Colector solar térmico

 La eficiencia media del colector solar térmico, con aire de superficie plana fue de 59.09%, este valor se obtiene después de haber hecho en un lapso de tiempo la respectiva experimentación bajo condiciones meteorológicas no favorables entre los meses de noviembre y diciembre; los días en los que se midieron fueron tan variables en el clima que en cuestión de horas se evidenciaron los cambios. Sin embargo el rendimiento del colector fue aceptable logrando un calor útil medio de 3807,65W en el interior entre la placa absorbedora y la cubierta, esto permitió alcanzar valores de temperaturas de salida del aire de entre 34.6 a 94°C, por lo que se entiende que hay una relación directamente proporcional entre el clima y el rendimiento del colector por su repercusión en el resultado final al influir directamente en la superficie plana del mismo.  La eficiencia alcanzada y la temperatura de salida del aire conseguida por la

1. Planos desnudos. Actualmente consisten en tubos de Polietileno de alta densidad (PEAD) y tratamiento para resistencia a los rayos U.V., dispuestos en forma longitudinal, con tubos colectores en sus extremos (Figura 1), o bien en forma de espiral (Figura 2). Ambos son muy económicos (costo promedio US$20/m 2 ) pero así también los de menor rendimiento 1 , el cual no alcanza el 20%, debido a grandes pérdidas de calor por convección y radiación. La temperatura del fluido puede aumentarse hasta 20ºC por encima de la temperatura ambiente. Se utilizan cuando se dispone de una gran superficie libre (entre una y dos veces la superficie de una piscina, para el caso de climatización de estas por ejemplo) y es posible utilizarlo sólo cuando es necesario, sin peligro de que el mismo sufra roturas. Para asegurar esto debe incorporarse un ruptor de vacío ya que, por las características mecánicas de los tubos del colector, estos son propensos a aplastarse, situación que, al producirse reiteradas veces, resulta en un daño permanente del equipo.

Debido a lo señalado anteriormente, la propuesta de mejoramiento del recorrido del circuito hidráulico e implementación de electro-bombas independientes para cada colector solar térmico, solamente se proporcionarán a cinco de ellos. El sexto colector solar que se propone reparar no llevará mejoras por falta de recursos, pero a la vez se aprovecha este hecho para realizar comparaciones entre cómo funcionaban los colectores solares inicialmente, es decir, sin la mejora propuesta, y con la mejora instalada. Sin embargo, se realiza una visita el sector L.E.R el mes de Junio de 2016 para verificar el banco a restaurar. Se encuentra el colector solar proyectado para reparar sin ningún desperfecto, es decir, había sido restaurado por Miguel Cubillos apoyo académico del L.E.R., por lo que no es necesario realizar ninguna reparación a éste último.

Aislamiento térmico, con el aislante se debe tener un rango de grosor apropiado (no menor a 3 cm y preferentemente mayor a 5 cm), esto debido a que las pérdidas del colector se reducirán cuando el espesor del aislante sea mayor. Su disposición deberá incluir los laterales y el fondo del colector solar. El material de aislante térmico constituye un tema de gran importancia, debido a que estos tienen tendencia a la humedad por ser materiales fibrosos, como la lana de vidrio. Se recomienda el uso de aislantes que tengan coeficientes k que se encuentren entre 0,014 y 0,035 Kcal/h mºC y que sean estables. El aislante térmico más adecuado y fácil de conseguir es el poliestireno expandido, conocido como tecnopor. Colector solar térmico, dispositivo que capta la radiación solar y la transforma en calor por operaciones consecutivas de transferencia de calor mediante radiación, conducción y convección. Su principio físico de funcionamiento se basa en el efecto invernadero, resultado de la característica que tiene un cuerpo transparente, que deja pasar a través suyo radiación electromagnética.

Cabe destacar que aunque en este momento el análisis económico de la implementación de los colectores no sea positiva, esto se debe al alto precio de los mismos. La problemática energética mundial lleva a que las grandes potencias vuelquen grandes cantidades de dinero para el desarrollo de la tecnología solar térmica, incrementando cada vez más la escala de producción de estos aparatos; lo que genera una disminución en el costo de los colectores que harían redituable políticas de este tipo. Como es el caso de China que a partir de inmensos subsidios en la tecnología fotovoltaica logra una disminución considerable en su costo.

A prototype of wireless control and monitoring system for a solar heater of vacuum tubes for rural zones was designed and implemented. The prototype has two parts: Transmitter and Receiver. The transmitter consists of a wireless part and a mechanical part. Regarding the mechanical part, this was implemented with a solar tracker which is able to reflect the solar rays on the collector tubes following the path of the sun's rays since the sun raises until it is hidden, for communication, a point-to-point net was implemented for the communication of the data transmitted from the sender to the receiver, for which an Arduino Mega Card was programmed, which is responsible for transmitting the sensor data through the wireless XBEE S2C module, the state of the solar tracker, as well as the control of the motors’ movement of the solar tracker in such a way that it reflects the solar rays on the collector tubes every hour while there is sunlight. The receiver formed by an Arduino Uno card receives the real-time data sent by the transmitter through the wireless transmission made by the XBEE S2C modules. This allowed a greater efficiency of water heating in the solar collector. From the implementation of the prototype of the system, an increase of 2 to 5 degrees Celsius was obtained in the water temperature of the solar collector. It is concluded that the implementation of the prototype improves the efficiency of water heating by 10%. It is recommended to conduct a reflectance study of existing materials in the market to improve the efficiency of the device.

La separación entre líneas de colectores se establece de tal forma que al mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del período de utilización, la sombra de la arista superior de una fila ha de proyectarse, como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente.

Haciendo énfasis en la energía solar, la Tierra recibe 6000 veces la capacidad eléctrica mundial. Aún con las tecnologías actuales, se podría generar suficiente energía para satisfacer la demanda pero, a los precios actuales, la infraestructura requerida para adoptar la energía solar costaría mucho más que el uso de combustibles fósiles. El potencial de la disponibilidad de energía proveniente del Sol supera el de todas las otras fuentes renovables de energía, sin embargo, la energía solar tiene una participación mínima en la cartera energética mundial, equivalente a una pequeña fracción del porcentaje de generación eléctrica total y mucho menor que el de la energía hidroeléctrica o eólica, cuyos costos de producción son inferiores. Los líderes a nivel mundial en generación de electricidad con energía solar son: Alemania 2220 GWh, Estados Unidos 565 GWh, Sudáfrica 532 GWh, España 125 GWh y China con 105 GWh, mientras que México cuenta con apenas 10 GWh 2 .

Sistema de seguimiento solar: Cada línea de espejos tiene una inclinación, pero al realizar el seguimiento del sol a lo largo del día todas realizan el mismo movimiento relativo. Por eso se pueden girar varias filas con un solo motor, que también se accionará cuando hay fuerte viento (espejos horizontales), granizo (verticales) o limpieza (también verticales para poder pasar entre filas). Los cojinetes se hacen asimétricos para que el centro de gravedad del espejo coincida con el eje, y en general todos los engranajes se someten a pruebas de resistencia en ambientes con mucho polvo y arena.

“Su función es la de convertir la radiación solar concentrada en un aumento de la energía térmica del fluido de trabajo” (Llorente Sanchéz, 2015 pág. 49). Es un elemento fundamental en el sistema, ya que la eficiencia del sistema principalmente radica en la calidad termodinámica del absorbente. Puede constar de un solo tubo o dos tubos concéntricos. Al interior consta de un tubo metálico de elevada absortividad y baja emisividad, lo que se traduce en un elevado rendimiento térmico. El tubo exterior es de cristal y tiene como objetivo reducir las pérdidas por convección del tubo metálico y también lo protege de las condiciones meteorológicas adversas. Para temperaturas por debajo de 300 grados centígrados, se puede usar un tubo de acero recubierto ya sea con cobalto o cromo. Por lo general se usan dos tubos concéntricos uno de metal y el otro de vidrio debido a las condiciones al que se expone y para lograr una mayor eficiencia, en el medio se consigue un vacío.

En la Grafica 1 se puede observar la eficiencia del colector solar de placa plana, dando como resultado una eficiencia óptica de 62,59%, a medida que aumenta la temperatura media reducida (La temperatura media reducida representa las condiciones ambientales y de funcionamiento del colector: radiación, temperatura ambiental, temperatura de entrada y salida del colector solar, por lo que es temperatura de trabajo del mismo), se reduce la eficiencia; Por otra parte, al tener una temperatura media reducida corregida igual a cero implica que las condiciones ambientales son iguales y por lo tanto no se presentan perdidas en el mismo. En la Grafica 2 se puede observar la potencia útil del colector de acuerdo con la radiación suministrada sobre la superficie de absorción y como era de esperar debido a la energía suministrada hacia la placa de absorción la temperatura de salida del fluido en el colector es mayor a la temperatura ambiente, sin embargo, la potencia útil del colector presenta una variación directa de acuerdo a la temperatura de salida del colector.

Entre las tecnologías existentes, hay tres que destacan por su grado de desarrollo: los sistemas de colectores cilindro parabólicos (CCP), los sistemas de receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC), y los discos parabólicos (DP) o más propiamente, paraboloides de revolución. También existen los sistemas de concentradores parabólicos compuestos (CPC), que a pesar de no estar ampliamente desarrollados en cuanto a tecnología se refiere, merecen una mención. Los primeros y los últimos concentran la radiación solar en un eje (dos dimensiones), mientras que los sistemas de torre y los discos parabólicos lo hacen en un punto (tres dimensiones), pudiendo alcanzar por ello mayores relaciones de concentración.[6]

En las condiciones exteriores se instaló el colector en la cubierta de la cafetería de funcionarios de la Facultad Tecnológica, en la que se encuentra El banco de Medición para Captadores Solares Térmicos Planos de Agua Caliente Sanitaria desarrollado por los estudiantes Dayan Slendy Buitrago Reyes, Luis David Cortes Alarcón, por lo tanto se adecuo de acuerdo a la geometría del colector suministrado por la empresa y se controló para que el banco cumpla las condiciones de montaje dadas en la norma UNE-EN 12975- 2, la cual es guía de cómo debe ser el banco de pruebas y la toma de datos.

comparison was made between a solar collector of vacuum tubes and the parabolic cylindrical solar collector, the first one being much more efficient, with a value of 74% as the maximum efficiency, while in the parabolic cylindrical collector a maximum efficiency of 35.84%. This is due to the fact that the tube of the first collector being vacuumed reduces significantly the thermal losses which helps to improve the efficiency.

Para ello se realizó un estudio de la radiación solar directa incidente en la zona donde está ubicada la UEB, siendo esta idónea para la instalación de tecnologías de concentración solar. Se diseñó el campo solar y se calcularon las pérdidas inherentes a cada colector logrando un rendimiento global de aproximadamente 70%. Inciden sobre esta eficiencia las pérdidas geométricas, ópticas, térmicas y las condiciones meteorológicas del lugar. Se evaluaron las características del terreno para dimensionar el campo solar, cercanía a los recursos hídricos y a la red eléctrica nacional, lo que resulto adecuado para implementar esta tecnología. Se analizó un análisis económico y de impacto ambiental del esquema propuesto, encontrándose que es económicamente factible con un VAN de 34 millones de USD y una TIR del 30 % y un período de recuperación de la inversión de 9 años y 10 meses.

daños mecánicos antes y después del tratamiento. Además se evaluó la pérdida de humedad relativa a través del tiempo en horas de radiación solar aprovechables diarias. Se estimó una regresión cuadrática con el programa Minitab 17 Statistical Software con el cual se obtuvo un R 2 =82.6%. Se encontró que el horno solar realiza una disminución de humedad relativa constante y mantiene una tasa de extracción adecuada. Se concluyó que la temperatura y velocidad de secado de la madera, además de un correcto apilado, favorece la corrección de curvaturas en los tablones.

Este segmento de programa permite visualizar los datos obtenidos en distintas pantallas, las cuales se despliegan cada vez que se presione las teclas A o B, si se presiona la tecla B las pantallas se despliegan hacia adelante tomando como referencia los valores del Colector como la pantalla inicial, luego se desplegarán las pantallas para los valores de Medio Ambiente, Entrada de la Cámara, Puntos Intermedios de la Cámara, Salida de la Cámara, datos de Radiación y Contenido de Humedad de la madera y por último la pantalla en la que se da la opción al usuario de detener la Adquisición de los datos; al presionar la tecla A las pantallas se despliegan hacia atrás, es decir se toma como referencia la pantalla que contiene los valores del Colector y se desplegará la pantalla con el mensaje para detener la Adquisición de los datos y así sucesivamente.

Actualmente en Ecuador el artículo 413 de la Constitución ecuatoriana establece que será el Estado quien promueva el desarrollo de proyectos de generación eléctrica económica y ecológicamente equilibrada, permitiendo que las energías limpias y renovables tengan una participación mayoritaria con el objetivo de disminuir el consumo de energías fósiles [16], [17]. Pese a los esfuerzos del gobierno por impulsar este tipo de tecnologías, hasta la fecha no se han implementado proyectos con tecnologías de concentración solar en el país, sin embargo, se han comenzado a desarrollar numerosos estudios preliminares, auspiciados por el sector eléctrico, universidades públicas y privadas, y sector privado, con el fin de reducir la contaminación global y cubrir la demanda energética del país en el futuro [16]. Tomando en cuenta el potencial solar en Ecuador, y las limitantes tecnológicas al ser un país no industrializado y en vías de desarrollo, es que se anticipa que la implementación de tecnologías complejas como CRS o PTC son técnica y económicamente no adecuadas. En cambio, los LFR destacan por su facilidad de construcción y bajas limitaciones tecnológicas, permitiendo ser construidos por la industria local, lo cual hacen de esta tecnología un fuerte candidato a ser implementado en la nación.

Es un método de circulación de fluidos que se realiza de manera natural, sin utilizar alguna bomba o algún mecanismo, la circulación se lleva a cabo dadas las propiedades del liquido, como la densidad y la temperatura, quiere decir que cuando el liquido se calienta posee una densidad baja, con la cual, tiene la capacidad de subir, mientras que cuando esta frio su densidad es alta, y puede desplazarse a las zonas inferiores. Cuanto mayor sea la diferencia de longitud, mayor será la corriente inducida por la misma diferencia de temperatura, lo anterior se repite de manera constante, por lo cual, el sistema esta calentando constantemente hasta que llega a la temperatura pico, la cual, también depende de la radiación solar, el clima, etcétera.

El sistema de aceite térmico esta formado por un circuito cerrado por el cual circula el aceite térmico. El objeto de este sistema es transferir la energía captada en el campo solar hasta el generador de vapor solar. Para ello se utiliza un fluido de transferencia térmica (HTF – Heat Transfer Fluid), estable a altas temperaturas y capaz de operar hasta 400 º C con seguridad. En este caso se empleará aceite Santotherm VP-1.