país. Las investigaciones a que se ha hecho alusión se desarrollan en el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, gracias al apoyo que ahí se les ha brindado.
Existe una enorme cantidad de literatura a nivel mundial, tanto en español como en inglés, referente a las aplicaciones de la energía solar, principalmente en publicaciones de países avanzados, que presentan tecnologías apoyadas en grandes inversiones, y demuestran que este tipo de energía es confiable.
Los autores consideran que algunas de esas tecnologías, al no ser de empleo privativo de dichos países, pueden tener aplicación y éxito en naciones en vías de desarrollo como la nuestra, donde existe un potencial enorme de energía solar, por lo que conviene que las expe-riencias que se presentan a lo largo del trabajo se difundan. La promo-ción que se haga de estos dispositivos dependerá de la amplitud de su uso, en mayor o menor grado, con el consecuente ahorro en otros ener-géticos, principalmente los de origen fósil.
Los aspectos relacionados con la estimación de la radiación solar en México se incluyen en el capítulo 1.
Por su parte, en el capítulo 2 se analizan los desarrollos en materia-les útimateria-les para la aplicación de la energía solar a bajas y altas temperatu-ras. Este capítulo es muy importante, ya que debe considerarse que uno de los puntos débiles de la tecnología que se usa en energía solar es el empleo de materiales que se deterioran con el tiempo o que son poco eficientes y durables al transformar la radiación en energía térmica.
En el capítulo 3 se introduce al lector en el funcionamiento de los colectores planos, así como en algunas de sus aplicaciones en el país y se presentan diversas alternativas para su uso.
La información sobre concentradores solares, básicamente, la que se refiere a los de canal parabólico, también conocidos como cilindrico parabólicos corresponde al capítulo 4. Son los de mayor aplicación en el mundo para temperaturas entre 100 y 300°C.
incluye en él una serie de estudios realizados por los autores, tanto teóricos como experimentales, dándose información referente a la apli-cación de estos dispositivos en problemas nacionales.
El capítulo 6 presenta la teoría referente al funcionamiento de los destiladores solares, la técnica de su construcción y el empleo que per-mita duración y eficiencia óptimas.
El aspecto de secado solar se trata en el capítulo 7. La importancia de este proceso es obvia, pues implica una respuesta con muy alto potencial para diferentes productos. Se le da relevancia a los aspectos de transferencia de calor y masa a fin de entender los aspectos básicos del secado.
Las aplicaciones de la energía solar en comunidades rurales apare-cen en el capítulo 8; se presentan los prototipos que se han instalado en algunas comunidades rurales, que han permitido evaluar de manera preliminar su aceptación o rechazo por dichos grupos sociales.
Finalmente, se habla en el capítulo 9 de una de las investigaciones en las que han participado los autores durante varios años, se trata del desarrollo de plantas termosolares para generar vapor de agua y su aplicación en la obtención de energía eléctrica; se incluye al respecto una serie de experiencias que podrán, en el futuro cercano, utilizarse en forma masiva en el país, como puede ser el caso del bombeo de agua o la generación de vapor para industrias.
Mientras se formaba el libro en CONACYT para su edición, en los Institutos de Física y de Ingeniería, UNAM, se proseguía con la inves-tigación de uno de los principales objetivos del capítulo 2, el desarrollo de espejos de aluminio de primera superficie. Vale la pena agregar que el avance de la tecnología en la fabricación de espejos de primera superficie en vidrio ha resultado significativo. Mediante el uso de dos cañones de electrones, sin la admisión de aire durante todo su proceso en vacío, se logró la formación de espejos de aluminio (1000Á) recu-biertos con óxido de silicio (2500Á). Tanto la adherencia como la resistencia a pruebas de deterioro ambiental y de desgaste mecánico resultaron de alta calidad. Este se considera el proceso básico en la fabricación de grandes espejos (lm x 5m) útiles para cubrir superficies extensas. El proceso experimental referido es el escalón que hacía falta para la producción de captadores solares a escala comercial. Se está proponiendo estudiar su producción mediante el empleo de magnetrones lineales como fuentes de evaporación al vacío por erosión iónica (sput-tering). Por su importancia, al final del capítulo 2, se ha agregado bre-vemente la información de estos recientes resultados.
Debe mencionarse que otros grupos trabajan también pensando en la producción directa de electricidad en base a materiales de silicio, a través de la tecnología de fotoceldas.
M. MAZARI
El Colegio National
RADIACIÓN SOLAR EN LA REPÚBLICA
MEXICANA
INTRODUCCIÓN
Al elaborar mapas climatológicos de radiación total, es común emplear
me-diciones de ésta en su forma directa más difusa, medida en unidades de energía por unidad de tiempo, por unidad de área sobre un plano horizontal mediante un piranómetro,2 aun cuando existen otros tipos de mediciones
meteorológicas que se relacionan con la energía solar, siendo los datos de radiación la mejor fuente de información; sin embargo, en ausencia de éstos es factible emplear relaciones empíricas para estimar la radiación global a partir de las horas de insolación, porcentaje de posible insolación o nubosi-dad. Otra alternativa sería la estimación para un lugar particular mediante datos existentes de otras localidades con latitud, topografía y climas seme-jantes al deseado. Al emplear datos de insolación para obtener empíricamente, mediante varios métodos la radiación total, se estima su aproximación con un error dentro de un ± 10 por ciento.
DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO
Se ha demostrado que las sumas dianas de radiación son función de la dura-ción de insoladura-ción para una localidad particular, siendo la reladura-ción* entre ellas del tipo
H = H ^ a ' + b ' S / S ^ (1) donde
H radiación global diaria promedio horizontal para el periodo en cuestión (por ejemplo, mensual);
•Esta relación se basa en un desarrollo de Angstrom.3 Otros procedimientos similares han sido desarrollados por Fritz,4 Page,5 Black6 y Sivkov.7
H' radiación global diaria promedio horizontal para un día claro del periodo en cuestión;
a', b' constantes que relacionan la radiación y la insolación, las cuales dependen de la localidad y del clima;
S horas promedio diarias de insolación para el mismo periodo, y So horas diarias máximas de insolación que serían posibles,
esti-mando que no existe obstrucción en el horizonte para el periodo en consideración.
Sin embargo, como H'o no puede obtenerse sin mediciones de radiación local, y ante la dificultad de definir lo que es un día claro, Page modificó es-te método para no requerir de H'o, con base en la radiación extraterrestre sobre una superficie horizontal, a fin de obtener la radiación global diaria promedio:
H = Ho( a + bS/So) (2)
donde
Ho radiación fuera de la atmósfera para la misma localidad,
prome-diada para el periodo en cuestión; su valor puede calcularse o de-ducirse de gráficas;8
a, b constantes que relacionan la radiación y la insolación; dependen de la localidad y del clima, y
S, So mismo significado que en la ecuación 1.
El método general para obtener radiación a partir de datos de insola-ción consiste en determinar a y b para una localidad donde los dos tipos (in-solación y radiación) de datos están disponibles. En el caso de México, debi-do a la ausencia de datos de radiación para las diferentes localidades, su aplicación es difícil; sin embargo, puede utilizarse en aquéllas donde el cli-ma y tipo de vegetación son conocidos; al respecto, Lof9 llegó a obtener las
constantes a y b para diferentes localidades del mundo, inclusive con climatología y flora distintas; a pesar de ello, un problema importante al aplicar estas constantes es que México tiene regiones montañosas que causan variación sustancial en la nubosidad entre localidades a distancias relativamente cercanas; además, existen zonas donde la topografía y clima cambian bruscamente.
El método que se emplea en este trabajo es el empírico deducido por Jeevananda1 que obtiene la radiación global con desviaciones menores de 10
por ciento.
Dicho autor, además de los datos de insolación, emplea parámetros ta-les como latitud del lugar, longitud promedio del día y número de días llu-viosos en el mes, así como humedad relativa promedio por día. Ya que to-dos pueden obtenerse para diferentes partes de la República (38 localidades): de 30 años para 14 localidades, para 11 localidades promedios que abarcan más de 25 años, tres con promedios superiores a 15 años, dos
con diez o más años y las cuatro restantes con unos siete años, se cree que el mapeo estará dentro de i 10 por ciento de precisión.
La fórmula deducida por Jeevananda para estimar la radiación global total, en ly/día (1 ly = 1 Langley = 1 cal/cm2 = 4.186 J/cm2) con datos
medios mensuales, está dada por
donde
( l y / d i a )
K (AN + H»¡: cos<t>) 102, en ly/dia;
<t> latitud del lugar, en grados;
N longitud promedio del día durante el mes, la cual puede obtener-se con la ecuación 4;
A 0.2/(1 + 0.1«(>) (factor de latitud);
Vjj factor de estación que depende del mes y localidad; j = 1 para tierra dentro y j = 2 para costa; i = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 que corresponde a los meses de enero a diciembre con los siguientes valores:1
1 = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1.28 1.38 1.54 1.77 2.05 2.30 2.48 2.41 2.36 1.73 1.38 1.17
H»i2 1.46 1.77 2.05 2.15 2.05 2.05 2.10 2.17 2.14 1.96 1.60 1.43
P n/N;
n horas promedio de insolación por día durante el mes; t r/M;
r número de días lluviosos durante el mes; M número de días en el mes, y
h humedad relativa media por día en el mes. La longitud del día se obtiene de
N = -j— eos-1 (-tan <)> tan d) (4)
donde ó es la declinación (posición angular del Sol al mediodía solar con respecto al plano del ecuador) deducida por Cooper.10
RESULTADOS
Con base en este método, se realizaron mapeos mensuales de la República
Mexicana a fin de conocer la radiación solar global media diaria, en ly/día, mediante datos de horas de insolación.11'12 Además, se obtuvo el mapa de
radiación media anual en las mismas unidades. Estos se muestran en las fi-guras adyacentes.
Los datos fueron bastante representativos, pues existe una continuidad aceptable con la información referente a la frontera norteamericana, con isolíneas obtenidas por Bennett13 para los 12 meses del año.
Para la presentación de los mapas de este informe se utilizó una proyec-ción cilindrica; se seleccionó un intervalo de 50 ly/día entre isolíneas de ra-diación para valores menores de 500 ly/día, y para mayores un intervalo de 100 ly/día.
En el mapa correspondiente al promedio anual, se observa que las re-giones de mayor radiación en la República son las del norte de Sonora y Chihuahua, que serían las más propicias para fines de instalaciones que re-quieran de una incidencia alta de energía solar. Existen otras dos regiones bastante definidas, con más de 450 ly/día en el año: una que abarca Duran-go, Zacatecas, Aguascalientes, la mayor parte de Guanajuato y el noroeste de Jalisco, otra que comprende una parte de Puebla, y otra, bastante amplia, de Oaxaca. Además, se aprecia que más de la mitad del país recibe 400 ly/día en el año, lo que significa que en México el uso de la energía solar representa una fuente importante de energéticos para el futuro.
Su empleo estaría destinado a calentamiento de agua, secado de gra-nos, cocina, refrigeración, aire acondicionado, calefacción, bombeo de agua, generación de energía eléctrica, etcétera.* *
REFERENCIAS
1. Jeevananda, S., "An Empirical Method for the Estimation of Total Solar Radiation",
So-lar Energy, 13 (1971), 289.
2. Coulson, K.L., Solar Terrestrial Radiation, Academic Press (1975).
3. Angstrom, A., "Solar and Terrestrial Radiation", Quarterly Journal of the Roya/
Me-teorológica! Society, 50(1924), 121.
4. Fritz, S., "Solar Radiation Energy and its Modification by the Earth and its Atmosphe-re", Compendium of Meteorology, American Meteorological Society (1951).
5. Page, J.K., "The Estimation of Monthly Mean Valúes of Daily Total Short Wave Ra-diation on Vertical and Inclined Surfaees from Sunshine Records for Latitudes 40° North-40° South", Procs UN Conference on New Sources of Energy, 4 (1964), 378.
6. Black, J.N. Bonython, C.W. y Prescott, J.M., "Solar Radiation and the Duration of Sunshine", Quarterly Journal of the Roya/ Meteorological Society, 80 (1954), 231-235.
7. Sivkov, S.I., "Computation of Solar Radiation Characteristics", Israel Program for
8. Duffie, J.A. y Beckman, W.A., Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York (1974).
9. Lof, G.O.B., Duffie, J.A. y Smith, C.O., "World Distribution of Solar Radiation",
Solar Energy. 10, 1 (1966).
10. Cooper, P.I., "The Absorption of Solar Radiation in Solar Stills", Solar Energy, 12, 3 (1969).
11. Almanza, R. y López S., "Radiación solar global en la República Mexicana mediante datos de insolación", Series del Instituto de Ingeniería, núm. 357, UNAM, octubre (1975).
12. Almanza, R. y López, S., "Total Solar Radiation in México Using Sunshine Hours and Meteorological Data", Solar Energy, vol. 21, pp. 441-448 (1978).
13. Bennett, 1., "Monthly Maps of Mean Daily Insolation for the United States", Solar
Energy, 10,3 (1965).
14. Keyes, J., Harnessing the Sun to Heat Your House, Morgan & Morgan Publishers (1974).
Promedio de radiación total diaria, en Langleyes/día
FEBRERO
• Los valores marcados sobre EUA
se tomaron de I. Bennett (13) y J. Keyes (14)
Promedio de radiación total diaria, en Langleyes/día
MARZO
* Los valores marcados sobre EUA 500
SUPERFICIES SELECTIVAS
Y SUPERFICIES REFLECTIVAS
INTRODUCCIÓN
Existen varios métodos para convertir la energía solar en electricidad, uno de ellos es por conversión directa, en la cual se genera un voltaje o corriente eléctrica por medio de la absorción de fotones en un semiconductor de sili-cio o sulfuro de cadmio. Otro es por conversión térmica, en la que el calor
se convierte en energía eléctrica mediante dispositivos termoeléctricos, termo-iónicos o magneto hidrodinámicos, o bien por turbinas ordinarias de va-por. Un tercer método puede ser a través de procesos biológicos, ya sea por
medio del crecimiento de plantas utilizables de varias maneras o quemándo-las en sistemas térmicos.
Respecto al empleo de conversión térmica solar, la experiencia históri-ca demuestra que las máquinas de vapor o turbinas, impulsadas por diferen-tes tipos de fluidos, son de muy baja eficiencia, siendo ésta del orden de 1 o 2 por ciento de la energía incidente; dicha eficiencia5 se debe a las
relativa-mente bajas temperaturas de operación de los dispositivos. La solución a es-te problema sería el uso de aparatos que trabajen a es-temperaturas mayores (300 a 500 °C), como por ejemplo el de las modernas turbinas de vapor, las cuales convierten la energía de los combustibles fósiles en potencia eléctrica con eficiencias del orden de 40 por ciento.
Hay varias aplicaciones de la energía solar en las que el uso de superfi-cies selectivas y superfisuperfi-cies reflectivas es importante, ya que aumentan la eficiencia de los dispositivos de captación, así como los colectores de enfo-que, en los que el absorbedor puede disminuir sus pérdidas por radiación y por tanto aumentar las temperaturas de los fluidos con los que se trabaja, obteniendo mayor eficiencia.
SUPERFICIES SELECTIVAS
Si un cuerpo absorbe energía solar y emite energía radiante característica de su temperatura, la temperatura en equilibrio final del cuerpo es directamen-19
Figura 1. Gráfica de una superficie selectiva ideal.
Las pérdidas por radiación pueden llegar a reducirse6 hasta en 79 por
ciento mediante el uso de superficies selectivas.
Existen varios mecanismos6 para producir materiales con estas
pro-piedades, dependiendo de la temperatura a la que se trabaje; un mecanismo consiste en depositar una película delgada de alta absortancia para ra-diación solar por medio de reacciones químicas y usar un sustrato que tenga una emisión pobre de radiación de onda larga (infrarroja): este sustrato de
baja emitancia en el infrarrojo se puede obtener con una superficie metálica pulida.1'2.3
Las superficies selectivas más comunes son películas de óxidos metáli-cos sobre sustratos metálimetáli-cos, por ejemplo las de CuO, Cu2O, Fe3O4,
etcéte-ra. Se ha oxidado cobre7 a base de la siguiente solución (oxidado 1):
2.0 g SeO2 1.5gCuSO4 0.1gFeCl3 0.2 g CrO3 5.0 mi HNO3 100 mi H2O
El cobre se oxida con esta solución a fin de formar una capa de CuO y Cu2O. Se ha probado la degradación térmica de la superficie oxidada de 100
a 300 °C; a partir de 200 °C el color negro empieza a cambiar a violáceo. Después de 300 °C la película empieza a desprenderse.
Otro método3-4 es el de la oxidación de Cu a base de una mezcla de
Na-OH, NaClO2 y H2O (oxidado 2), con el nombre comercial de Ebonol C
es-pecial (Enthone Rafeo, S.A.).
Se probaron diferentes concentraciones de Ebonol C a diferentes tem-peraturas; el mejor resultado se obtuvo con el siguiente proceso: se sumer-gió el cobre de 1 a 2 min en una solución de 750 g de Ebonol C especial por litro de agua a 100 °C. Las pruebas a menos de 100 °C no mostraron resul-tados satisfactorios.
Las superficies así tratadas exhiben buenas propiedades de absorción, ya que al compararlas con otras pintadas de negro mate, cuya absortancia es de a = 0.9, se lograron propiedades similares.
La emitancia resultó del orden de 0.2.* Este segundo proceso de oxida-ción resultó mejor que el anterior, ya que además de no degradarse la super-ficie a 250 °C tampoco cambió de color, conservando su absortancia (del orden de 0.9). Todas las muestras de Cu se tienen que pulir hasta acabado de espejo antes de oxidarse para obtener baja emitancia.1
Se ha oxidado aluminio con la siguiente solución: 2.5 g Co(NO3)2
1 g KMnO4
96 mi H2O
El aluminio pulido se sumerge en esta solución a 80 °C durante 30 min obteniéndose una capa de óxido muy delgada, del orden de 105 a 10~4cm.
*Las medidas de absortancia y emitancia se realizaron con un proceso semejante al usado por A. Keller,8 que se basa en la comparación de las muestras con valores conocidos de absor-tancia y emiabsor-tancia.
Las pérdidas por radiación pueden llegar a reducirse6 hasta en 79 por
ciento mediante el uso de superficies selectivas.
Existen varios mecanismos6 para producir materiales con estas
pro-piedades, dependiendo de la temperatura a la que se trabaje; un mecanismo consiste en depositar una película delgada de alta absortancia para ra-diación solar por medio de reacciones químicas y usar un sustrato que tenga una emisión pobre de radiación de onda larga (infrarroja): este sustrato de
baja emitancia en el infrarrojo se puede obtener con una superficie metálica pulida.12-3 v
Las superficies selectivas más comunes son películas de óxidos metáli-cos sobre sustratos metálimetáli-cos, por ejemplo las de CuO, Cu2O, Fe3O4,
etcéte-ra. Se ha oxidado cobre7 a base de la siguiente solución (oxidado 1):
2.0 g SeO2 1.5gCuSO4 0.1 gFeCl3 0.2 g CrO3 5.0 mi HN03 100 mi H2O
El cobre se oxida con esta solución a fin de formar una capa de CuO y Cu2O. Se ha probado la degradación térmica de la superficie oxidada de 100
a 300 °C; a partir de 200 °C el color negro empieza a cambiar a violáceo. Después de 300 °C la película empieza a desprenderse.
Otro método3>4 es el de la oxidación de Cu a base de una mezcla de
Na-OH, NaClO2 y H2O (oxidado 2), con el nombre comercial de Ebonol C
es-pecial (Enthone Rafeo, S.A.).
Se probaron diferentes concentraciones de Ebonol C a diferentes tem-peraturas; el mejor resultado se obtuvo con el siguiente proceso: se sumer-gió el cobre de 1 a 2 min en una solución de 750 g de Ebonol C especial por litro de agua a 100 °C. Las pruebas a menos de 100 °C no mostraron resul-tados satisfactorios.
Las superficies así tratadas exhiben buenas propiedades de absorción, ya que al compararlas con otras pintadas de negro mate, cuya absortancia es de o = 0.9, se lograron propiedades similares.
La emitancia resultó del orden de O.2.* Este segundo proceso de oxida-ción resultó mejor que el anterior, ya que además de no degradarse la super-ficie a 250 °C tampoco cambió de color, conservando su absortancia (del orden de 0.9). Todas las muestras de Cu se tienen que pulir hasta acabado de espejo antes de oxidarse para obtener baja emitancia.1
Se ha oxidado aluminio con la siguiente solución: 2.5 g Co(NO3)2
1 g KMnO4
96 mi H2O
El aluminio pulido se sumerge en esta solución a 80 °C durante 30 min obteniéndose una capa de óxido muy delgada, del orden de 10-5 a 10-4 cm.
*Las medidas de absortancia y emitancia se realizaron con un proceso semejante al usado por A. Keller,8 que se basa en la comparación de las muestras con valores conocidos de absor-tancia y emiabsor-tancia.
Para obtener una superficie selectiva sobre Fe se oxidó éste por medio de Ebonol S-30 con el procedimiento siguiente:
Se sumergió el Fe a temperaturas de 146 a 152 °C durante lapsos comprendidos entre 3 y 25 min en una solución concentrada de 770 g/1 de agua. La absortancia resultó del orden de 0.9 y la emitancia de 0.1.
Otra alternativa es usar la siguiente solución para pavonar:7
580 g de sosa
240 g de nitrito de sodio 180 g de nitrato de sodio
1 litro de agua; se calienta esta solución hasta ebullición muy suave durante 25 min. El fierro que se va a pavonar debe estar pulido y desen-grasado.
EMPLEO DE LAS SUPERFICIES SELECTIVAS EN CAPTADORES SOLARES Para la evaluación cuantitativa de captadores solares de placas planas o de enfoque, se puede considerar el modelo simplificado de la figura 2. La su-perficie del captador consiste en una placa plana, colocada de manera que incida con la dirección de los rayos solares. Para el análisis se supone que la temperatura del captador es uniforme y constante, y que la energía útil se extrae de la parte trasera de la superficie mediante un fluido en circulación. Un balance de energía9 por unidad de área del colector tiene la forma
* G = £i°Tcol + hC (TcorTamb) + Qr*R °TR W
donde
a absortancia solar, o sea la fracción de la radiación solar
inciden-te absorbida por una sustancia;
G irradiancia o radiación solar global recibida por el colector, en W/m2;
£j emitancia de la superficie, o sea el promedio de la relación de la emisión de radiación infrarroja de un cuerpo real a la emisión de radiación de un cuerpo negro a la misma temperatura;
o constante de Stefan-Boltzmann = 5.6697 x 10"8 W/m °K4;
Tcol temperatura de la superficie del colector, en °K;
hc coeficiente de transferencia de calor por convección, en W/m2
°K;
Tamb temperatura del medio ambiente, en °K;
qf energía captada por el fluido, en W/m2
eR emitancia del cielo, y
Entrada de calor, Ga
Insolación G Pérdidas por radiación, tpl col
\
^cielo = £RO TR
t
Pérdidas por convección,
hc<Tco|-Tamb>
Energía útil transferida al fluido q,
a) Colector plano
Entrada de calor ~ Gd« Insolación, Gri
Energía útil transferida al fluido, q
^ Pérdidas por radiación, to Aa(T4-T^mb)
Pérdidas por convección, hcAa(T-Tamb)
b) Colector de enfoque
Figura 2. Factores que intervienen en el balance de energía para captadores solares.
Dado que el valor de un captador solar depende de su capacidad para captar y retener la mayor parte de insolación posible, la eficiencia del colec-tor se puede definir como la relación de energía captada qf a la radiación
so-lar global G o directa recibida Gd esto es, la relación de rendimiento solar a
insolación:
- § - (2)
combinando las ecuaciones 1 y 2, se tienehc (Tcol-Tamb) eR oT\ +
La ecuación 3 indica que la eficiencia del captador aumenta si la absor-tancia a aumenta o si el coeficiente de transferencia de calor por convección hc disminuye o la emitancia £¡ disminuye. Una eficiencia máxima se alcanza
cuando la £¡ y el hc tienden a cero. Una superficie selectiva es una superficie
para la cual a ¥:¿i (a >ei para la mayoría de aplicaciones de energía solar), mientras que una superficie no selectiva es aquélla en que a = £j.
La ecuación 3 puede emplearse, por ejemplo, para comparar propieda-des de superficies selectivas con no selectivas. Si G y Tamb se especifican, las
eficiencias del captador pueden representarse gráficamente para diferentes temperaturas. En la figura 3 se muestran varios ejemplos. A presión atmos-férica y teniendo aire como fluido alrededor del colector, se ha encontrado9'10 que para convección natural de tubos horizontales
Si el captador no tiene cubierta de vidrio, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada es importante. Si se considera que a la ciudad de México le llega un promedio anual11 de 413 cal/cm2 día, entonces
durante cuatro horas alrededor del medio día se tiene un promedio de 50 cal/cm2h, o 500 kcal/m2h = 581 W/m2, con una temperatura ambiental
Tamb = 20 °C = 293 °K y una temperatura de cielo9 Tci lo = -7 °C = 266
°K. Con estos datos se estimaron los valores de eficiencia que se muestran en las gráficas de la figura 3, para pintura negra mate, y una superficie se-lectiva como el óxido de cobre, con una absortancia a = 0.9 y una emitan-cia e = 0.9 para la pintura, y e = 0.2 para la superficie oxidada.
En la gráfica (figura 3) se observa cómo puede mejorar la eficiencia al usar una superficie selectiva (óxido de cobre) en lugar de pintura negra. En la misma figura se muestran cómo mejorarán las eficiencias si se evitan las pérdidas por convección al envolver el absorbedor en tubos de vidrio a pre-siones muy bajas (se han obtenido prepre-siones del orden de 102 mm de Hg).
25 75 125 175 225 275 Temperatura, en °C
Figura 3. Eficiencia de un colector plano con radiación incidente de 581 W/m2.
En la figura 4 se muestran las eficiencias de un colector plano vs. tem-peratura, con una radiación incidente de 700 W/m2 para regiones en que la
insolación es alta, o para la ciudad de México en época de primavera y alre-dedor del medio día. En dicha gráfica se comparan pintura negra con super-ficie selectiva de óxido de cobre.
En la figura 5 se muestran las eficiencias de un colector plano con flujo de radiación de 900 W/m2, siendo ésta una radiación representativa de
re-giones con alta insolación durante el año o rere-giones como la ciudad de Mé-xico con días despejados en verano y alrededor del mediodía. En dicha grá-fica se observa cómo mejora la eficiencia del colector al emplear una super-ficie selectiva; si además está al vacio, la esuper-ficiencia es mucho mayor.
Sea un colector de enfoque formado por un cilindro parabólico con abertura de 2 m y un absorbedor cilindrico de Cu (<)> = 3.33 cm) con los si-guientes datos:
Radiación directa en la ciudad de México Gd = 60 cal/cm2h = 600 kcal/m2h =
(días claros en verano alrededor de =0.7 kW/m2
mediodía)
Reflejancia del Mylar cromado Q =0.76 Absortancia a =0.9 Factor de forma y =0.9 Trasmitancia del vidrio Pyrex T =0.85
Área del absorbedor por metro lineal Aa = ndL = 0.105 m2
Relación del área efectiva de la
abertura al área del absorbedor A( /A a = 20
Para analizar la eficiencia se supone que la temperatura del absorbedor es uniforme y que la energía útil se extrae mediante un fluido que circula dentro del tubo. Para un cilindro parabólico con absorbedor cilindrico1'2 el
balance de energía está dado por:
q = GdAQQrya - h ^ / T - Tamb) - o£Aa(T4 - T4amb) (5)
La eficiencia de colección está definida por
La figura 6 representa la eficiencia vs. temperatura (en °C) para pintu-ra negpintu-ra (o = 0.9, £ = 0.9) y una superficie selectiva (a = 0.9, £ = 0.2) de óxido de cobre. Para la región de trabajo del sistema de la bomba solar4 de
165 a 200 °C, la eficiencia aumenta respecto a la pintura negra en 15 por ciento al usar una superficie selectiva, y si se encierra el absorbedor en un sistema evacuado, la eficiencia se incrementa en 25 por ciento.
225 275
Temperatura, en °C Figura 5. Eficiencias de un colector piano con radiacion incidente de 900 W/m2
25 75 125 175 Figura. 6. Eficiencias de un colector de enfoque.
APLICACIONES
Algunas aplicaciones de las superficies selectivas14 que se describen en los
incisos anteriores son:
El tubo absorbedor de Cu del captador cilíndrico-parabólico de la bomba solar de 1 kW (que se discute en el capítulo 9) se oxidó con Ebonol C especial (figura 7). Con este procedimiento se reducen las pérdidas por radiación en 15 por ciento.
En ollas de Cu como calentadores de agua en una estufa solar (pa-raboloide de revolución) para aumentar su eficiencia (figura 8).
Se oxidó un captador plano de Cu para calentar agua con fines do-mésticos (figura 9). También en este caso su eficiencia mejoró, como quedó asentado en el texto.
Fabricación de un interruptor solar (figura 10), oxidando un tubo de cobre que se expande, con lo cual desconecta un circuito mediante platinos colocados en uno de sus extremos; por la noche se contrae y los platinos entran en contacto, cerrando el circuito. Este sistema se construyó para encender un foco durante la noche en una torre de me-diciones en la bahía de Manzanillo, en sustitución de celdas fotovol-taicas.
Con el tipo de superficies selectivas mencionadas hasta ahora se pueden obtener selectividades (a/e.) entre 4 y 9; las eficiencias mejoran al evitarse
Figura 7. Absorbedor de cobre oxidado del captador cilíndrico-parabólico. Se muestra su colocación en el foco de los captadores y los tubos de vidrio evacuados.
Figura 8. Ollas de cobre oxidadas para utilizarse en una estufa solar (paraboloide de revolución) a fin de aumentar su eficiencia.
Figura 9. Captador plano de cobre oxidado para calentamiento de agua.
Figura 10. Interruptor solar a base de un tubo de cobre oxidado. En uno de sus extremos tiene platinos que cierran en la noche y abren en el dia.
pérdidas por radiación a temperaturas de trabajo menores de 200 °C. A fin de aumentar la selectividad y además alcanzar temperaturas de trabajo ma-yores, es necesario utilizar otras superficies selectivas cuyo desarrollo y apli-cación se describen en los siguientes incisos. Su importancia radica en que se juzga que son las adecuadas para usarse en nuestro país.
PELÍCULA SELECTIVA, CROMO NEGRO
En el sistema generador que se describe en el capítulo 9, el tubo absorbe-dor, alcanzará temperaturas cercanas o mayores a 300 °C, por lo que fue necesario buscar una superficie selectiva, que permanezca estable a estas temperaturas.
Con base en la información teórica y experimental disponible, se deci-dió investigar una superficie selectiva de cromo negro(15'l6'17-18'19>20'21) la que
se logra con la técnica de electrodepositado. La instalación de laboratorio necesaria en que se obtuvo esta superficie selectiva es básicamente una fuen-te de corrienfuen-te continua y una tina electrolítica para cromado. El proceso de cromado, o electrodepositado de cromo, requiere los siguientes pasos pre-vios: pulido mecánico, desengrase al vapor, desengrase electrolítico, activa-ción y niquelado.
Pulido mecánico: Los sustratos o piezas a tratar fueron pulidos
Desengrase al vapor: Se efectúa para eliminar residuos de la pasta
usa-da en el pulido mecánico. Se realizó mediante el lavado de las piezas con va-pores de tricloroetileno durante 10 min. Las piezas se suspenden sobre el tricloroetileno colocado en un recipiente de vidrio y se calientan hasta ebullición (suave) mediante una parrilla eléctrica.
Desengrase electrolítico: Se realiza para eliminar cualquier residuo, a
Mcala microscópica, que puedan contener las piezas. En la tina electrolítica destinada para este fin se disuelve el desengrasante en agua y después de co-locar las piezas y los ánodos, se pasa la corriente deseada. El primer des-engrasante usado fue una disolución acuosa al 6% de RAM 1004, el cual fue cambiado, para mejorar la limpieza, por un desengrasante alcalino con agente quelante al 9% (estos productos se venden en Carolay, S.A.).
Se hace la observación de que el agua usada para todos los procesos de pruebas es agua desmineralizada.
Cuando la pieza a tratar es de acero inoxidable, el desengrase electrolítico se alterna dos veces con el baño de las piezas en una solución de ácido clorhídrico al 15%. Las condiciones de operación para el desengrase electrolítico son las siguientes:
Voltaje 6 Volts Corriente Temperatura Tiempo Agitación Cátodo Ánodo 1-1.5 Amp/dm2 70-90 °C 1-2 min. ligera pieza hierro
Niquelado: Antes de pasar las piezas al baño niquelado, su superficie
es activada bañándola en una solución de ácido clorhídrico al 25%. El baño de niquelado y sus condiciones de trabajo son las siguientes:
Sulfato de níquel 300-350 g/1 Cloruro de níquel 60 g/1 Acido bórico 42 g/1 pH 3.5-4.5 ZD-A 5.7 ml/1 ZD-100 30-50 ml/1 ZD-220 0.5-1 ml/1 Nova 40 2-4 ml/1 Voltaje 5 Volts Corriente 2 Amp/dm2 Temperatura 53 °C
Tiempo depende de la cantidad de níquel depositado
Agitación fuerte Cátodo pieza
Ánodo níquel rolado de carbón.
La preparación del baño es de suma importancia, y por ello se describe a continuación:
El sulfato de níquel se disuelve en agua, calentando preferentemente; después se añade el cloruro de níquel y se eleva el pH a 5.2, agregando hidróxido de sodio al 4% con agitación vigorosa. Para precipitar las impu-rezas de las sales disueltas se agrega carbón activado y se agita durante seis horas; se deja reposar una noche y se filtra al otro día usando una tela de polipropileno. Una vez filtrada la disolución se agrega el ácido bórico, pre-viamente disuelto en agua, el pH se ajusta a 4.0 con ácido sulfúrico diluido y se procede a electrolizar con un voltaje bajo (0.5 Volts), usando electro-dos de acero o hierro corrugado, por espacio de ocho horas. El baño cambia de un color verde oscuro a un verde claro, después de que es electrolizado. Posteriormente se agregan los abrillantadores, ZD-A, ZD-100 y ZD-220, y por último el agente preventivo contra las picaduras, el Nova 40, con lo cual queda listo el baño para su uso.* Una referencia con formulaciones y características de los baños es el Metal Finishing.19
Después del niquelado se procedió a depositar el cromo negro. Se hi-cieron las pruebas en dos baños electrolíticos, que nombramos A y B, cuya formulación es la siguiente. Acido crómico Carbonato de bario Baño A 310 g/1 6 g/1 25 g/1 300 g/1 Baño B 400 g/1 10 g/1 60 g/1 3 g/1 0.5 g/1 Acido acético Hidróxido de sodio Glucosa Acido fluosilícico
la preparación del baño B se describe a continuación:
Se disuelve el ácido crómico en la mínima cantidad de agua y después se le añade el hidróxido de sodio, previamente disuelto en agua, lentamente. Se añade el ácido fluosilícico disuelto en agua y después la glucosa. El car-bonato de bario se disuelve en agua por separado y se agrega cuidadosamen-te por la alta efervescencia que se manifiesta. El baño puede usarse sin ser electrolizado.
La determinación de las cantidades eje cada componente de los baños requirió varias pruebas, pero un trabajo mucho mayor fue el determinar las
condiciones de operación de los mismos. La diferencia que existe entre los dos es la temperatura. El baño A opera a temperatura mayor que la ambien-tal y el B a una temperatura menor. Para el baño se hizo necesario enfriar la tina electrolítica, por lo que se colocó una camisa con agua enfriada por me-dio de un sistema refrigerante a base de freón 12.
A continuación se mencionan las condiciones óptimas de trabajo de los dos baños:
Baño A Baño B Temperatura 35 °C 17 °C Tiempo depende de la cantidad depende de la cantidad
depositada depositada Voltaje 8 Volts 12 Volts Ánodo plomo antimonio plomo antimonio Agitación ligera ligera Separación ánodo-cátodo 10 cm 15 cm
Un aspecto muy importante para el buen funcionamiento de los baños es la eliminación de los sulfatos y la conservación, dentro de ciertos márge-nes, de las concentraciones de Cr + 6 y Cr + 3.
Las descripciones de los análisis que se hicieron no se mencionan aquí pero son fáciles de localizar en las referencias bibliográficas.
CARACTERÍSTICAS DE LOS DEPÓSITOS DE CROMO NEGRO
El baño A produjo depósitos de tono bajo mientras que los del baño B son de un negro profundo; los depósitos de los dos baños son firmes y duros. Las propiedades de los depósitos de cromo negro que nos interesan son: índice de absortancia, índice de emitancia y estabilidad a altas tempera-turas.
Las propiedades ópticas de absortancia (a) se midieron con un reflectó-metro de espectro solar S-R-R de la compañía Devices and Services Co. (EUA). Este dispositivo mide la reñectividad total con una resolución de 0.001 y teniendo una repetibilidad mejor de 0.003 unidades.
El emisómetro modelo AE utilizado es de la misma compañía; mide la emitancia (e) a temperatura ambiente por medio de un detector con base en una termopila que se calienta a 82 °C de manera que no necesita calentarse la muestra. Las dos propiedades tuvieron los siguientes valores:
a = 0.95 + 0.012
£ = 0.11 + 0.02
Para conocer la estabilidad térmica se hicieron las siguientes pruebas, que consistieron en someter diferentes superficies selectivas a 30 ciclos
tér-micos de una duración de 7 horas cada uno, lo que hace un total de 210 ho-ras de exposición a cada una con las siguientes temperatuho-ras y con piezas di-ferentes: 150, 200 y 250 °C.
Diferentes medidas de absortancia se hicieron después de los ciclos 9, 21 y 30, mientras las mediciones de emisividad se registraron cada 3 ciclos térmicos.
Además, se hicieron pruebas de corrosión acelerada dentro de una cá-mara salina para conocer el comportamiento de este fenómeno; éstas se lle-varon a cabo por 7 ciclos de 24 horas cada una, en las que las condiciones de la cámara salina fueron:
Concentración salina 5 % Ambiente húmedo 100% Temperatura interna 37.7 ° C
En la torre de burbujeo de la cámara salina se forma la neblina a una temperatura de 57 °C. Las medidas de absortancia y emitancia se hicieron al final de los siete cíelos. Los valores de absortancia y emisividad obtenidos al inicio de las pruebas fueron:
Oxido de cobre Níquel negro Cromo negro A Cromo negro A Cromo negro B sobre sobre sobre cobre cobre niquelado cobre a 0.91 0.95 0.93 0.92 0.94 £ 0.22 0.28 0.22 0.21 0.09 Cromo negro B sobre cobre niquelado 0.93 0.075 Las pruebas se realizaron también en superficies tratadas con ebonol (oxidación del cobre) y los recubrimientos con níquel negro (tratado des-pués) para tener un panorama comparativo más amplio. Los resultados ob-tenidos sobre las películas sometidas a los ciclos térmicos, se presentan en la tabla 1.
Finalmente los valores de a y £ antes y después de la corrosión acelera-da en cámara salina se presentan en la tabla 2.
Observando la tabla 1, se nota que a y £ para la superficie de óxido de cobre y el níquel negro a la temperatura de 200 °C y 250 °C se alteran bas-tante, además a simple vista presentan algo de degradación; sin embargo, a la temperatura de 150 °C no se nota mucha variación; las superficies de cro-mo negro A y B sobre cobre sin niquelar también cambian ligeramente su aspecto al final de los 30 ciclos térmicos y a la temperatura de 250 °C, lo que permite comprobar la teoría de que el cromo negro sobre sustratos de cobre con níquel soportan más altas temperaturas con pequeñas variaciones de las propiedades ópticas.
Temp. de
prueba Ciclo
Tabla 1. Tratamiento térmico
Cromo negro A Cromo negro B Oxido de cobre Níquel negro Sobre cobre Cobre niquelado Sobre cobre Cobre niquelado 150 2 0 0 2 5 0 °C
°c
°c
9 21 30 9 21 30 9 21 30 a 0.90 0.90 0.90 0.89 0.88 0.88 0.89 0.88 0.87 £ 0.21 0.21 0.20 0.20 0.19 0.18 0.20 0.18 0.165 a 0.94 0.93 0.93 0.93 0.92 0.91 0.93 0.91 0.90 £ 0.27 0.25 0.25 0.26 0.23 0.21 0.25 0.22 0.20 a 0.92 0.91 0.92 0.91 0.91 0.90 0.91 0.89 0.89 £ 0.21 0.20 0.20 0.205 0.19 0.19 0.20 0.19 0.175 a 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.91 £ 0.21 0.21 0.205 0.21 0.20 0.20 0.20 0.195 0.195 a 0.93 0.93 0.92 0.93 0.92 0.91 0.93 0.91 0.89 £ 0.08 0.075 0.075 0.07 0.065 0.060 0.075 0.065 0.06 a 0.93 0.93 0.93 0.93 0.93 0.93 0.93 0.92 0.91 E 0.08 0.08 0.08 0.075 0.07 0.07 0.07 0.07 0.06Oxido de cobre a £ Tabla Níquel negro a £ 2.Corrosión acelerada Cromo negro Sobre cobre a £ A Cobre niquelado a £ Cromo negro Sobre cobre a i B Cobre niquelado a ¿ Antes del tratamiento 0.91 0.22 0.95 0.28 0.93 0.22 0.92 0.21 0.94 0.09 0.93 0.075 Después del tratamiento 0.90 0.21 — — 0.92 0.20 0.92 0.21 0.93 0.08 0.93 0.075
Por lo que respecta a la prueba de corrosión acelerada en cámara salina es notorio el hecho de que el níquel no resistió más que el final del cuarto ciclo, al término del cual dicha superficie se degradó casi totalmente; por lo que respecta al óxido de cobre, éste resistió los siete ciclos aunque al final se observa atacada la superficie; las superficies de cromo negro A y B sobre cobre sin niquelar se encuentran sólo ligeramente atacadas, en cambio las homologas sobre cobre niquelado no presentan ningún ataque y ninguna variación en las propiedades ópticas, por lo que con los resultados de esta prueba de corrosión acelerada en una cámara salina se puede esperar que la película de cromo negro sobre cobre y de cobre con níquel puedan soportar la corrosión del medio ambiente mínimo durante 5 años;36'37 la superficie de
óxidos de cobre probablemente también los resista, no así el níquel negro, el cual, en el cuarto ciclo de la cámara salina se degradó totalmente, por lo que a lo más resistirá de dos a tres años.
NÍQUEL NEGRO
Para la obtención de este depósito se repiten los pasos de pulido mecánico, desengrases y niquelado hechos para el cromo negro. El baño de níquel negro es el siguiente:
Sulfato de zinc, hidratado 28 g/1 Sulfocianuro de sodio 14 g/1 Sulfato de níquel 75 g/1 Sulfato de amonio 35 g/1 el pH se ajusta a 5.8 con hidróxido de amonio.
El mejor resultado del depósito de níquel negro se obtuvo efectuando un cambio de la densidad de corriente en el transcurso de la operación. Se trabajó en la siguiente forma:
(1) (2) Corriente 0.022 Amp/dm2 0.5 Amp/dm2
Voltaje 2 Volts 3.3 Volts Tiempo 11 min 2 min
El cátodo fue la pieza a tratar y como ánodo se usó grafito; la distancia ánodo-cátodo fue de 30 cm y la temperatura 19 °C. No se realizó agitación. Se efectuó el mismo mecanismo descrito anteriormente para determi-nar el índice de absortancia, el cual para este depósito dio un valor de 0.955 (placa cromada y niquelada).
OBTENCIÓN DE CROMO NEGRO A NIVEL INDUSTRIAL PARA ABSORBEDORES DE TRES METROS DE LONGITUD
El Instituto de Ingeniería, haciendo uso de las instalaciones de la compañía Electro-Recubrimientos, S.A., ha depositado la superficie selectiva de cromo negro sobre tubos de cobre y fierro niquelado.
En este capítulo se describe el procedimiento de fabricación de tubos de 3 metros de longitud, diámetro de 3.175 cm (1 1/4"), además, los resulta-dos de las mediciones de las propiedades ópticas a temperatura ambiente.38'39
Con la experiencia obtenida en el depósito de cromo negro sobre placas de cobre niquelado a nivel laboratorio, no fue difícil lograr un buen depósi-to sobre pequeños tubos de cobre (hasta 0.2 m de longitud); los problemas empezaron a surgir cuando se realizaron experiencias a nivel planta piloto con tubos de 0.5 m, ya que por simple observación visual no se logra un de-pósito negro uniforme; por esta razón hubo que experimentar lo suficiente para lograr un depósito uniforme en el tubo, y que además tuviese las pro-piedades ópticas adecuadas; se ensayaron diversas técnicas para lograr este objetivo, antes de obtener tubos de 3 metros de longitud. La que mejor fun-cionó es la que realiza movimientos giratorios al cátodo (tubo); con esta téc-nica se mantienen todos los parámetros constantes, dando sólo un giro de 45° al tubo a la mitad del tiempo que se emplea para el depósito del cromo negro, y de esta forma lograr uniformidad.
Este procedimiento fue el más conveniente tanto desde el punto de vista industrial, como para la obtención de buena selectividad del depósito; la de-cisión final fue usar ánodos rectos de plomo-antimonio, un sistema de giro manual intermitente y un tipo de transmisión de corriente por medio de ganchos (racks) con copies y niples soldados, y enroscados a copies y niples soldados en los extremos del tubo a tratar.
Fabricación de tubos absorbedores de 3 m
Para el diseño y dimensiones de la tina electrolítica del proceso, se tomó en cuenta lo siguiente: considerando que la separación entre ánodo y cátodo debe ser de 15 cm y como va una hilera de ánodos a cada lado del tubo, que es el cátodo, es de esperarse por lo menos una anchura de la tina de 0.3 m. Finalmente se escogió un ancho de 0.45 m para tener un margen de seguri-dad. En lo que respecta a la profundidad, ésta se decidió en 0.45 m, para dar margen a introducir el tubo a 0.2 m de la superficie de la solución y de ahí a una distancia de 0.25 m del fondo de la tina, donde iba un serpentín de plomo como sistema de enfriamiento.
Dado que la relación en área ánodo-cátodo era 1:1, el número de áno-dos que fue necesario usar, fue de 30, con dimensiones de 20 cm de longitud por 5 cm de ancho que dan una área similar a la catódica de 30.9 dm2 (tubo
de 3.10 m de l o n g i t u d 3.175 cm de diámetro), la disposición final de la tina y su arreglo se presenta en las figuras 11 y 12.
Figura 11. V i s t a lateral de la tina electrolítica para el depósito de cromo negro
15cm . 15cm
T 0T
10.0 cm 22.5 cm 20 cm 2cmFigura 12. Vista frontal de la tina electrolítica
Serpentín de Plomo
Figura 13. Vista del serpentín de plomo y la tina electrolítica
Otro punto importante del diseño, fue el calcular la cantidad de calor a extraer de la solución que se calienta al momento de pasar la densidad de corriente necesaria en el proceso (1 100 Amp.).
Con base en el hecho de que nuestro proceso fue intermitente y no con-tinuo, se decidió usar un serpentín de plomo con agua enfriada con hielo co-mo sistema de refrigeración en lugar de usar freón, ya que resultó más eco-nómico. Un esquema de la tina y el serpentín se muestra en la figura 13.
Descripción del proceso
Una vez instalada la tina electrolítica se colocaron los demás accesorios: serpentín de plomo, barras anódicas y catódicas; las anódicas se encuentran a ambos lados de las catódicas. Todas las barras son de tubo de cobre de 3.17 cm (1 1/2") de diámetro; la unión de estas barras al rectificador de corriente se hizo por medio de solera de cobre.
Con todo listo para llevar a cabo el proceso, el siguiente punto fue pre-parar el baño de cromo que se basó en la formulación del baño B descrita anteriormente. Antes de proceder a trabajar el baño de cromo negro, hubo que preelectrolizar el baño, para lo cual se usó como cátodo una lámina corrugada de fierro negro. Al final de esta operación se preparó y añadió el catalizador fluosilicato de sodio, que se forma al mezclar el ácido fluosilícico con nitrato de sodio en agua y que se basa en la siguiente reac-ción química:
H2SiF6 + 2NaNO3 - Na2SiF6 + 2HNO3
de la estequiometría de la reacción se calcularon las cantidades de ácido fluosilícico y nitrato de sodio, necesarias para tener en el baño electrolítico 1 gramo/litro de fluosilicato de sodio como catalizador. Con el baño prepara-do se procedió al cromaprepara-do de los tubos, en la figura 14 se da un diagrama de bloques de cada uno de los pasos del proceso.
El baño electrolítico se corregía periódicamente con base en los resulta-dos de los análisis químicos, así también fue necesario limpiar conti-nuamente los ánodos con un cepillo de acero, con objeto de lograr una buena conducción de la corriente.
Resultados
Dada la geometría del tubo, las propiedades ópticas del mismo no pudieron medirse directamente, sin embargo estas propiedades fueron medidas en su-perficies planas que se procesaron igualmente a la par que el tubo; se supone que las propiedades ópticas así obtenidas son representativas de las del tu-bo, ya que las condiciones de operación fueron las mismas.
En las figuras 15 y 16 se observa la variación de absortancia y emitancia 41
Figura 14. Diagrama de bloques del proceso del cromo negro
con el tiempo de procesado para tubos de cobre y fierro, respectivamente. En las gráficas se observa que a un tiempo de 40 segundos se obtienen las mejores propiedades ópticas, siendo este el tiempo usado en el proceso, tan-to para tubos de cobre, como para fierro, a una densidad de corriente de 35 Amp/dm2. La diferencia en el electrodepósito sobre tubos de cobre y tubos
de fierro (Mild Steel) fue que en el caso del fierro se requirió un tiempo ma-yor de activado en el ácido y una separación ánodo-cátodo de 10 cm a dife-rencia de los 15 cm de separación para el caso del cobre.
El intervalo de valores de absortancia y emitancia, para ambos mate-riales fue a = (0.94-0.96) y £ = (0.12-0.15), los cuales son bastante satis-factorios. Las mediciones de absortancia se registraron en un reflectómetro S-R-R de la Devices & Services Co., las de emitancia en un emisómetro mo-delo A-E de la misma compañía, registrándose ambas a temperatura am-biente.
Los valores de las propiedades ópticas se verán afectados a las tempera-turas de trabajo (250-300 °C), pero consideramos que aun con esta va-riación, la superficie selectiva de cromo negro sí cumple su objetivo. Aun-que en este proceso, el objetivo era obtener tubos con cromo negro, las
di-0 2di-0 3di-0 4di-0 5di-0 6di-0 t, en s
Figura 15. Variación de emisividad y absortividad con el tiempo
mensiones de la tina electrolítica permiten la obtención de cromo negro sobre aletas para colectores solares, y dependiendo del ancho de las mismas, se pueden fabricar de tres metros de largo.
Separación ánodo cátodo: 10 cm
40 50 t, en s
Figura 16. Variación de emisividad y absortividad con el tiempo
Figura 17. Superficie reflejante
SUPERFICIES REFLEJANTES
Existen dos tipos diferentes de superficies reflejantes. Uno se usa para refle-jar la radiación solar directa incidente sobre un absorbedor deseado, como se muestra en la figura 17; el otro tipo se puede usar como superficie selecti-va de muy baja emisividad sobre absorbedores fototérmicos; generalmente las superficies selectivas de baja emisividad son a base de pinturas blancas, las cuales son útiles cuando se desea una reflejancia total en forma difusa. El interés para el desarrollo de este trabajo es el de obtener superficies que reflejen la radiación directa o sea la obtención de espejos de buena calidad.
Existen dos configuraciones típicas de espejos dependiendo de la super-ficie en que el material reflejante se deposite.
Si el metal reflejante se deposita en la parte trasera de un material es-table e impermeable entonces se dice que es un espejo de segunda superficie; los espejos de primera superficie son aquéllos en que el metal se deposita sobre la superficie de la base reflectora o sea en la cara frontal del material reflector.
Estos dos tipos de espejos requieren una cubierta protectora de la película reflectora. Generalmente el sustrato de un espejo de segunda super-ficie se escoge por sus propiedades de durabilidad y tersura, mientras que el sustrato para un espejo de primera superficie se escoge por sus propiedades estructurales y también de tersura; también requiere de una película delgada transparente, protectora del medio ambiente. Un requerimiento adicional para la película protectora en los espejos de primera superficie es que ésta no debe dispersar los rayos reflejados.
Si por ejemplo se considera un sistema de helióstatos (sistema de espe-jos con movimiento programado) que concentran la radiación solar en un colector central, la consideración primordial es la calidad de la reflexión, ya que un reflector debe transferir eficientemente la insolación a un absorbe-dor; esto es, la primera pérdida controlable de energía ocurrirá en la super-ficie reflectora y ésta se debe a la calidad del espejo.
La calidad del espejo es un término bastante complejo que abarca un gran número de factores que al final afectan el costo efectivo del sistema so-lar captador.
Reflejancia espectral: Una propiedad importante de una superficie es la
reflejancia espectral; ésta mide la habilidad de una superficie y su eficiencia para poder reflejar la radiación incidente. Existen muchos materiales que reflejan eficientemente en un punto del espectro pero son muy pobres en otros. Por ejemplo, el cobre y el oro son buenos reflectores en el infrarrojo pero son ineficientes para reflejar energía solar en el visible. Los mejores reflectores de energía solar son la plata y el aluminio; estos dos metales tienen reflejancias, cuando éstas se miden respecto a la radiación fuera de la atmósfera terrestre, de .92 y .87 respectivamente.
Reflejancia especular: La reflejancia total solar no se relaciona con el
grado de eficiencia para dirigir un haz solar a un absorbedor central. Sin embargo, existe una propiedad muy importante que es la especularidad; és-ta es básicamente la cantidad de energía (radiación) que se refleja direcés-ta- directa-mente de la superficie reflectora con el mismo ángulo que el haz incidente contenida dentro de un ángulo sólido.
Existen algunos dispositivos para medir la reflejancia especular, como por ejemplo los espectrofotómetros y los reflectómetros. Por ejemplo, la es-pecularidad de un material plano pulido ópticamente nos indica su adapta-bilidad para usarlo como un reflector solar.
Un requerimiento adicional para tener un buen reflector es su acabado plano (rugosidad) ya que generalmente deben seguir al Sol y debe esperarse que cada porción de la superficie reflectora apunte en la dirección ade-cuada.
En general, la reflejancia especular depende de la longitud de onda y en principio la reflejancia monocromática se deberá integrar para la distribu-ción espectral particular de energía incidente. De manera que la reflejancia especular monocromática se define como: