UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA Y CONCENTRACIÓN DE Al

O

EN LA EFICIENCIA

DE UN COLECTOR SOLAR DE TUBOS EVACUADOS

TESIS

Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico

PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:

ROMERO ALVINO, Heydi Aida TORIBIO HUAMANÍ, Nidia Yanina

HUANCAYO - PERÚ

2017

ii

ASESOR

Dr. Elías Adrián Sanabria Pérez

iii

DEDICATORIA

A Dios por derramar su bendición en cada etapa de mi vida, a mis padres Raúl y Reyna por confiar siempre en mí y por ser estar siempre conmigo alentándome a seguir a delante para conseguir el camino del éxito, y mis hermanos Deivid y Dennis por sus buenas palabras de aliento en momentos difíciles

A todos los presentes por acompañarme en esta nueva etapa de mi vida, seguiré dándoles motivos para que se sientan orgullosos de mí.

Nidia Toribio

NNIDI TORIBIO A Dios por darme la vida y una familia

maravillosa, a mis padres Elvis y Dora quienes me apoyaron siempre en mis triunfos y fracasos, por saberme entender y aconsejar ante las circunstancias de la vida, a ellos gracias por todo. A mis hermanas Yessenia y Sarita por haberme apoyado en mis estudios, por ser mis cómplices en todo, las amo muchísimo, a Peter por formar parte de mi vida y por apoyarme siempre, a mi Papito Shato por haberme dado un amor inigualable y por guiarme a lo largo de mi vida, a mis abuelitos, tíos, primos y amigos que siempre me orientaron en todo muchas gracias.

Heydi Romero

iv

AGRADECIMIENTO

A Dios porque siempre está presente guiándonos en cada momento y colmándonos de bendiciones.

A nuestro Asesor Dr. Elías Sanabria Pérez por su valioso apoyo y dedicación en el desarrollo de nuestra tesis.

Al Dr. Wilder Efraín Eufracio Arias por su gran apoyo profesional, por compartirnos sus conocimientos y facilitarnos algunos materiales para poder concluir nuestra tesis.

A todos los catedráticos de la Facultad de Ingeniería Química por el apoyo brindado durante nuestra formación profesional.

Al Sr. José Vilcamiche por facilitarnos algunos equipos para nuestra tesis.

v RESÚMEN

El colector solar es un dispositivo que absorbe la radiación solar incidente, convierte en calor, y transfiere este calor a un fluido (usualmente aire, agua, o aceite) que fluye a través del colector, pero estos poseen baja eficiencia por lo que en esta investigación usamos las nanopartículas de Al2O3 para mejorar la eficiencia de transferencia de calor, el objetivo de la presente investigación fue evaluar la influencia que tienen el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados. Para ello se determinó el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 para una mayor eficiencia de un colector solar de tubos evacuados, se estableció la relación que existe entre el tamaño de partícula y concentración del Al2O3, y la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados.

En la parte experimental se utilizó un colector solar de tubos evacuados, se preparó y experimentó con una mezcla de 100 L de agua-Al2O3 con un pH de 4. El diseño experimental de la investigación es factorial 3² x 2, dos factores con tres niveles y dos réplicas.

Los niveles de la variable tamaño de partícula de Al2O3 son 5 μm, 3μm y 20 nm; y de la concentración de Al2O3 son: 0,10%; 0,15% y 0,20%. En total se realizaron 21 experimentaciones (uno por día), para comparar y tener como referencia, se experimentó durante 3 días sólo con agua potable. En cada experimento, la mezcla agua-Al2O3 a diferentes concentraciones y tamaño de partícula, se alimentó al colector solar y durante 5 horas, se registró la radiación solar y temperatura del agua del tanque de almacenamiento utilizando un sistema de recolección de datos, en intervalos de 30 y 10 s, respectivamente.

A partir de los resultados, se concluye que con el tamaño de partícula de 5 y 3 µm no incrementan significativamente la eficiencia, pero para 20 nm la eficiencia incrementa de 39,24% a 45,61% respecto a sólo agua potable y la mezcla con Al₂O₃ de 20 nm.

vi

INTRODUCCIÓN

De un estudio de propiedades térmicas se desprende claramente que el fluido conveccional de transferencia de calor, tal como agua, etilenglicol y aceite, posee una baja conductividad térmica en comparación con los metales sólidos. En vista de la cuestión anterior, se han dedicado muchas investigaciones para mejorar las propiedades de transporte térmico de los fluidos. Una de las técnicas posibles para mejorar la transferencia de calor es la adición de partículas de tamaño milimétrico o micrométrico en los fluidos.

La nanotecnología es la ciencia que permite estudiar la materia a nivel de átomo y molécula (tamaños inferiores a 100 nm). Aquí es donde aparecen las nanopartículas que pueden llevar a cambiar las propiedades de forma sorprendente, por ello son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como: biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica o agricultura.

Un nanofluido es una mezcla de una nanopartícula que puede ser cobre, aluminio, plata y óxidos, entre otros; y un fluido anfitrión como el agua, aceite o etilenglicol. Si se utiliza un nanofluido (calor portador) en un colector solar, considerando que sus propiedades térmicas (densidad, calor específico, conductividad térmica y viscosidad) dependen del tamaño de las partículas suspendidas, forma y concentración, su eficiencia energética mejoraría considerablemente porque depende de los coeficientes convectivos de transferencia de calor. Por lo que, se determinó la influencia del tamaño de partícula y concentración del Al2O3 en la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados por termosifón.

El trabajo de investigación se dividió en 3 capítulos, en el primer capítulo se detalla la revisión bibliográfica realizada donde se presenta los antecedentes de la investigación, bases teóricas y conceptuales; el segundo capítulo involucra la parte experimental y en el tercer capítulo se presenta el tratamiento de datos y discusión de resultados. Finalmente, se detallan las conclusiones y recomendaciones.

vii OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:

 Evaluar la influencia que tienen el tamaño de partícula y concentración delAl2O3 en la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

 Determinar el tamaño de partícula y concentración del Al2O3 para una mayor eficiencia de un colector solar de tubos evacuados.

 Determinar la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados que utiliza una mezcla de Al2O3.

 Establecer la relación que existe entre el tamaño de partícula y concentración del Al2O3

y la eficiencia de un colector solar de tubos evacuados.

viii SIMBOLOGÍA

Notación Descripción

q Rapidez de transferencia de calor (W)

k Conductividad térmica del material de la pared (W/m.°C) A Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

x T



 Gradiente de temperatura en dirección del flujo de calor(°C/m) h Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m².ºC) Tw Temperatura de la superficie del cuerpo (ºC)

T Temperatura del fluido que rodea el cuerpo (ºC) Eb Potencia emisiva de un cuerpo negro (W/m²)

σ Constante de Stefan-Boltzmann (W/m².K⁴) Ts Temperatura de la superficie (K)

E Potencia emisiva de una superficie real (W/m²) ε Emisividad (adimensional)

Gabs Radiación absorbida (W/m²) α Absortividad (adimensional)

G Radiación total que incide sobre el cuerpo (W/m²)

qrad Velocidad neta de transferencia de calor por radiación(W/m²) Talr Temperatura de los alrededores (K)

T1 Temperatura de superficie pequeña (K)

T2 Temperatura de superficie isotérmica más grande (K) hr Coeficiente de transferencia de calor por radiación

f o

m Flujo másico del fluido del colector solar (kg/s) Cpf Calor específico del fluido del colector solar (J/kg.K)

Tfi Temperatura de entrada del fluido (ºC o K) Tf o Temperatura de salida del fluido (ºC o K)

tr Instante de salida del Sol (s) ts Instante de puesta del Sol (s)

v Fracción en volumen de las nanopartículas

w Fracción en peso de las partículas

ix

ρf Densidad del fluido (g/cm³) ρp Densidad de las partículas (g/cm³)

Cp.p Calor específico de las partículas (J/kg.ºC) Cp.f Calor específico del fluido (J/kg.ºC)

RS Radiación solar (W/m²)

RSH Radiación solar que incide en la horizontal (W/m²)

RSCS Radiación solar que incide en la superficie del colector solar (W/m²) Ta Temperatura del agua promedio del tanque de almacenamiento (ºC o K)

S Condición de la radiación solar de un día soleado o claro N Condición de la radiación solar de un día nublado

PN Condición de la radiación solar de un día parcialmente nublado RSHa Radiación solar acumulada que incide en la horizontal (MJ)

RSCSa Radiación solar acumulada que incide en la superficie del colector solar (MJ) Qa Calor sensible ganado por la mezcla agua-Al2O3 del colector solar (MJ) ηRSH Eficiencia del colector solar de tubos evacuados respecto a radiación solar

que incide en la horizontal (%)

ηRSCS Eficiencia del colector solar de tubos evacuados respecto a radiación solar que incide en la superficie del colector solar (%)

Tfa La temperatura final del agua de la parte superior del tanque de almacenamiento (ºC o K)

x ÍNDICE

ASESOR ... ii

DEDICATORIA ... iii

AGRADECIMIENTO ... iv

RESÚMEN ... v

INTRODUCCIÓN ... vi

OBJETIVOS ... vii

SIMBOLOGÍA ... viii

ÍNDICE ... x

ÍNDICE DE TABLAS ... xiii

ÍNDICE DE FIGURAS ... xiii

ÍNDICE DE GRAFICAS ... xiv

ÍNDICE DE FOTOGRAFIAS ... xiv

1.1 Antecedentes 15 1.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 16 1.2.1 Radiación solar. ... 16

a) Origen. ... 16

b) Características. ... 17

c) Tipos de la radiación solar. ... 17

d) Aprovechamiento de la energía solar. ... 18

e) Radiación solar en el Perú. ... 20

1.2.2 Modos de Transferencia de Calor ... 24

a) Ley de Fourier-Conducción. ... 24

b) Ley de Newton-Convección. ... 25

c) Ley de Stefan-Boltzmann-Radiación. ... 26

1.2.3 Principales técnicas de conversión de la radiación solar a térmica... 28

a) Circulación natural (termosifón). ... 28

b) Circulación forzada. ... 29

1.2.4 Colectores solares. ... 29

a) Clasificación de los colectores solares. ... 30

1.2.5 Colector solar de tubos evacuados. ... 31

a) Parámetros de un colector de tubos evacuados. ... 35

b) Flujo de circulación natural... 36

c) Descripción del colector solar de tubos evacuados. ... 37

xi

d) Tipos de flujo de termosifón. ... 38

1.2.6 Ángulo de inclinación. ... 39

1.2.7 Nanotecnología. ... 42

a) Definición. ... 42

b) Características. ... 42

c) Aplicaciones. ... 43

1.2.8 Nanopartícula. ... 44

a) Clasificación. ... 45

1.2.9 Nanofluidos. ... 46

a) Origen. ... 46

b) Materiales. ... 48

c) Propiedades. ... 48

d) Dispersión de nanopartículas en líquidos. ... 57

e) Aplicación de nanofluidos para sistemas de intercambio térmico. ... 57

f) Ventajas e inconvenientes de los nanofluidos... 58

g) Desafíos y posibilidades de estudios futuros. ... 60

1.2.10 Instrumentos de medición de radiación solar. ... 61

a) Pirheliómetros ... 62

b) Piranómetros ... 63

1.3 Bases conceptuales 64 2.1 Materiales 66 2.2 Reactivos 66 2.3 Equipos e instrumentos 66 2.4 Procedimiento 66 2.5 Diseño de Investigación. 69 3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 71 3.1.1 Aspectos descriptivos de las variables. ... 71

3.1.2 Estimaciones. ... 75

3.2 Proceso de la prueba de hipótesis 80

3.3 Discusión de resultados 85

CONCLUSIONES 87

RECOMENDACIONES 88

BIBLIOGRAFÍA 89

ANEXOS 96

xii

Anexo A: Fotografías ... 97 Anexo B: Calibración del sensor de radiación solar... 104 Anexo C: Hoja de datos de seguridad del material (MSDS) ... 105

xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Heliofanía promedio del Valle del Mantaro (horas Sol/día) 22 Tabla 2. Promedio anual de la irradiación solar diaria en el Perú 23 Tabla 3. Clasificación de los colectores solares de acuerdo al grado de concentración 30 Tabla 4. Características de colector solar de tubos evacuados 68

Tabla 5. Niveles de las variables 69

Tabla 6. Diseño Experimental 69

Tabla 7. Experimentaciones en el colector solar de tubos evacuados 70 Tabla 8. Promedios de las mediciones y principales estadísticos descriptivos respecto a la

temperatura de salida del agua 74

Tabla 9. Estimaciones de radiación solar acumulada, calor ganado y eficiencia 76 Tabla 10. Promedios de las mediciones o estimaciones, considerando el tamaño de partícula

y concentración de Al2O3 79

Tabla 11. Promedios de las mediciones o estimaciones para cada tamaño de partícula de

Al2O3 80

Tabla 12. Resultados de las experimentaciones 80

Tabla 13. Pruebas de normalidad respecto al tamaño de partícula 81 Tabla 14. Pruebas de normalidad respecto a la concentración de la partícula 81 Tabla 15. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tamaño de partícula 82 Tabla 16. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la concentración de la partícula

82

Tabla 17. Pruebas de efectos inter-sujetos 83

Tabla 18. Comparaciones múltiples respecto al tamaño de partícula 83 Tabla 19. Comparaciones múltiples respecto a la concentración de la partícula 84

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía. 19 Figura 2. Esquema de la circulación natural y circulación forzada. 29 Figura 3. Clasificación de los colectores solares en función del número de cubiertas. 30

Figura 4. Equipamiento del colector solar. 31

Figura 5. Clasificación de un colector de tubos evacuados. 32

Figura 6. Tubo de vidrio de borosilicato. 35

Figura 7. Flujo de circulación natural de un calentador solar de agua de tubos evacuados. 37 Figura 8. Principio de operación de calentadores solares de agua de tubos evacuados: (a) Termosifón abierto de simple fase y (b) Termosifón cerrado de doble fase. 39

xiv

Figura 9. Estructura de un Pirheliómetro. 63

Figura 10. Esquema de un piranómetro. 63

Figura 11. Piranómetros con distintos dispositivos de sombra para medida de la radiación

difusa. 64

Figura 12. Regresión de los datos del sensor de radiación solar. 104

ÍNDICE DE GRAFICAS

Gráfica 1. Mediciones de la experimentación del día 07/12/2016 (Nº 1). 71 Gráfica 2. Mediciones de la experimentación del día 14/12/2016 (Nº 4). 72 Gráfica 3. Mediciones de la experimentación del día 23/12/2016 (Nº 12). 72 Gráfica 4. Mediciones de la experimentación del día 06/01/2017 (Nº 20). 73 Gráfica 5. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 07/12/2016 (1). 75 Gráfica 6. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 14/12/2016 (4). 77 Gráfica 7. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 23/12/2016 (12). 77 Gráfica 8. Temperatura final del agua y energía acumulada para el día 06/01/2017 (20). 78

ÍNDICE DE FOTOGRAFIAS

Fotografía 1. Sistema: colector solar de tubos evacuados, tanque de almacenamiento y tanque

asistente. 97

Fotografía 2. Preparación de la mezcla: Agua-Al2O3 con un pH 4. 97 Fotografía 3. Registro de datos de temperaturas y radiación solar. 98 Fotografía 4. Descarga de la mezcla al finalizar el experimento 99

Fotografía 5. Multitester 99

Fotografía 6. Solarímetro SL 100 100

Fotografía 7. Recolector de datos y sensores de temperaturas 101

Fotografía 8. Sensor de radiación solar 101

Fotografía 9. Óxido de Aluminio de tamaño de partícula de 3μm. 102 Fotografía 10. Óxido de Aluminio de tamaño de partícula de 5μm. 102 Fotografía 11. Óxido de Aluminio de tamaño de partícula de 20 nm. 103

15 CAPITULO I

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 Antecedentes

Said, Saidur, Sabiha, Hepbasli & Rahim (2016) destacaron la aplicación e importancia en la comunidad científica de los nanofluidos en el incremento del rendimiento térmico de un colector solar de placa plana tradicional. Evaluaron experimentalmente la mezcla agua y Al2O3, como fluido de trabajo y su efecto en las eficiencias de energía y exergía en este colector. Utilizaron concentraciones expresadas en fracción de volumen de 0,1% y 0,3%, con un tamaño de nanopartículas de 13 nm. También en la investigación se evaluó el efecto del flujo másico de la mezcla con nanopartículas y el efecto del pH en la eficiencia de energía y exergía del colector. Los experimentos se realizaron utilizando un nanofluido estable, para ello controlaron el pH de la mezcla durante 30 días. Los flujos másicos del nanofluido variaron de 0,5 a 1,5 kg/min. Los resultados indican que la presencia del nanofluido incrementa la eficiencia de energía en un 83,5% para 0,3% v/v y 1,5 kg/min, mientras que la eficiencia de exergía se incrementó hasta en un 20,3% para 0,1% v/v y 1 kg/min. Respecto a la estabilidad, fue mayor a un mes. La mejora la conductividad térmica, obtenida por KD2 Pro, es directamente proporcional al porcentaje en volumen y sobretensiones hasta 6,8% con 0,3%

v/v de Al2O3. De acuerdo con ello, dado el funcionamiento cambiante y las condiciones atmosféricas que pueden ocurrir en la práctica, la probabilidad de obtener resultados diferentes hay que tenerlas en cuenta, con el fin de determinar el efecto de las variables alteradas en la eficiencia del colector y de los parámetros característicos del colector solar.

Guerra (2012) investigó los rendimientos térmicos de un sistema que se compone de un intercambiador de calor y de un colector solar, utilizando un nanofluido como fluido de trabajo. El nanofluido que utilizó fue la mezcla de Al2O3 y agua con nanopartículas de 5 nm al 0,5%.En esta investigación se realizaron tres experimentos, el primero fue el estudio de la conductividad térmica del nanofluido producido, en el segundo construyó un intercambiador de calor de tubo y coraza para estudiar la transferencia de calor con agua y el nanofluido y, en el último experimento, se determinó la eficiencia de un colector solar (marca Green One Tec Modelo FK8231) bajo las condiciones climáticas de la ciudad de Monterrey, Nuevo León (México) utilizando el nanofluido. De los resultados, demostró un aumento en la conductividad térmica del nanofluido del 1,53% y de las características térmicas del mismo.

En el intercambiador de calor obtuvo incrementos de calor, del parámetro UA, de ε y NTU de 4,01%; 15,55%; 6,59% y 10,23%, respectivamente. Finalmente, el incremento que alcanzó la

16

eficiencia del colector solar con el nanofluido fue de 5,4%; respecto a la eficiencia alcanzada con el agua. Concluye mencionando que en el intercambiador de calor se obtuvieron valores de calor, del parámetro UA, de ε y NTU para las dos líneas del sistema (fría y caliente), agua y nanofluido, con un aumento en UA del 4,01%, en UA del 15,55%, de ε en 6,59% y NTU en 10,23%; por lo que demostró el aumento en la transferencia de calor utilizando el nanofluido.

Said, Saidur & Rahim (2016) evaluaron experimentalmente el rendimiento térmico de un colector solar de placa plana utilizando como fluido de trabajo la mezcla de agua desionizada y una nanopartícula de Al2O3 con diferentes tamaños. Utilizaron una fracción de volumen del 0,1% para el tamaño de las nanopartículas de 13 nm y 20 nm, con flujos de masa del nanofluido que variaron de 0,5 a 1,5 kg/min. Para los experimentos utilizaron un nanofluido estable, la que lograron controlando el pH de la mezcla con ácido clorhídrico (37%). Para reducir la agregación y mejorar el comportamiento de dispersión de las nanopartículas de Al2O3

suspendidas en el fluido base, se empleó una solución de control de pH y homogeneizador de alta presión. La tendencia del comportamiento del nanofluido es que cuanto más pequeño es la partícula sumergida en el fluido, la conductividad térmica se incrementa favorablemente, lo que implica una mayor transferencia de calor. De los resultados, con el nanofluido Al2O3-H2O de 13 nm, fracción volumétrica de 0,1% y una velocidad de flujo de 1,5 kg/min lograron la mayor eficiencia energética del 73,7%, en comparación con el nanofluido Al2O3-H2O de 20 nm, que mostró una eficiencia energética del 70,7%. Y la mejor estabilidad de la mezcla fue a un pH 4. Estos hallazgos encaminan una mayor optimización del colector solar de placa plana utilizando nanofluidos estables con tamaños más pequeños y serían útiles para el desarrollo de sistemas de calefacción de agua solar eficientes energéticamente.

1.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 1.2.1 Radiación solar.

a) Origen.

El Sol es una esfera que está formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente hidrógeno, tiene un diámetro de 1391000 km, una de las más de 135000 millones de estrellas de la Vía Láctea. (Tecnologías Asociadas, 2006)

La radiación solar tiene su origen en el Sol, que es un inmenso reactor de fusión termonuclear que quema cada segundo 6×10⁸ TM de hidrógeno a 2×10⁷ K. La radiación que emite tarda algo más de 8 minutos en alcanzar nuestro planeta, a razón de 3×10⁵ km/s. De la radiación solar sólo llega un 51,6% a la superficie de la tierra. Los restantes

17

48,4% se pierde como reflexión (31%) y absorción (17,4%) en la capa de aire. La intensidad del Sol se mide en kW/m²o por MJ/m². (Larrea & Bayas, 2011, pág. 2)

“La energía emitida por el Sol proviene, de una serie de reacciones termonucleares y exotérmicas. La superficie del Sol se encuentra a una temperatura efectiva de 5762 K;

la temperatura en el interior se estima entre 8 y 40 millones de K” (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003).

b) Características.

La energía solar presenta dos características especiales muy importantes que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia.

 Dispersión: En condiciones favorables, la densidad de la energía del Sol es alrededor de 1000 W/m², un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que, para obtener densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de concentración de los rayos solares.

 Intermitencia: La energía solar no es continua, lo cual hace necesario sistemas de almacenamiento. (Guzmán, 2009, pág. 8)

Deben considerarse dos fuentes de variación de la radiación extraterrestre. La primera es la variación en la radiación emitida por el Sol. Hay reportes contradictorios en la literatura sobre las variaciones periódicas intrínsecas de la radiación solar. Se ha sugerido que hay variaciones pequeñas (menor a ±1.5%) con diferentes periodicidades y variaciones relacionadas a las manchas solares. Las mediciones de los satélites Nimbus y Mariner de diferentes periodos y meses muestran variaciones dentro de los límites de

±0.2% en los instantes cuando la actividad de las manchas solares fue muy baja. La información de Hickey et al. (1982) de 2,5 años del satélite Nimbus 7 sugieren que la constante solar disminuye mínimamente, en una razón aproximada de 0,02% por año.

Para propósitos de ingeniería, en vista de la incertidumbre y variabilidad de la transmisión atmosférica, la energía emitida por el Sol puede considerarse constante. La segunda es la variación de la distancia de la tierra al Sol, sin embargo, genera una variación del flujo de la radiación extraterrestre en el rango de ±3,3%. (Duffie &

Beckman, 2006, págs. 7-8) c) Tipos de la radiación solar.

Hay diferentes tipos y terminologías de la radiación solar, en función de las transformaciones que sufre al incidir en la atmósfera terrestre, y son los siguientes:

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 Radiación directa: Se recibe directamente del Sol. Para medir la radiación directa se utilizan los términos de irradiancia, rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie (W/m²), e irradiación, cantidad de energía radiante por unidad de área (J/m²). Estos valores dependen del clima y de las condiciones meteorológicas, de la altura sobre el nivel del mar y de la horizontalidad de la superficie colectora, entre otras cosas.

 Radiación difusa: Se recibe del Sol después de ser desviada por dispersión atmosférica.

 Radiación reflejada o terrestre: Proviene del reflejo de objetos terrestres.

 Radiación total: Es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada.

 Radiación global: Es la suma de las radiaciones directa y difusa. Esta radiación se utiliza para el cálculo de colectores solares. (Loayza, 2012).

d) Aprovechamiento de la energía solar.

La situación enérgica cada año es más aguda. Con el aumento de la fabricación, incrementa la necesidad de calor, así como para la energía eléctrica. Es bien conocido que una gran cantidad de la energía total consumida se produce por combustión de varios combustibles fósiles: sólido, líquido y gaseoso. Los combustibles fósiles conocidos son caros y su combustión contamina la atmósfera. Estas son las razones por las que las fuentes de energía alternativas son cada vez más atractivas, la solución de este problema se enfoca en la utilización de fuentes de energía alternativa como: biomasa, biogás, energía hidráulica, energía eólica, geotérmica y radiación solar. Se utiliza ampliamente en todo el mundo la radiación solar para el calentamiento de agua. En Letonia es aproximadamente 1800 horas de Sol al año que no se utiliza energía solar para calentar agua. También los dispositivos solares que son posibles de utilizar para el eficiente calentamiento del agua en condiciones climáticas de Letonia son demasiado caros. Una gran cantidad de construcciones de dispositivos solares en todo el mundo son conocidas y cada uno de ellos es eficiente en algunos lugares específicos a las condiciones meteorológicas.

La crisis energética es predominante debido a que las fuentes convencionales de energía como combustibles fósiles se agotan en una velocidad más acelerada. También, el uso de estos combustibles, afecta negativamente nuestro ambiente dando como resultado el calentamiento global, reducción drástica de la capa de ozono, lluvias ácidas, etc. Por lo

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tanto, hay una necesidad de enfocarnos en otras fuentes de energías no convencionales y renovables. (Vendan, Shunmuganathan, Manojkumar, & Shiva, 2012, pág. 539).

“La energía solar puede ser reconocida como una de las fuentes aplicación sobre de energía renovables más prometedoras (…). Junto con otras formas de fuentes renovables de energía (eólica, geotérmica, biomasa y por ondas del mar), tienen un gran potencial para una amplia variedad de aplicaciones por su abundancia y accesibilidad” (Skeiker, 2009, pág. 2439).

Actualmente, la energía renovable es considerada como la clave para un futuro energético sostenible. Puede tener un impacto beneficioso en los temas ambientales, económicos y políticos del mundo. El aumento del precio del combustible fósil (sólido, líquido o gaseoso), el cambio climático, los impactos ambientales adversos (en resumen el respeto de los acuerdos de Kyoto) hace la exploración de una manera sostenible para utilizar la energía más importante que nunca. (Dagdougui, Ouammi, Robba, & Sacile, 2011, pág. 631)

Soteris (como se citó en Dagdougui, Ouammi, Robba, &Sacile, 2011) plantea que los beneficios derivados de la instalación y operación de sistemas de energías renovables se pueden clasificar en tres categorías: ahorro de energía, generación de nuevos puestos de trabajo, y disminución de la contaminación ambiental.

Figura 1. Conversión de la radiación solar en otras formas de energía.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 22)

También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones de la energía solar es la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más radiación solar incide sobre la Tierra. En efecto, para obtener frío hace falta disponer de un “foco cálido”, el cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.

Energía solar

Energía química Energía eléctrica Energía mecánica Energía térmica

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Las aplicaciones agrícolas son muy amplias, con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secadores agrícolas consumen mucho menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las celdas fotovoltaicas también juegan un papel muy importante, generando energía eléctrica que puede utilizarse para bombeo de agua, para el ganado o para las cosechas.

La industria ha entendido la necesidad mundial de contaminar menos y al mismo tiempo de evaluar tecnologías alternas para el ahorro de energía. La industria solar ha estado por mucho tiempo a la saga de otras fuentes de energía, pero cada vez es más visible el avance de los proyectos construidos que utilizan la energía solar ya sea para calentar agua u obtener energía eléctrica.

Desde hace algún tiempo, en los países del mundo se instalan y operan económicamente las centrales solares térmicas en el rango de megavatios. Pero la explotación de la energía solar es también para aplicaciones que varían específicamente según la demanda: como calefacción de invernaderos y establos, secado de productos agrícolas, instalaciones fotovoltaicas para la generación de corriente sin depender de la red, operación de máquinas frigoríficas de alto rendimiento, climatización y abastecimiento de vapor en lavanderías o empresas industriales. (Peña, 2007, págs. 14-15)

e) Radiación solar en el Perú.

Perú está considerado entre los seis países con mayor incidencia de energía solar en el planeta. Al encontrarse entre el paralelo 0º 08’ latitud norte y 18º 13’ latitud sur, dentro de los trópicos, dispone de energía solar con poca variación anual, en comparación con las latitudes medias y altas. Los valores extremos de radiación solar, son en promedio de 1340 y 1350 W/m² durante los meses de verano e invierno, respectivamente; esto es ignorando la presencia de la capa atmosférica. Esta poca variación se atribuye al hecho que en estas latitudes los rayos solares son casi perpendiculares a la superficie terrestre durante todo el año, dando lugar a una máxima incidencia de la radiación solar por unidad de área y tiempo.

La presencia de la atmósfera reduce considerablemente la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra, puesto que la atmósfera, en función a sus constituyentes gaseosos y aerosoles presentes en ella, tiene la capacidad de absorber, dispersar y reflejar la radiación solar. La cantidad de radiación transmitida por la atmósfera es menor si

21

mayor es la concentración de ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y aerosoles en la atmósfera. La concentración y cantidad de los tres últimos disminuye con la altitud, por esta razón en el Perú, debido a su orografía la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la sierra peruana. Esta región se encuentra principalmente entre los 2000 y 3000 m de altitud y ocupan un 30% del territorio nacional. En las zonas de mayor altitud; como la meseta Titicaca y las Pampas de Junín, la radiación incidente es mucho mayor.

La intensidad y cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie es también controlada por la clase y cantidad de nubes presentes durante el día, y aquellas predominantes durante el año. En la costa peruana, específicamente en Pisco-Ica y costa norte, el cielo está despejado casi todo el año permitiendo una mayor incidencia de radiación solar. En el resto de la costa baja, la radiación solar incidente aumenta de invierno a verano por efectos estacionales y la disminución de la nubosidad. En la sierra y ceja de selva, la nubosidad es mínima o nula en el invierno y la cantidad de vapor de agua es muy pequeña. Las nubes predominantes en la sierra y selva son de corta vida durante el verano, lo cual no disminuye mucho la radiación incidente sobre la superficie.

(Ministerio de Energía y Minas, 2003)

22 Tabla 1

Heliofanía promedio del Valle del Mantaro (horas Sol/día)

Año Mes

Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. Prom.

2000 5,9 4,8 5,2 5,7 5,9 6,3 6,3 5,2 4,4 5,5 4,2 5,4 5,4 2001 4,9 2,7 4,5 4,9 5,1 5,0 4,9 5,0 5,0 5,7 6,7 7,9 5,2 2002 5,2 2,9 4,3 4,8 4,4 4,6 5,7 5,0 3,4 5,0 6,7 4,7 4,7 2003 4,9 4,2 3,8 4,7 4,5 5,2 6,0 4,7 3,8 6,6 7,6 6,5 5,2 2004 5,4 5,5 4,2 4,7 5,2 6,8 3,1 2,7 4,3 7,1 5,5 6,1 5,1 2005 6,3 4,8 3,6 4,6 3,8 3,4 4,2 4,8 4,7 3,8 2,6 2,9 4,1 2006 3,8 3,3 2,3 3,1 1,8 1,5 5,0 2,6 1,7 5,3 5,3 4,7 3,4 2007 8,1 4,8 3,4 4,2 4,9 5,5 5,5 6,3 4,5 5,2 5,3 6,1 5,3 2008 6,7 4,4 3,2 5,9 4,9 5,4 7,2 5,2 5,5 3,8 7,6 3,1 5,2 2009 4,8 6,7 4,3 3,9 6,7 5,5 5,3 4,2 4,1 5,7 5,2 4,2 5,0 2010 3,2 6,2 3,8 3,8 5,3 3,7 7,0 5,2 3,1 4,4 5,0 4,5 4,6 Prom. 5,4 4,6 3,9 4,6 4,8 4,8 5,5 4,6 4,0 5,3 5,6 5,1 4,8

Fuente: Senamhi

23 Tabla 2

Promedio anual de la irradiación solar diaria en el Perú

Departamento Provincia Distrito Latitud Longitud Altitud msnm

Irradiación kWh/m²día

Ica Ica Manrique 13,7 76,0 400 4,52

Ica Ica Ica 14,0 75,7 390 4,89

Ica Nazca Hda. Mayor 14,6 75,0 410 5,02

Ica Nazca Marcona 15,1 75,0 620 4,94

Arequipa Cailloma Sibayo 15,5 71,5 3847 4,94

Arequipa Arequipa Arequipa 16,3 71,5 2350 5,31

Arequipa Arequipa Characato 16,4 71,5 2451 5,32

Moquegua Mscal. Nieto Moquegua 17,2 70,8 1412 5,36

Tacna Tarata Paucarani 17,5 69,8 4541 5,41

Tacna Tacna Calana 17,9 70,2 675 4,99

Cajamarca Cajamarca Cajamarca 7,1 78,5 2640 4,47

Huánuco Leoncio Prado Tingo María 9,1 76,0 640 4,02

Huánuco Huánuco Huánuco 9,9 76,2 1895 4,52

Junín Chanchamayo Humaya 11,1 77,0 -1,0 4,65

Junín Chanchamayo San Ramón 11,1 75,3 800 3,98

Junín Huancayo Huachac 12,0 75,6 3350 4,87

Huancavelica Castrovirreyna Aconcocha 13,1 75,2 4520 4,58

Ayacucho Huamanga Ayacucho 13,2 74,2 2760 4,89

Apurímac Abancay Abancay 13,6 72,9 2376 4,89

Cusco La Convención Santa Ana 12,9 72,7 920 4,01

Cusco Cusco San Jerónimo 13,6 71,9 3220 4,69

Puno Puno Puno 15,8 70,0 3875 5,19

Amazonas Bagua Cenepa 5,1 78,4 240 2,89

Loreto Maynas Iquitos 3,8 73,3 125 3,73

Ucayali Atalaya YuracYurac 9,0 75,0 -1 3,14

Madre de Dios Tahuamanu Iberia 11,4 69,6 350 3,68

Fuente: (Ministerio de Energía y Minas, 2003)

Por convención internacional, las latitudes del hemisferio sur, austral o meridional se consideran negativas. Perú se extiende desde la latitud más septentrional o más al norte

24

de 0º 01’ 48’’ S (Talweg del río Putumayo al norte de la confluencia de los ríos Güepi y Putumayo en la frontera con Colombia, provincia de Maynas, departamento de Loreto), hasta la latitud más meridional o más al sur de 18º 21’ 03’’ S (hito Nº 1 de la Concordia, frontera con Chile, a la orilla del mar, inmediatamente al sur del paraje llamado Pascana de Hueso, provincia de Tacna, departamento de Tacna).

La segunda y última coordenada necesaria para definir la ubicación de una localidad sobre la superficie de la Tierra es la longitud, que es la medida del meridiano terrestre en que se encuentra un lugar específico. Perú se extiende desde la localidad más oriental o más al este en la longitud 68º 39’ 27’’ O (confluencia de los ríos Heath y Madre de Dios, provincia de Tambopata, departamento de Madre de Dios), hasta la localidad más occidental o más al oeste en la longitud 81º 19’ 34’’ O (Punta Pariñas o Balcones, provincia de Talara, departamento de Piura).

También recordemos que existen definidos 24 meridianos alrededor de la Tierra, empezando a contarse de Greenwich (barrio de Londres). El tiempo registrado para medianoche en el meridiano de Greenwich se conoce como el tiempo civil o estándar de Greenwich, TCG o tiempo universal, y sabemos que este tiempo se expresa en la escala de una hora desde 0 hasta 24. Así, las 0 horas es la medianoche, y las 12 horas es el mediodía. Cada uno de los meridianos se traza a cada 15º siendo así que el Sol tarda 1 hora en pasar cada uno de ellos. Se definen los husos horarios de la Tierra coincidentes con estas divisiones, al Oeste del huso horario de Greenwich está el primer huso horario oeste con tiempo internacional de 1 hora menos que Greenwich. Perú se encuentra en el quinto huso horario oficial, es decir, a cinco husos que equivale a 75º al oeste de Greenwich o a 5 horas atrás del tiempo de Greenwich. (Universidad Pontificia Católica del Perú, 2003)

1.2.2 Modos de Transferencia de Calor a) Ley de Fourier-Conducción.

Ley de Fourier predice como se conduce el calor a través de un medio, partiendo de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura.

“Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, hay una transferencia de energía desde la región de alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura” (Holman, 1999, pág. 1).

25

x T A q



 (1)

Cuando se introduce la constante de proporcionalidad k:

x kA T

q 

 

 (2)

Donde:

q = Rapidez de transferencia de calor (W)

k = Conductividad térmica del material de la pared (W/m°C) A = Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

x T



 = Gradiente de temperatura en dirección del flujo de calor(°C/m)

El signo menos se inserta para que satisfaga el segundo principio de la termodinámica, es decir, el calor deberá fluir hacia abajo en la escala de temperatura.

b) Ley de Newton-Convección.

Se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión, conductivo), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de energía. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. (Incropera & De Witt, 1999, págs.

5-6)

Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de enfriamiento de Newton.





hAT T

q _w (3)

Donde:

q = Rapidez de transferencia de calor (W)

h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m².ºC) A = Área de la pared normal al flujo de calor (m²)

Tw = Temperatura de la superficie del cuerpo (ºC)

T = Temperatura del fluido que rodea el cuerpo (ºC)

26 c) Ley de Stefan-Boltzmann-Radiación.

La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita (…), la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas. (Incropera & De Witt, 1999, págs. 8-9)

“En los mecanismos de conducción y convección la transferencia de energía involucra un medio material, también el calor se puede transferir a través de zonas en las que exista un vacío perfecto” (Holman, 1999, pág. 9).

La energía que emiten las superficies se origina a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie, y la velocidad a la que libera energía por unidad de área se denomina potencia emisiva superficial. Hay un límite superior para la potencia emisiva, que es establecida por la ley de Stefan-Boltzmann.

4 s

b T

E σ (4)

Donde:

Eb = Potencia emisiva de un cuerpo negro (W/m²) σ ₌ Constante de Stefan-Boltzmann (W/m²K⁴)

Ts = Temperatura de la superficie (K) Dicha superficie se llama radiador ideal o cuerpo negro.

El flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dado por:

4

Ts

Eεσ (5)

Donde:

E = Potencia emisiva de una superficie real (W/m²) ε = Emisividad (adimensional)

La emisividad varía entre 0 y 1, es una medida de la eficiencia con que una superficie emite energía en relación con un cuerpo negro.

La velocidad con la que la radiación incide sobre un área unitaria de la superficie se denomina irradiación.

La velocidad a la que la energía radiante es absorbida por área superficial unitaria se evalúa a partir de una propiedad denominada absortividad, varía entre 0 y 1.

G

G_abs α (6)

Donde:

27

Gabs

= Radiación absorbida (W/m²) α = Absortividad (adimensional)

G = Radiación total que incide sobre el cuerpo (W/m²)

“Si la absortividad es menor a 1, la superficie es opaca, partes de la irradiación se reflejan. Si la superficie es semitransparente, partes de la irradiación se transmiten. Sin embargo, mientras la radiación absorbida y emitida aumenta y disminuye, respectivamente, la energía térmica de la materia, la radiación reflejada y transmitida no tiene ningún efecto sobre esta energía” (Incropera & De Witt, 1999, pág. 9).

Cuando existe intercambio de radiación entre una superficie pequeña y una superficie isotérmica más grande que rodea a la pequeña y se supone que la superficie es tal que: α (superficie gris), la velocidad neta de transferencia de calor por radiación es:

  



4 1 4

alr 4 s s

b

rad E T G T T T T

q ε α εσ  εσ  (7)

Donde:

qrad = Velocidad neta de transferencia de calor por radiación(W/m²)

Talr = Temperatura de los alrededores (K)

T1 = Temperatura de superficie pequeña (K)

T2 = Temperatura de superficie isotérmica más grande (K) Hay diversas aplicaciones que es conveniente expresar la radiación como:





r

rad hAT T

q   (8)

  



2 1 2 1

r T T T T

h εσ   (9)

Donde:

A = Área de transferencia de calor (m²)

hr = Coeficiente de transferencia de calor por radiación

La ley de Kirchhoff establece que en el equilibrio térmico de un cuerpo (a una misma temperatura): α=ε. Cuando un cuerpo no está en equilibrio con sus alrededores, el resultado no es válido.

28

1.2.3 Principales técnicas de conversión de la radiación solar a térmica.

Los colectores solares y componentes del almacenamiento de energía térmica son los dos subsistemas elementales en las aplicaciones solares térmicas. Los colectores solares necesitan tener un buen rendimiento óptico (absorber el calor posible), aún los subsistemas de almacenamiento térmicos requieren alta densidad de almacenamiento térmico (volumen pequeño y costo de construcción bajo), velocidad de transferencia de calor excelente (absorber el calor y transferir a la velocidad requerida) y una buena durabilidad de largo tiempo. (Tian & Zhao, 2013, pág. 538)

Existen varias tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar, pero las principales son:

a) Circulación natural (termosifón).

No hay elementos en el sistema del tipo electromecánico, la razón de la circulación natural es directamente la energía solar.

El sistema solar con termosifón, o el sistema solar de calentamiento de agua con circulación natural, es lo más interesante, es la tecnología más simple y extendida destinada para aprovechar la energía solar. Su eficiencia notable se complementa con la simplicidad en su diseño, su autonomía en su operación y su minimización de mantenimiento, por lo que representa una alternativa interesante para cualquier. (Koffi, Andoh, Gbaha, Touré, & Ado, 2008, pág. 2279)

Un calentador solar de agua con termosifón típico consiste de un colector y un tanque de almacenamiento conectado por un tubo de salida y una de retorno. El tanque de almacenamiento se instala por encima del colector para permitir la circulación natural durante el día y prevenir la circulación inversa por la noche. El flujo del termosifón en el circuito del colector se produce por la diferencia del peso entre la columna del fluido caliente en el tubo de retorno y los tubos del colector y la columna del fluido frío en el tubo de salida. La razón del flujo de circulación alrededor del circuito del colector es influenciada por la radiación solar incidente instantánea, temperatura del fluido y la configuración del colector, o sea la disposición de los tubos y la distancia entre el tanque y el colector. (Budihardjo & Morrison, 2009, págs. 50-51)

Los calentadores solares de agua doméstico (DSWH) con termosifón con colectores de tubos evacuados han sido ampliamente instalados en edificios residenciales y oficinas y para calentamiento de agua y calefacción debido a su funcionamiento confiable, bajo costo, mínimo mantenimiento y facilidad de integrar en la fachada de los edificios. Sin

29

embargo, el miedo principal del daño por el congelamiento de los colectores aparentemente representa un obstáculo para su popularización en áreas con inviernos fríos, aún en áreas con inviernos suaves. Los métodos comúnmente usados para la protección del congelamiento de los colectores son: Utilizar los colectores de tubos solares evacuados en lugar de los colectores de placa plana, incrementado el diámetro del tubo de los absorbedores que se implementa con un dispositivo automático de drenaje para vaciar los colectores cuando el agua está próximo a congelarse, y utilizar un líquido anticongelante como fluido de trabajo para la transferencia de calor. Sin embargo, estas soluciones aumentarían el costo o disminuirían el funcionamiento térmico de un DSWH con termosifón. (Tang, Cheng, Wu, Li, & Yamei, 2010, pág. 2548) b) Circulación forzada.

El fluido circula gracias a una bomba de circulación. Si queremos ubicar el colector por debajo o muy por encima del tanque de almacenamiento, no hay circulación, entonces tenemos que forzar el agua a circular a través del colector por medio de una bomba.

Circulación natural Circulación forzada

Figura 2. Esquema de la circulación natural y circulación forzada.

Fuente: (Guzmán, 2009, pág. 20) 1.2.4 Colectores solares.

“El usuario diseñador y potencial de tal dispositivo debe considerar un número de factores cuando compara sus ventajas. Estos principalmente pueden ser clasificados en categorías como: rendimiento térmico, costo y vida útil, durabilidad, mantenimiento y facilidad de instalación” (Hamed, Fellah, & Ben Brahim, 2014, pág. 938).

El componente principal de cualquier sistema solar es el colector solar. Es un dispositivo que absorbe la radiación solar incidente, convierte en calor, y transfiere este calor a un fluido (usualmente aire, agua, o aceite) que fluye a través del colector (…). Hay dos tipos de colectores solares: No concentrados y concentrados.

Energía solar

Agua caliente

Energía solar

Agua caliente

Bomba

30

El uso de sistemas de calentamiento solar ha aumentado basado en los costos iniciales razonables y la estructura relativamente simple. (…). Un colector solar es básicamente un intercambiador de calor que convierte la radiación solar en calor. (Jafarkazemi &

Ahmadifard, 2013, pág. 55)

a) Clasificación de los colectores solares.

La conversión de la energía radiante del Sol a calor, hoy en día es el más común y la tecnología de conversión de energía solar que está bien desarrollada. El nivel de temperatura y cantidad de esta energía convertida son los parámetros claves que deben ser conocidos para que en el esquema de conversión, se cumpla la tarea específica eficientemente. La temperatura posible alcanzable depende del nivel de concentración, como se muestra en la Tabla 3. (Jesko, 2008, págs. 22-23)

Tabla 3

Clasificación de los colectores solares de acuerdo al grado de concentración

Categoría Ejemplo Rango de temperatura, ºC Eficiencia, % Sin concentración Placa plana

Tubo evacuado

Hasta 75 Hasta 200

30-50

Media concentración Cilindro

parabólico 150-500 50-70

Alta concentración Parabólico 1500 a más 60-75

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 23)

En la mayoría de los casos los colectores solares con el fin de reducir las pérdidas de calor están cubiertos (excepción es el colector de la piscina, cuando el nivel de la temperatura necesaria está entre 10-20 ºC por encima de la temperatura ambiente). La clasificación de los colectores solares en función del número de cubiertas se muestra en la Figura 3. (Jesko, 2008, pág. 23)

Figura 3. Clasificación de los colectores solares en función del número de cubiertas.

Fuente: (Jesko, Classification of solar collectors, 2008, pág. 23) Número de cubiertas

del colector

Sin cubierta Una cubierta Dos cubiertas Más cubiertas

31

Es bien conocido que la máxima ganancia del colector solar es posible obtener cuando los rayos solares inciden perpendicularmente en el dispositivo solar por las pérdidas de reflexión de la superficie del dispositivo. En ese caso, los colectores solares se dividen en tres diseños que se muestran en la Figura 4. Debe mencionarse, que el equipo de colector con dispositivos de seguimiento aumenta sus costos. (Jesko, Classification of solar collectors, 2008, pág. 24)

Figura 4. Equipamiento del colector solar.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 23)

Además, podemos clasificar los colectores solares en los siguientes cinco tipos:

 Colector solar tipo tanque.

 Colector solar de piscina.

 Colector solar de placa plana.

 Colector solar de tubos evacuados.

 Colector solar de concentración.

1.2.5 Colector solar de tubos evacuados.

Mientras que los colectores de placa plana están fabricados esencialmente de la misma manera (…), los colectores de tubo de vacío varían ampliamente en su construcción y operación. Los colectores de tubos de vacío están construidos de un número de tubos de vidrio. Cada tubo está hecho de vidrio recocido y tiene una placa de absorción dentro del tubo, porque el tubo es la configuración natural de un colector evacuado. Durante el proceso de fabricación a fin de reducir las pérdidas de calor por conducción y convección, se crea un vacío dentro del tubo de vidrio. El único mecanismo de pérdida de calor restante es la radiación. La ausencia de aire en el tubo crea un excelente aislamiento, lo que permite que deban alcanzarse temperaturas más altas en la placa de absorción. A fin de mejorar la eficiencia del colector de tubos de vacío hay varios tipos de concentradores dependiendo de su radio cóncavo. La clasificación de los colectores solares evacuados se muestra en la Figura 5. Hay muchos diseños posibles de colectores

Posición en relación del Sol

Sin dispositivo de

seguimiento Seguimiento de un eje Seguimiento de dos ejes

32

evacuados, pero en todos ellos se utiliza el recubrimiento selectivo del absorbedor, ya que con un absorbente no selectivo, las pérdidas por radiación predominarían a altas temperaturas, y la eliminación de la convección por sí sola no sería muy eficaz. (Jesko, 2008, pág. 25)

Figura 5. Clasificación de un colector de tubos evacuados.

Fuente: (Jesko, 2008, pág. 25)

Un tubo de calor proporciona la manera más elegante de la extracción de calor de un colector evacuado. El tubo de calor es herméticamente tubo sellado que contiene una pequeña cantidad de líquido de transferencia de calor. Cuando en una porción del tubo se calienta el líquido se evapora y se condensa en la parte fría, la transferencia de calor es con gran eficacia por el calor latente de condensación. El tubo de calor contiene una mecha o se inclina (o ambos) para asegurar que el líquido fluya nuevamente a la porción caliente para repetir el ciclo. Es fácil de diseñar un tubo de calor (por ejemplo, dándole la inclinación adecuada) para que funcione sólo en una dirección. Este efecto diodo térmico es muy útil para el diseño de colectores solares, porque automáticamente al colector lo desactiva y evita la pérdida de calor cuando hay radiación solar insuficiente.

Además, el tubo de calor tiene menor capacidad calorífica que los tubos absorbedores ordinarios llenos de líquido, minimizando así el calentamiento y las pérdidas de enfriamiento. (Jesko, 2008, pág. 26)

El mercado mundial de calentadores solares de agua se ha incrementado significativamente en la última década. Como consecuencia, se han desarrollado

Colector evacuado

Sin tubo de calor

Sin reflector

Tubo evacuado

cubierto

Tubo simple

Tubo en forma de U múltiple

Forma de U con aislante

Con reflector

Con tubo evacuado

Detras del tubo evacuado o reflector

de vértice

Con tubo de calor

Reflector dentro del tubo

Aleta metálica dentro del tubo

33

tecnologías nuevas a gran escala y se han mejorado la calidad de los productos. El desarrollo de procesos de fabricación de bajo costo para los colectores solares de tubos evacuados ha sido la principal razón de los recientes cambios en el mercado del calentador solar de agua. Los colectores solares de tubos evacuados tienen mejor funcionamiento que los colectores solares de placa plana en particular para operaciones de altas temperaturas. Uno de los desarrollos más significativos es el uso de calentadores solares de agua de tubos evacuados con doble vidrio, cuál ahora comprende 65% de 6,5 millones m²/año del mercado del calentador solar de agua en China. La capacidad de producción de los tubos evacuados en China se estimó en más de 40000000 tubos/año el 2001 (China Industry, 2001). (Budihardjo & Morrison, 2009, pág. 257)

En China, los colectores solares de tubos evacuados son ampliamente utilizados para la calefacción de edificaciones y el calentamiento de agua, debido a su buen funcionamiento térmico, fácil transporte e instalación. Una investigación preliminar demostró que los colectores solares de tubos evacuados cubrieron el 88% del mercado el 2003 y se expande con un crecimiento promedio anual del 30% en estos últimos años en China. El 2001, la producción anual de los tubos solares evacuados en China fue alrededor de 200 millones, y alcanzó 2000 millones el 2007. El tubo solar evacuado consiste en dos tubos concéntricos sellados en un extremo con un espacio anular de vacío y un absorbedor selectivo en la superficie externa (en el vacío) del tubo interno.

Actualmente, los tubos solares ampliamente usados son los tubos de 47/58 (tubo interno de 47 mm y externo de 58 mm de diámetro), y los tubos 37/47 (tubo interno de 37 mm y externo de 47 mm de diámetro). (Tang, Gao, Yu, & Chen, 2009, pág. 1387)

Los calentadores solares de agua con cubierta de vidrio consisten de tubos de vidrio al vacío insertados directamente en el tanque de almacenamiento, con agua en contacto directo con la superficie del absorbedor. La dificultad principal con la aplicación de los colectores de tubos evacuados de vidrio es el problema de la extracción de calor del tubo absorbedor simple que es muy estrecho. Muchos métodos de extracción de calor como tuberías de calor, tubos insertados en U o colector/almacenamiento integrado en el tubo ha sido desarrollado, sin embargo, el método más útil es el concepto simple de vidrio en agua. La extracción de calor de tubo evacuado de vidrio en agua es por circulación natural del fluido entre el colector y tanque de almacenamiento. La limitación de este concepto es que sólo puede servir para un sistema de baja presión, porque los tubos sólo pueden resistir pocos metros de carga hidrostática. (Budihardjo & Morrison,

34

Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. 83 (2009) , 2009, pág.

258)

En los calentadores de agua solares domésticos, los tubos solares son usualmente inclinados e insertados directamente introducidos al tanque de almacenamiento.

A diferencia de los colectores de placa plana, la radiación colectable anual en un solo tubo de los colectores se relaciona con muchos factores como el tamaño de tubos solares, distancia central entre dos tubos adyacentes, uso de tipo DFR, tipo de colector, distancia entre DFR y tubos solares, latitud del lugar y condiciones climáticas. La radiación colectable anual incrementa cuando la distancia central entre los tubos es mayor, para los colectores sin DFR el incremento es lento hasta cuando esta distancia es mayor a

D2

2,5 . Esto es porque cuando se incrementa la distancia central entre los tubos se reduce la sombra producida entre los tubos adyacentes y permite mayor incidencia de radiación en los DFR.

Para un colector con parámetros estructurales definidos, la radiación colectable anual sólo se relaciona a la latitud del lugar, ángulo de inclinación y azimut, también a las condiciones climáticas locales. Por consiguiente, para maximizar la colección anual de energía, los colectores deberían ser instalados con un ángulo de inclinación óptimo del horizonte. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, tales colectores usualmente son orientados hacia el sur, en el hemisferio norte, con un ángulo de inclinación igual o mayor que la latitud del lugar, algo así como un colector de placa plana. No obstante, los ingenieros solares adoptaron tales ángulos de inclinación sin cuestionar el saber de todo el mundo en colección de energía de tales colectores. En las pasadas dos décadas, el óptimo ángulo de inclinación de los colectores de placa plana fue ampliamente investigado por muchos investigadores, excepto para los colectores solares de tubos evacuados, tal trabajo fue raras veces reportado en las literaturas. (Tang, Gao, Yu, &

Chen, 2009, pág. 1387)

Un colector de tubos evacuados (ETC) es más ligeramente más eficiente que un sistema de placa plana debido a las menores pérdidas de calor.

Con menos pérdida de calor a través del vacío en los tubos evacuados, estos sistemas son más eficientes a temperaturas ambientes más bajos. Comparados con los colectores de placa plana, los colectores de tubos evacuados son menos caros. Requiere un área más pequeña del techo que los colectores de placa plana. Mantener el vacío es difícil en caso de los colectores de tubos evacuados. Para aplicaciones de bajas temperaturas, los

35

colectores de placa plana son más eficientes que los colectores tubos evacuados. Para propósitos de alta temperatura, los colectores de tubos evacuados son más convenientes por su pérdida de calor mínima.

Figura 6. Tubo de vidrio de borosilicato.

Fuente: Elaboración propia

Los ETC se construyen para reducir la pérdida convectiva y de conducción de calor (el vacío es un aislante de calor). Cada tubo evacuado consiste de dos tubos del vidrio. El tubo exterior es de vidrio extremadamente transparente que puede capaz de resistir los cambios de las condiciones climáticas. El tubo interno también es de vidrio, pero revestido con un recubrimiento selectivo especial (ALN AIN-SS/CU) que presenta excelente absorción solar de calor y propiedades de reflexión de calor mínimas. El aire es evacuado del espacio entre los dos tubos de vidrio para formar un vacío.

Para mantener el vacío entre las dos capas del vidrio, un reductor de presión de bario es usado. Durante la construcción este reductor de presión se expone a las altas temperaturas que causan que la parte inferior del tubo evacuado sea revestida de una capa de bario puro.

Esta capa de bario absorbe activamente cualquier gas CO, CO2, N2, O2, H2O e H2 del tubo durante la operación y almacenamiento, así ayuda a mantener el vacío. (Vendan, Shunmuganathan, Manojkumar, & Shiva, 2012, págs. 539-540)

a) Parámetros de un colector de tubos evacuados.

Hay tres parámetros que necesitan ser definidos en la caracterización de un colector de tubos evacuados: eficiencia óptica, coeficiente de pérdida de calor del colector y modificadores del ángulo de incidencia (IAMs). Estos parámetros se determinan experimentalmente. La eficiencia óptica del colector con cubierta de vidrio para agua es alrededor de 0,536; determinada de las mediciones de ganancia de energía durante el

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mediodía solar cuando el nivel de la radiación y el ángulo de incidencia son aproximadamente estables. La eficiencia óptica de un tubo evacuado varía durante el día dependiendo de la configuración del arreglo de los tubos, es decir de las dimensiones del tubo, espaciamiento de los tubos y la distancia entre los tubos y el plano del reflector.

El coeficiente de pérdida de calor de los tubos evacuados varía con la temperatura. La eficiencia del colector es modelado como una ecuación de segundo grado, cuyos coeficientes se determina en pruebas individuales en los tubos solares. (Budihardjo &

Morrison, Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. 83 (2009) , 2009, pág. 53)

b) Flujo de circulación natural.

La razón de flujo de circulación natural a través de los tubos evacuados depende de un número de factores, los cuales son:

 Ingreso de calor por unidad de área del absorbedor. El ingreso de calor más alto da como resultado una variación de la densidad más alta entre las corrientes calientes y frías en el tubo, por consiguiente una presión más alta.

 Temperatura del tanque. La circulación natural a través del colector es debido a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y frío. Durante la operación a la temperatura más alta, la gradiente de la densidad del agua es más alta, o sea para un incremento de temperatura dado, el cambio de la densidad del agua es mayor.

También, la viscosidad del agua es más pequeña en altas temperaturas. Dentro del rango de operación del colector la variación de la viscosidad del agua es tan alta como un factor de tres.

 Inclinación del colector. La inclinación del colector determina los componentes axiales y radiales de la aceleración gravitacional. El componente axial de la gravedad conduce a la circulación natural primaria y el componente radial determina la circulación secundaria alrededor de la circunferencia del tubo. En general, la inclinación influye en la razón de flujo de la circulación natural.

 Razón longitud-diámetro del tubo. Este parámetro es incluido en la correlación del número de Nusselt por lo que influye en la transferencia de calor en el termosifón.

 La distribución de flujo de calor circunferencial. Variar la distribución de ingreso de calor alrededor de la circunferencia del absorbedor cambia la estructura de flujo en el tubo, y a su vez afecta la razón de flujo de la circulación. (Budihardjo &