Tesis Calentador Solar Indios 1

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR SOLAR ELABORADO A BASE DE MATERIAL RECICLADO PARA LA CASA UV EN COYOPOLAN, VERACRUZ“

MEMORIA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA

PRESENTA: JOSÉ DONATO CONTRERAS TREJO

DIRECTOR: DR. JORGE ARTURO DEL ANGEL RAMOS

XALAPA, VER.

FEBRERO 2012

ÍNDICE

Pág. Introducción…………………………………..……………………………………………1 Capítulo I: Marco teórico. 1.1 El sol y su radiación.......………………...……………………………………………3 1.2 Definición de un colector solar…………..…………………………………………11 1.3 Clasificación de colectores solares……...…………………………………………11 1.4 Colector solar plano………………………………………………………………….12 1.5 Principio de funcionamiento……………...…………………………………………13 1.6 Orientación de un colector solar plano…………………………………………….16 1.7 Ángulo de inclinación de un colector solar plano…………………………………18 Capítulo II: Marco contextual. 2.1 Antecedentes de los calentadores solares………………………..…………......20 2.2 Diagnóstico de la situación energética en México y en la región..…………….24 2.3 Respuesta a la situación energética en México y la región……...……………..26 2.4 Situación geográfico-solar en México y en la región……………..……………..28 2.5 Descripción mínima de la ubicación del proyecto………………..……………...29 2.6 La investigación solar en México…………………………………..……………...31 2.7 Objetivos del proyecto………………………………………………......................33 2.8 Responsables del proyecto…………………………………………..…………….33 2.9 Ubicación del proyecto………………………………………………...……………34 2.10 Metodología………………………………………………………..……………….34 2.11 Administración del proyecto……………………………………...……………….35 Capítulo III: Diseño del sistema. 3.1 Estudio y evaluación de la irradiación solar en Coyopolan, Veracruz..……….36 3.2 Propuesta inicial del diseño del sistema……..…………………………………...39 3.3 Cálculo de la capacidad del sistema…………..………….……………………....47 3.4 Diseño asistido por computadora………………………...……………………..…47 3.5 Determinación cuantitativa de materiales………………..……………………….47 3.6 Condiciones del sitio para la instalación del sistema......……………………….49 Capítulo IV: Construcción del sistema. 4.1 Proceso paso a paso….…………………………………...……...........................50 Capítulo V: Pruebas al sistema. 5.1 Pruebas basadas en la norma mexicana NMX-ES-001-NORMEX-2005…..…72 5.2 Prueba 1: Inspección al colector………………………………………………..…73 5.3 Prueba 2: Presión estática previa a la exposición a treinta días……………….75 5.4 Prueba 3: Exposición a la radiación solar……………………………………...…77 5.5 Prueba 4: Prueba de choque térmico y rocío de agua……………………….....81 5.6 Prueba 5: Prueba de choque térmico con circulación de agua fría……….......83

5.7 Prueba 6: Prueba de rendimiento térmico…………………………..……….......84 Capítulo VI: Discusión de resultados. 6.1 Resultados…………………………………………………………………………...86 6.2 Informe de pruebas de funcionalidad……………………………………………..86 6.3 Costo………………………………………………………………………………….88 6.4 Recuperación de la inversión…………………………………………………....…88 Conclusiones…………………………………………………………………………….90 Bibliografía Anexos

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INTRODUCCIÓN Los cambios climatológicos globales tan drásticos y el efecto invernadero que sufre en la actualidad la Tierra, es un claro ejemplo de los niveles tan altos de contaminación que el hombre ha causado. Por lo cual es momento de cambiar de perspectiva y visualizar otras fuentes alternas de energía que nos permitan generar la energía necesaria para desarrollar y facilitar nuestras actividades cotidianas aumentando considerablemente nuestra calidad de vida, pero con la diferencia de disminuir, o en el mejor de los casos evitar todo tipo de contaminación y daño a nuestro planeta.

Ahora existe una gran variedad de fuentes de energía empleadas en sistemas con aplicaciones prácticas. Algunos de esos sistemas basados en el aprovechamiento de la energía solar van desde colectores solares, pasando por todas las variantes de los invernaderos y hornos hasta celdas solares.

Uno de los principales usos finales de la energía solar es el calentamiento de fluidos, principalmente aire y agua. En el sector residencial se aplica, fundamentalmente, para calentar el agua para la higiene personal y el lavado de ropa y/o utensilios relacionados con la preparación y consumo de alimentos.

En México y particularmente en el estado de Veracruz la energía solar es prácticamente desaprovechada en su totalidad debido a la casi nula difusión de estos sistemas, fundados en un tipo de energía que es natural, renovable y no contaminante. Esto ha generado que el mercado comercial sea pequeño, al igual que la demanda y en consecuencia, en la mayoría de las aplicaciones, el costo de producción sea tan elevado.

Como respuesta inmediata a lo mencionado anteriormente, surge el presente proyecto

que

consistió

principalmente

en

implementar

un

sistema

de

calentamiento solar de agua en beneficio de la casa perteneciente a la Universidad Veracruzana y ubicada en el municipio de Coyopolan Veracruz. Dicho sistema aporta grandes beneficios para esta comunidad veracruzana, resolviendo Introducción

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algunos de los muchos problemas que en materia energética se presentan diariamente en esta localidad.

La metodología con la cual implementé el sistema en cuestión partió de la fundamentación teórica y contextual que permitió hacer un análisis para saber el punto de partida del diseño. Acto seguido realicé el diseño del sistema el cual fue la base fundamental para su posterior construcción e instalación. Finalizadas las etapas anteriores se iniciaron una serie de pruebas para determinar el funcionamiento del el sistema. Se concluyó

con la publicación de resultados

obtenidos durante todo el proyecto. El tiempo estimado para concretar el proyecto fue de aproximadamente 12 meses. Se logró que el costo económico para efectuar el proyecto fuera relativamente bajo, debido a que se utilizaron materiales reciclables para su construcción. El presente documento consta de seis capítulos, el primero de ellos lleva por título: “Marco teórico” que tiene el propósito de brindar al proyecto un sistema coordinado y coherente de conceptos y proposiciones que permiten una clara compresión

del mismo, asegurando así su correcto desarrollo. El segundo

capítulo se titula: “Marco contextual” y en él se aborda el conjunto de circunstancias que acompañan al proyecto, es donde se describen las características del entorno del presente trabajo: las características físicas, condiciones y situación. El capítulo número tres lleva por nombre: “Diseño del sistema” y en este, como su título claramente lo indica, se explicita el proceso de diseño del que contempla desde la idea y propuesta inicial hasta un modelado virtual CAD. El capítulo cuarto titulado: “Construcción del sistema” describe paso a paso el proceso de fabricación e instalación del sistema de calentamiento solar de agua, se incluyen experiencias y evidencias fotográficas que confirman su veracidad. El quinto capítulo contiene información sobre las pruebas realizadas al sistema basadas en la norma NMX-NORMEX-2005. El último capítulo expone los resultados, observaciones, puntos de vista, reflexiones y conclusiones del autor del presente documento.

Introducción

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CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO 1.1 El sol y su radiación.

El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 Km. de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 Km., aunque para nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos, cifra difícil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.

El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius ºC y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Actualmente, el Sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos más pesados).

Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partículas que intervienen se convierte en energía, la cual se puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc2; (donde E equivale a la energía, m a la masa y c a la Capítulo I: Marco Teórico

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velocidad de la luz, que es igual a 300 000 Km./s). De esta forma, el Sol irradia la energía proveniente de la fusión de los núcleos atómicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte llega a la Tierra.

El Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía.

La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectro electromagnético. La más común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.

Para medir la cantidad de energía que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiación se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energía solar, lo que interesa es la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiación, soleamiento o insolación y las unidades para medirla son los watts*h/m² y el langley/día.

La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a 2 000 km. de altura sobre la superficie y está compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la

Capítulo I: Marco Teórico

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radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su vez emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda.

Un ejemplo muy claro lo podemos observar cuando los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio deja pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten una radiación de longitud de onda larga. Esta radiación de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación. Así, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero.

Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de la atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energético de la radiación solar.

Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora sólo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiación solar que recibe cada punto de la Tierra varía, dependiendo de la radiación directa y difusa que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximación de la radiación promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede.

Solamente 47% de la radiación solar que absorbe nuestra atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiación que se difunde en la atmósfera y se denomina, por ello, radiación difusa.

Por otro lado, la radiación solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 23% se va al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la atmósfera, 6% se pierde por difusión de aerosoles, 7 % se refleja en el suelo


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terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmósfera. La suma de estas pérdidas da un total de 53%.

Figura 1. Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta. (4 µm.)

Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiación que llega fuera de la atmósfera. Pero esto sólo ocurre con la radiación solar de onda corta (menor de 4 micrómetros). La Tierra absorbe esa radiación (47%), pero a su vez emite radiación de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiación de onda larga (mayor de 4 micrómetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmósfera. De esa manera, únicamente 29% (47-18=29%) de la radiación total absorbida queda en nuestro planeta.


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De acuerdo a la ubicación de cada zona que recibe irradiancia varía la cantidad de esta, en el solsticio de invierno, el 21 de diciembre, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el día más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto más bajo del cielo; en consecuencia, en el día el soleamiento es mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario.

Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la tierra formando un ángulo también de 23.45º respecto al ecuador.

En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día más largo del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese día ocurre el soleamiento máximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto.

Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de primavera, día y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la tierra forma un ángulo de -23.45º con respecto al ecuador.

Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 2 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones.


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Figura 2. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.

Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos solares. Ver figura 3.


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Figura 3. Trayectoria del Sol, durante los solsticios y los equinoccios.

Como se mencionó antes, los movimientos de rotación y traslación de la Tierra hacen que varíe la cantidad de radiación que recibe el planeta. Así, para conocer la radiación por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios parámetros como la latitud y la longitud geográficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentración de vapor de agua y la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera.


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La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiación que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiación solar no es constante sino que cambia según las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región.

Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el límite superior de nuestra atmósfera llega una cantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1.367 Kw/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada m² le llegan 1.367 Kw de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendría una energía de 1.7 X

W/hr cada 60

minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un año (7 X


W/hr).

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1.2 Definición de un colector solar.

Un colector solar es cualquier dispositivo diseñado para acumular la energía irradiada por el sol y convertirla en energía térmica.

1.3 Clasificación de colectores solares.

Los colectores solares se clasifican en dos grandes grupos que son: Colector de baja temperatura (utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción y calentamiento solar de agua). Y Colector de alta temperatura (conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir energía eléctrica). También llamados de concentración. Todos

estos a

su

vez

se

subdividen de acuerdo al modo en el que están construidos.

Figura 4. Clasificación de los colectores solares.


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1.4 Colector solar plano.

Consiste en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a al pasar a través de el.

Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados en el mundo. Correctamente diseñado y construido, el colector plano puede durar de 20 a 25 años o más.

Por lo general el diseño de un colector solar plano contempla las siguientes partes: •

La cubierta transparente o también llamado cristal protector.

•

Tuberías o serpentín.

•

La placa de absorción.

•

El aislamiento térmico del colector.

•

La caja del colector o armazón.

Lo anterior se demuestra en la figura 5.

Los colectores planos funcionan a bajas

temperaturas, entre 80 y 60 º C,

y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero también para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías, baños públicos, embotelladoras, refrigeración, etcétera.

En la figura 6 se puede apreciar un colector solar plano dispuesto para la producción de agua caliente sanitaria.


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1.5 Principio de funcionamiento de un colector solar plano.

El principio general de funcionamiento de un colector solar plano es el llamado efecto invernadero. Primero debemos saber que cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite cierta radiación que tiene una longitud de onda corta. Ahora, suponiendo que tenemos un sistema con una cubierta transparente y que está perfectamente aislado del exterior, con un material pintado de negro en su interior (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material. Pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que la del exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero.

Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, únicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las que le llegan y por eso la

longitudes de onda

vemos blanca. En contraposición con el

blanco,

el color negro absorbe todas las longitudes de onda.

La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector solar.


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El rendimiento de los colectores planos se conoce bien y se puede predecir. Por lo general, el rendimiento o eficiencia del colector se mide como la razón entre la energía útil y la energía que incide sobre el colector (energía disponible). Expresada como una fórmula:

Tres factores principales influyen en la eficiencia del colector plano: 1. La razón a la cual se extrae el calor del colector. Se representa con “FR”. 2. Las pérdidas de calor en el colector. Se indica con “ ”. 3. La cantidad de energía transmitida a través de la cubierta y absorbida por la placa. Se representa con “ ”.

Si se conocen estos tres factores es posible pronosticar con precisión el rendimiento del colector.

Figura 5. Colector solar plano, seccionado.


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Figura 6. Colector solar plano para producción de agua caliente sanitaria.


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1.6 Orientación de un colector solar plano.

Ahora bien, la Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslación y que realiza durante un año. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado eclíptica. Como el Sol está en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta está más cerca del Sol en una época y más lejos en otra. La Tierra alcanza su máxima aproximación al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 Km., posición llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada año. A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada año, alcanza la posición más separada, su afelio, a 1.54 x 108 km. de distancia.

Lo anterior se puede comprender mejor observando la Figura 7.

Pero nuestro planeta no sólo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotación. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclíptica, sino que forma un ángulo de 23.45º. Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta inclinación del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiación que recibimos del Sol, en cada caso.

La luz solar viaja en línea recta desde el sol hasta la tierra. Al penetrar la atmósfera terrestre, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie en línea recta. Finalmente, como ya se mencionó anteriormente, una última parte es absorbida por la atmósfera. A esta luz solar dispersa se le denomina radiación difusa o luz difusa. La luz del sol que cae sobre la superficie sin dispersarse ni ser absorbida, es, por supuesto, radiación directa. Ver Figura 8.


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Figura 7. Orbita de la tierra.

Un colector solar genera calor incluso en ausencia de luz solar directa. Por ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo, las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un colector orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el colector deberá orientarse hacia el sur y en el Hemisferio Sur, hacia el norte. Ver Figura 9.

Figura 8. Únicamente una pequeña fracción del total de luz solar alcanza, en efecto, la superficie de la tierra.


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1.7 Ángulo de inclinación de un colector solar plano.

El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los colectores solares alcanzan su máxima efectividad cuando están orientados hacia el sol, en un ángulo perpendicular con éste a mediodía.

Por lo general, los colectores solares son colocados sobre un techo o una estructura y tienen una posición fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el cielo. Por lo tanto, no estarán orientados hacia el astro con un ángulo óptimo (90 grados) durante toda la jornada.

El ángulo entre el plano horizontal y el colector solar se denomina ángulo de inclinación.

Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones estacionales. En invierno, el sol no alcanzará el mismo ángulo que en verano. Idealmente, en verano los colectores solares deberían ser colocados en posición ligeramente más horizontal para aprovechar al máximo la luz solar. Sin embargo, los mismos colectores no estarán, entonces, en posición óptima para el sol del invierno.

Con el propósito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los colectores solares deberán ser instalados en un ángulo fijo, determinado en algún punto entre los ángulos óptimos para el verano y para el invierno. Cada latitud presenta un ángulo de inclinación óptimo.

Por lo tanto: los colectores deben instalarse con un ángulo de inclinación respecto a la horizontal en el terreno igual al valor de la latitud en ese mismo sitio.

Lo anterior se ilustra en la Figura 9.


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Figura 9. Orientación y ángulo óptimo de inclinación para un colector solar. (Instalado en el hemisferio Norte)

Nota: Ligeras

desviaciones

de

unos

5º

con

respecto

del

ángulo

de

inclinación óptimo tienen sólo un efecto menor en la producción de energía.


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CAPÍTULO II MARCO CONTEXTUAL 2.1 .Antecedentes de los calentadores solares. Durante siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra.

El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del Sol.

Hace unos 2,500 años la cultura griega comenzó a diseñar sus casas para captar la radiación solar durante el invierno. Casi con total seguridad no fue la primera cultura humana en hacerlo. Posteriormente otras personas creerían descubrir por vez primera las ventajas de abrirse al Sol.

Los romanos adoptaron la técnica solar griega, desarrollándola y adaptándola a los diferentes climas del imperio, empleando el vidrio en el cerramiento de las ventanas a fin de incrementar la ganancia de calor solar evitando las pérdidas, y aplicándola en invernaderos y edificios públicos tales como los baños.

Capítulo II: Marco Contextual

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La arquitectura solar se convirtió en parte tan consustancial de la vida que la garantía de los derechos al sol, es decir, el derecho a que la casa del prójimo no se interpusiera entre el Sol y la casa propia, quedaría finalmente incorporado a la ley romana.

Junto con la orientación solar de los edificios y el empleo del vidrio como captador del calor solar, los antiguos conocieron otros modos de aprovechar la energía solar. Griegos, romanos y chinos desarrollaron espejos curvados que podían concentrar los rayos del Sol sobre un objeto con intensidad suficiente como para hacerlo arder en pocos segundos. Se trataba de reflectores solares a base de plata, cobre o bronce pulimentado.

Yendo más lejos que los griegos y romanos, en el siglo XVIII el uso del colector solar en forma de invernaderos surgió con fuerza en Inglaterra, donde llegaron a ponerse de moda con tal intensidad que se consideraba de mal gusto no poseer uno. Resulta notable la detallada comprensión del funcionamiento del colector solar que tenían los artesanos de la época, con anterioridad a que fueran difundidos los principios termodinámicos que permitirían explicar el fenómeno. De este modo, la necesidad de aislamiento nocturno se manifiesta en las contraventanas, toldos y demás partes móviles de la carpintería. También se entrevió las ocasionales necesidades de ventilación, disponiéndose ventanucos arriba y abajo para permitir la expulsión de aire caliente y poder evitar así sobrecalentamientos excesivos. En los invernaderos de la época, se afinaba también la inclinación del vidrio según la latitud del lugar, a fin de enfrentarse al sol de la manera más directa en la época más fría.

Finalmente, el uso del invernadero pasó de la horticultura a la vivienda, primero como espacio anexo a la misma, que servía de aislamiento respecto al espacio exterior, después como habitación para algunos usos (tales como juegos, lectura o descanso), después, incorporado en la propia vivienda, en forma de estufa o salón con fuerte acristalamiento en la cubierta y/o en los muros laterales.


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En el siglo XIX la popularidad de las estufas fue tal que cada quien quería tener una. De hecho, la gente comenzó a no preocuparse de la correcta orientación. A fin de conseguir una estufa en su vivienda, y en el caso de carecer de una habitación de la casa con la orientación adecuada, se acristalaba la fachada en cualquier caso, y para producir el mismo calor que no podía entonces ganarse del Sol, se recurría a sistemas de calefacción basados en el carbón o en el gas, disponibles a precios irrisorios por aquella época. De esta forma, en lugar de calentarse mediante los rayos solares procedentes del sur, los invernáculos contaban con sistemas de calefacción artificial; de ahorradoras de combustible, las estufas pasaron a ser despilfarradoras del mismo. Debido a ello, la muerte y desaparición de la estufa inglesa fue en muy buena parte debida a la institución del racionamiento de combustible durante la primera guerra mundial. La lección de la calefacción solar aprehendida en una época de sabia utilización de los recursos locales y disponibles, volvió a perderse cuando el acceso a recursos energéticos fósiles lejanos pero baratos se generalizó.

A finales del siglo XIX, ya familiarizados con las propiedades de las cajas calientes. En USA florecieron empresas rentables dedicadas a la instalación de aparatos solares domésticos. La patente Climax, por ejemplo, de 1891, mezclaba la vieja práctica de la exposición de depósitos metálicos desnudos al sol con el principio científico de la caja caliente, incrementando, así, la capacidad del depósito para captar y retener el calor solar.

En nuestro país a lo largo de los años, la energía solar ha sido prácticamente desaprovechada en su totalidad debido a la casi nula difusión de estos sistemas, fundados en un tipo de energía que es natural, renovable y no contaminante. Esto ha generado que el mercado comercial sea pequeño, al igual que la demanda y en consecuencia, en la mayoría de las aplicaciones, que el costo de producción sea tan elevado, desperdiciando la luz del Sol, que aparece todas las mañanas sin cobrar.


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Debe quedar claro que la energía solar no constituye la solución universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamente como una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo.


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2.2 Diagnóstico de la situación energética en México y en la región. (Definición y formulación del problema) México es un país que depende económicamente del petróleo y donde un 90% de la producción de la energía primaria se obtiene mediante hidrocarburos. Esta realidad trae como consecuencia la escasa difusión de energías alternativas tales como la energía eólica (Viento) y la energía foto térmica (Solar).

El escenario anterior se manifiesta notablemente en la mayoría de poblaciones del país y la comunidad de Coyopolan ubicada en el estado de Veracruz, donde se llevó a cabo el proyecto, no es la excepción. El desconocimiento en las energías alternativas ha provocado que los habitantes de este pequeño lugar se vean gravemente afectados en su calidad de vida, ya que al ser una zona rural con muy alta marginación y debido a los precios notablemente altos en los hidrocarburos (Gas), les es prácticamente imposible acceder a ellos.

Ante estas circunstancias los habitantes optan por utilizar dendroenergéticos (Leña, Carbón), desencadenando problemas graves en el medio ambiente como deforestación, el desperdicio e uso incorrecto de maderas preciosas y la amenaza a la fauna debido a la destrucción de su hábitat natural.

Cabe mencionar que la obtención de los dendroenergéticos resulta la mayoría de las veces peligrosa, ya que en ciertas ocasiones estos se encuentran en zonas de difícil acceso para el hombre (barrancas, precipicios) o en zonas habitadas por fieras y animales venenosos que al sentirse amenazados pueden

atacar,

poniendo en riesgo la integridad física de las personas, o incluso al transportar tan pesada carga hay riesgo de lesiones en la espalda. Ver Figura 10.

Otro aspecto negativo del uso de los dendroenergéticos es que múltiples evidencias demuestran la relación entre la exposición al humo de carbón o leña con las infecciones respiratorias en la infancia, así como casos de enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y de cáncer de pulmón. Ver Figura 11.


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Figura 10. Traslado de la carga de leña pone en riesgo la integridad física de las personas.

Figura 11. Evidencias demuestran la relación entre la exposición al humo de carbón o leña con el cáncer de pulmón.


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2.3 Respuesta a la situación energética en México y la región. (Justificación) Una de las metas de este proyecto es hacer una contribución a satisfacer las necesidades que tiene México. Pretende aportar conocimiento aplicable para ayudar a satisfacer una necesidad que ya resulta grave: el crecimiento sustentable del país y el mejoramiento del nivel de vida de su población.

El punto de partida es la fe en la propia capacidad para desarrollar ciencia aplicada, enfocada principalmente a la atención de problemas nacionales. Dejar de únicamente importar bienes e intentar también hacer las cosas por nuestra cuenta tiene diversos beneficios sinérgicos, como el que resulta del aprendizaje logrado durante los procesos de una investigación o de un avance tecnológico, en otras palabras, con el desarrollo de tecnología propia, al mismo tiempo que resolvemos una cuestión práctica, también generamos un mecanismo de enseñanza en el que se estimula la creatividad y se amplía nuestro criterio para contribuir a soluciones. Así mismo, al abordar nuestros problemas concretos dentro de un marco de investigación nacional, aseguramos que nuestras respuestas serán óptimas y específicas, en el contexto de nuestra situación, un punto de importancia pues sobran ejemplos donde las ideas copiadas del extranjero no sólo resultan ineficaces en nuestro entorno local, sino incluso contraproducentes.

Los recursos naturales aportan todo lo que el hombre necesita; la energía solar forma parte de ellos y es prácticamente inagotable, esto se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principio caliente. Otro experimento consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa.

México es un país con grandes posibilidades para su explotación. Nuestro proyecto de investigación hace que esa riqueza potencial se transforme en capital


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real; de ahí que el conocimiento y el avance de las diferentes tecnologías relacionadas con la solar, permita que se utilice este recurso con mayor intensidad y eficiencia en todas sus aplicaciones.

Uno de los principales usos finales de la energía es el calentamiento de fluidos, principalmente aire y agua. En el sector residencial se aplica, fundamentalmente, para calentar el agua para la higiene personal y el lavado de ropa y/o utensilios relacionados con la preparación y consumo de alimentos. En el sector de los servicios las necesidades son similares, pero en volúmenes significativamente mayores por instalación, además del calentamiento de agua utilizada en entretenimiento, como en el caso de las albercas. En actividades industriales el agua y el aire calientes se emplea en la producción, tratamiento y/o manejo de bebidas y alimentos, entre otros usos. Finalmente, en el sector agroindustrial se aplican, para fines de higiene y confort, en los procesos de crianza y engorda de aves y animales. En este sentido, el calentamiento de agua es un proceso relativamente simple que se obtiene, predominantemente, con la quema de combustibles fósiles, en el sector residencial, y con gas LP, gas natural y leña, en zonas rurales o periurbanas, mientras que en los sectores productivos, se logra con gas LP, gas natural, combustóleo y/o diesel. El calentamiento solar de agua es un proceso que puede ser más económico que los procedimientos que utilizan combustibles fósiles, además de que sus impactos al medio ambiente son prácticamente nulos. En otras partes del mundo el calentamiento solar es una alternativa aplicada con gran amplitud.

Instalar un sistema para calentamiento solar de agua en una comunidad como Coyopolan, Veracruz donde la marginación de la población es alta, ofrece una respuesta concreta a los problemas formulados anteriormente, aportando grandes beneficios tales como: Cuidado del medio ambiente, cuidado de la salud, aprovechamiento de energías renovables y aumento notable en la calidad de vida de los habitantes del lugar


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2.4 Situación Geográfico-Solar en México y en la región. En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual más alto, el aprovechamiento de la energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción.

En la Figura 12 se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación con sus respectivos valores.

Figura 12. Mapa de radiación solar en la República Mexicana.

Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación solar, así como también la zona central del estado de Veracruz goza de buen recurso solar.


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De ante mano sabemos que la latitud y la longitud de Coyopolan, es 19º36 Norte y 97º06' Oeste y de acuerdo a la Figura 14; el promedio de radiación anual por día en el año es de 5.66 Kwh/ m². Esto quiere decir que en promedio cada m² de la comunidad de coyopolan recibió ese año 5.66 Kwh por día. Si esa energía pudiera aprovecharse sería suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento común.

2.5 Descripción mínima de la ubicación del proyecto. La localidad de Coyopolan está situada en el Municipio de Ixhuacán de los Reyes (en el Estado de Veracruz de Ignacio de la Llave). Tiene aproximadamente 312 habitantes*. Coyopolan está a 1560 metros de altitud sobre nivel del mar. Cuenta con servicios de Electricidad y Agua. Así como con una escuela primaria y un jardín de niños. Cuenta con una casa UV en donde se prestan servicios médicos a la población y donde se llevó a cabo el proyecto.

Figura 13. Ubicación de la comunidad de Coyopolan (Marca “A”) en en el Municipio de Ixhuacán de los Reyes, en el estado de Veracruz.


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Figura 14. Fotografía satelital de la comunidad de Coyopolan en en el Municipio de Ixhuacán de los Reyes, en el estado de Veracruz.

Figura 15. Fachada de la casa UV en la comunidad de Coyopolan en en el Municipio de Ixhuacán de los Reyes, en el estado de Veracruz.


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2.6 La investigación solar en México.

Como se observó en la figura 12, nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California, principalmente) con el promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para satisfacer la demanda que requiere nuestro país. Además, como en las zonas desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias decenas de Megawatts (Mw) de potencia.

Hoy en día, la energía solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energía. Según la SENER, en 2009 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.53% del total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 3.54%; después seguía el carbón, con el 2.15%, después la geo energía con el 1.57% junto con la núcleo energía con un 1.14%, finalmente las energía solar con un pobre 0.06%.

El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5 Kwh/m². Nuestro país se encuentra catalogado como uno de los primeros diez países productores de este tipo de energía. Actualmente existe una superficie total de 1 millón de m² de colectores, que producen aproximadamente 4.5 PJ por año.

El 5 de febrero de 2009 fue publicada en el Diario Ofcial de la Federación la Norma Técnica de Competencia Laboral (NTCL) NUSIM005.01 “Instalación del sistema de calentamiento solar de agua”, la cual tiene por objeto “Servir como referente para la evaluación y certificación de las personas que instalan calentadores solares de agua cuyas competencias incluyen interpretar diagramas y manuales, preparar el área, materiales y herramientas para la instalación de


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sistemas de calentamiento solar de agua e instalar y poner en marcha componentes del sistema

Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son: el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos. Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigación básica y aplicada que se realice en México. En la figura 16 se resume la investigación solar que se lleva a cabo en nuestro país.

Figura 16. Investigación solar en México.


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2.7 .Objetivos del proyecto.

2.7.1 Objetivo general: Implementación de un sistema de calentamiento solar de agua para uso residencial operado por efecto termosifónico, construido a partir de materiales reciclables fáciles de conseguir, económicos y durables, para proporcionar agua caliente a la casa UV en Coyopolan Veracruz, en la cual habitan de 5 a 6 integrantes durante todas las épocas del año.

2.7.2 Objetivos específicos:  Evaluación y aprovechamiento del recurso solar en Coyopolan, Veracruz.  Evaluación del funcionamiento del calentador solar.  Utilización de material reciclado para construcción del colector.  Seguimiento de temperaturas del agua al interior del termotanque.  Difundir el uso de energías alternativas

2.8 . Responsables del proyecto.

2.8.1 Ejecutor del proyecto: José Donato Contreras Trejo.

2.8.2 Asesores del proyecto:  Director de proyecto: Dr. Jorge Arturo Del Ángel Ramos.  Responsables de casa UV Coyopolan, Ver: Dr. José Luis Pérez. Lic. Rafael Sol.  Entidad responsable: Dirección de vinculación social UV.


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2.9 . Ubicación del proyecto.

2.9.1 Área de investigación: Ingeniería Mecánica Eléctrica.

2.9.2 Materia de investigación: Uso racional y eficiente de la energía .

2.9.3 Cobertura del proyecto: Casa UV Coyopolan, Veracruz.

2.10 . Metodología.

2.10.1

Tipo

de

investigación:

Teórica -Aplicada

e

Innovación

tecnológica.

2.10.2

Universo y muestra: La implementación del calentador solar

de agua

tuvo lugar en la casa de la universidad veracruzana,

ubicada en la comunidad de Coyopolan, Veracruz, en un lapso de tiempo no mayor a 12 meses, partiendo de un estudio y evaluación de las condiciones ambientales y socioeconómicas de la región. 2.10.3

Fases del proyecto:

 Concepción.  Exploración.  Diseño.  Implementación.  Evaluación y Conclusión.


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2.11 . Administración del proyecto.

2.11.1

Recursos disponibles

a) MATERIALES:  Territorio de Coyopolan, Ver.  Equipo de cómputo.  Instrumentación y equipo de medición para pruebas físicas.  Apoyo económico

: b) HUMANOS  Ingeniero Mecánico Electricista.  Director de proyecto.  Habitantes de Coyopolan, Ver.  Coordinadores de casa de la universidad.


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CAPITULO III DISEÑO DEL SISTEMA 3.1 Estudio y evaluación de la Irradiación solar en Coyopolan, Veracruz. (Datos)

La Irradiación solar en la república mexicana se especifica en la figura 17.

Figura 17. Radiación solar global en promedio por año en la república mexicana. De acuerdo a lo observado en la imagen anterior, el estado de Veracruz presenta una radiación solar global en un intervalo de 2100 a 1250 J/cm 2-dia, valores que equivalen a 5.83 y 3.47 Kwh/m2-dia respectivamente a lo largo de un año.

Capítulo III: Diseño del sistema

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En las figuras 18, 19 y 20 se presentan detalladamente cada uno de los tipos de Irradiación solar en el estado de Veracruz; es decir: Irradiación solar difusa, directa y global.

Kwh/m2 – día

Figura 18. Irradiación solar difusa en el estado de Veracruz.

Kwh/m2 – día

Figura 19. Irradiación solar directa en el estado de Veracruz.


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Kwh/m2 – día

Coyopolan, Veracruz.

Figura 20. Irradiación solar global en el estado de Veracruz.

Ahora bien; En el caso particular de la comunidad de Coyopolan, Veracruz latitud y longitud es: 19º 36 '

y 97º 06'

respectivamente, siendo el promedio

de radiación anual por día en el año 5.11 Kwh/ m.

Otros datos de interés para el diseño del colector, tales como las temperaturas promedio en la comunidad de coyopolan y la distribución horaria de la radiación solar en superficies horizontales e inclinadas para la comunidad de Coyopolan, se encuentran especificados en los anexos 1, 2 y 3 al final de este documento.

Finalmente, de acuerdo a los datos analizados anteriormente, concluimos que: Es factible implementar un sistema de calentamiento solar de agua en la comunidad de Coyopolan, municipio Ixhuacán de los Reyes, en el estado de Veracruz, debido a que cuenta con un recurso solar aceptable para los fines propuestos. Capítulo III: Diseño del sistema

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3.2 Propuesta inicial de diseño del sistema. El sistema propuesto se compone en casi su totalidad de materiales plásticos y reutilizables, a modo de disminuir el costo del mismo y a la vez, constituirse como un producto útil. Dicho sistema consta de los siguientes componentes:  Un circuito de tubos de color negro, que conducirá agua en su interior, el mismo cumplirá a su vez la función de absorbedor del calor y será capaz de resistir las temperaturas que pudieran presentarse en el sistema.  Una cámara de aire doble con dos cubiertas transparentes para disminuir el efecto convectivo que enfriaría el agua que circulará por el circuito de tubos.  Un sistema de redirección de la radiación solar por reflexión para mejorar el rendimiento óptico y térmico del sistema.  Un cajón que contendrá en su interior los tres elementos mencionados anteriormente y que además estará aislado térmicamente, todo esto es para mejorar el rendimiento del colector, así como su vida útil y su estética.  Un tanque de almacenamiento de fluido, compuesto por un ensamble de dos recipientes de plástico con diámetros diferentes que puedan contener agua en posición horizontal y que sean ensamblados de tal forma que se pueda insertar el recipiente con el diámetro pequeño dentro del otro con un diámetro mayor. El recipiente interior estará aislado térmicamente para conservar el agua caliente que acumulará en su interior y el exterior tendrá como funciones principales favorecer

el aislamiento de temperatura, protección contra la

intemperie del tanque interior, así como la estética del sistema.  Elementos de interconexión: conductos y uniones que enlazan el tanque de almacenamiento con el circuito de tubos de color negro. Como sabemos los sistemas de calentamiento solar de agua están constituidos por dos elementos principales:  Colector  Tanque de almacenamiento.


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Por lo tanto; en este caso el colector estará formado por los siguientes componentes: el circuito de tubos, la cámara de aire, el sistema de redirección de la radiación y el cajón; El tanque de almacenamiento ya se describió con anterioridad.

El colector para el que se describe esta propuesta de diseño, opera por circulación natural, es decir, la circulación del agua entre el colector y el tanque de almacenamiento, es producida por el efecto de termosifón, presentado cuando, una masa de fluido es calentada, a través de la base de un recipiente, es decir, el agua al entrar por la parte inferior del colector, es calentada, lo cual disminuye su densidad debido al incremento de temperatura, entonces, la columna de agua fría en la tubería de retorno al colector y la columna de agua caliente dentro del mismo, se desequilibran, haciendo que por gravedad la primera baje y empuje a la caliente. La figura 21 muestra un diagrama de lo anterior.

Figura 21.Diagrama del colector solar propuesto.


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3.2.1 Selección de los materiales.  Aislante térmico: El material que se utilizará como aislante térmico en el colector será el poliestireno expandido, mejor conocido en nuestro país como “unicel”, pues es un material de fácil consecución, bajo costo y propiedades térmicas aceptables (Ver anexo 4). Para nuestro caso, reutilizaremos residuos de poliestireno provenientes de empaques de electrodomésticos que se desechan en lugares como tiendas departamentales o supermercados.  Sistema de redirección de radiación solar: Para este caso se utilizarán envases de leche vacíos, mejor conocidos como “Tetrapak”, los cuales están conformados por 5 diferentes capas de material: 3 de polietileno, 1 de aluminio y 1 de papel Kraft de alta calidad. Como sabemos el aluminio es un excelente material, pues refleja más de un 90% de la radiación visible incidente (Luz). Y más del 98% de la radiación infrarroja.  Cubierta transparente: Este sistema contará con doble cubierta transparente. Los materiales a utilizar son vidrio plano claro y tereftalato de polietileno (PET) para una primera y segunda cubierta respectivamente. Dichos materiales presentan buenas propiedades de resistencia a la degradación, una transmitancia aceptable (Ver anexo 4) y facilidad de manejo y adquisición. Para nuestro caso, reutilizaremos botellas de PET provenientes de algunas bebidas como refrescos y que se desechan en lugares como restaurantes, antros, salones de fiestas, escuelas y hogares. La placa de vidrio será comprada en algún sitio donde comercien vidrio reciclado.  Conductos de circulación del agua: Se seleccionó el polietileno pigmentado con color negro como el material del cual estarán fabricados los tubos que componen el circuito, esto tomando en cuenta su alta resistencia mecánica y a la intemperie, así como sus aceptables temperaturas de trabajo, peso y su bajo costo. Los tubos de polietileno serán comprados en alguna ferretería o tienda especializada.


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 Cajón: El material que se seleccionó para elaborar el cajón es la lámina de acero galvanizado. Esta lámina tiene propiedades especiales de maleabilidad, resistencia,

economía

y

versatilidad,

tiene

excelentes

características

anticorrosivas y de larga vida. El cajón del colector se elaborará a partir de láminas galvanizadas compradas y posteriormente se solicitará su fabricación a un herrero.  Tanque de almacenamiento: Se sugirió que los dos recipientes que forman el tanque de almacenamiento fueran de un material plástico, esto debido a su resistencia, economía y peso liviano. Los recipientes plásticos pueden obtenerse y reutilizarse de tambos vacíos de aceite y aditivos que se desechan en lugares como talleres mecánicos y tiendas especializadas en este tipo de productos.


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3.2.2 Bocetos de la propuesta inicial del sistema. Con el fin de que sea más clara y entendible la propuesta inicial se elaboraron los bocetos a mano alzada que se presentan a continuación:

Figura 22. Circuito de circulación de agua. Vista superior.


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Figura 23.Circuito de circulación de agua. Vista lateral.


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Figura 24. Tanque de almacenamiento, elementos de interconexión y cajón.

Figura 25. Tanque de almacenamiento y aislante térmico.


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Figura 26. Cubierta transparente y aislante térmico.

Figura 27. Sistema de calentamiento solar de agua instalado en una vivienda.


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3.3 Calculo de la capacidad del sistema. Para diseñar el sistema propuesto en este trabajo lo primero que se debe conocer es la capacidad de agua a utilizar, la temperatura a la entrada y la temperatura de almacenamiento. De acuerdo a los datos de la CONUEE se conoce que la cantidad de agua total que utiliza una persona en un día normal es de aproximadamente 48 litros de agua al día. Si de esto se considera que la mitad es agua caliente entonces para efectos de cálculos del sistema serán 24 litros. Por lo tanto, si se calcula la capacidad para una vivienda de 5 personas en Coyopolan, Veracruz. Se tendrá:

(

) (

) Ecuación (1)

Sustituyendo datos y resolviendo la ecuación (1) nos queda:

(

) (

)

3.4 Diseño asistido por computadora (CAD) Tomando en cuenta lo previsto en la idea inicial, se realizó un modelado virtual del colector; dicho modelado nos arrojó como resultado el diseño final, sobre el cual nos basamos para la construcción del calentador solar. Los dibujos y planos del sistema de calentamiento de agua que se elaboraron con ayuda de un software computacional de nombre “Solidworks” se encuentran en el Anexo 5 de este libro. 3.5 Determinación cuantitativa de los materiales. Después de realizar el modelado virtual por medio del software computacional “Solidworks”, se realizó la correspondiente identificación de todos y cada uno de los materiales necesarios para la fabricación del calentador, así como un minucioso conteo de los mismos. Todo esto nos sirvió como referencia para elaborar una “Lista de materiales” y posteriormente utilizarla para proveernos de todo lo necesario para la construcción del proyecto. Dicha lista se incluye a continuación.


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. Material

Cantidad

Unidad

Tubo de polietileno (Poliducto) ½”

12

m

Tubo de polietileno (Poliducto) ¾ “

1.5

m

Tee de espiga polietileno reducción ¾” a ½“

12

Pzas.

Botella transparente de PET 3Lts.

54

Pzas.

Abrazadera sinfín ¾”

28

Pzas.

Abrazadera sinfín ½”

12

Pzas.

Cajón de lámina, acero galvanizado 2.1m X 0.88m X 0.15m

1

Pza.

Poliestireno, lámina 2.1m X 0.15m

2

Pzas.

Poliestireno, lámina 0.88m X 0.15m

2

Pzas.

Poliestireno, lamina 2.1m X 0.88m

1

Pzas.

Recipiente de leche tetrapak

50

Pzas.

Cinta adhesiva para ductos plateada. 47mm X 30m

1

Pza.

Pintura en aerosol color negro mate 400 ml

1

Bote

Tubo de PVC cedula 40 ¾”

4

m.

Codo 90° PVC ¾”

4

Pzas.

Tuerca unión PVC ¾”

4

Pzas.

Adaptador PVC Rosca interior ¾”

9

Pzas.

Tapón PVC ¾”

2

Pzas.

Conector espiga polietileno ¾” Rosca exterior

3

Pzas.

100

ml.

Angulo Aluminio 2cm X 2cm

6

m

Remaches 1/8” X 1/2”

18

Pzas.

Hoja de vidrio transparente 1.05m X 0.88m espesor 6 mm

2

Pzas

Tanque plástico capacidad 120L

1

Pza.

Tanque plástico capacidad 200L

1

Pza.

Tubo roscado acero galvanizado ¾”

50

cm.

Tuerca acero galvanizado ¾”

4

Pzas.

Cemento para PVC Bote

Neopreno

100

Espuma de polietileno

16

Llave de paso PVC

1

Pza.

Tee PVC ¾”

1

Pza.

Figura 28. Lista de materiales necesarios para la fabricación del calentador solar.


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3.6 Condiciones del sitio para la instalación del sistema A sabiendas que al terminar la fabricación del sistema de calentamiento solar de agua sigue la instalación del mismo, en el lugar donde aportará sus beneficios, se determinó el sitio real y definitivo para el dicho sistema.

Y después de un análisis de factores que benefician el funcionamiento del colector, se concluye que el mejor lugar para su instalación, es el techo de la casa de la universidad ya que cumple con todos y cada uno de los requisitos mencionados a continuación.  Correcta orientación: Mediante una brújula se pudo constatar que en el techo se permite una buena orientación hacia el sur y como se explicó en el capítulo I esta es la correcta para regiones ubicadas en el norte del planeta.  Inclinación adecuada: Tomando en cuenta que, según el capítulo I, los colectores deben instalarse con un ángulo de inclinación con respecto a la horizontal en el terreno igual al valor de la latitud en ese mismo sitio, con un pequeño margen de tolerancia de ±5º. Mediante trigonometría se obtuvo el ángulo de inclinación del techo, resultando 22º.  Inexistencia de objetos que bloqueen los rayos solares (Arboles, paredes, etc): No se encontró objeto alguno que obstruya e impida que los rayos solares lleguen plenamente al colector.  Correcta ubicación para asegurar un buen flujo de agua hacia las salidas de la casa. (Fregaderos, regaderas, etc.) El techo tiene una altura que permite y facilita un correcto flujo de agua hacia todas las salidas de la casa.


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CAPITULO IV CONSTRUCCION DEL SISTEMA 4.1 Proceso paso a paso.

El procedimiento para construir el colector solar de PET se resume en los siguientes párrafos:

1) Se reunieron 54 botellas de PET de la misma capacidad y forma. Dichas botellas se recolectaron en escuelas, fiestas, etc. De acuerdo al diseño ocupamos solo botellas transparentes de 3 litros. (Ver figura 29)

Figura 29. Recolección de botellas PET

2) Se quitó todo tipo de etiquetas adhesivas y tapas de polietileno y se dejó la botella desnuda y limpia. Posteriormente se lavaron y enjuagaron cada una de ellas. (Ver figura 30).

3) Luego se realizan los cortes en las botellas: Este paso es muy importante, ya que de su precisión dependerá el sostén de las botellas con el circuito de tubos negros del calentador. Los cortes se realizan en la parte superior de la botella, en la boquilla de la misma a 2 cm del borde, por lo que se recomienda utilizar un arco de sierra o segueta. El segundo corte se realizó en la base de la

Capítulo VI: Construcción del sistema

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. botella a 5 cm del borde inferior con ayuda de un cúter. Todo esto concordando con las medidas del dibujo 1 del anexo 5. (Ver dibujo 1 y figura 31)

Figura 30. Lavado de botellas, retiro de etiquetas y demás embalajes.

Figura 31. Corte de botellas.

4) A continuación se procedió a cortar 6 tubos negros de polietileno con ayuda de una segueta de acuerdo a la medida dictaminada para estos en el dibujo 2 del anexo 5. (Ver Dibujo 2 y Figura 32).

Figura 32. Corte de tubo de polietileno según las medidas del dibujo 2.


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5) Con cada uno de los tubos mencionados en el inciso 4, se enhebraron las botellas cuidando que el orificio de la boquilla de estas se ajustará perfectamente al diámetro de dichos tubos. Se ensamblaron 9 botellas en cada tubo de acuerdo a lo indicado en el dibujo 3 del anexo 5. A cada ensamble de tubo con botellas se le dio el nombre de ramal; por lo tanto al final resultaron 6 ramales (Ver Figura 33) La botella actúa como un pequeño invernadero.

. Figura 33. Enhebrado de botellas de PET

6) A continuación se cortaron 10 tubos de poliducto (Ver Figura 34) de acuerdo a las medidas indicadas en el dibujo 4 del anexo 5.


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7) Se prepararon 12 tees espiga, cuyas medidas están indicadas en el dibujo 6 del anexo 5, las cuales junto con los tubos del inciso 6 sirvieron para integrar el cabezal superior y el cabezal inferior respectivamente. Cada cabezal está compuesto por 5 de estos tubos unidos mediante los extremos izquierdo y derecho de las 6 tees de espiga, dejando libre el conector intermedio de dichas tee. (Ver Dibujo 7 anexo 5). El proceso de inserción de los tubos a una tee se muestra en la figura 35.

Figura 34. Tubo de polietileno cortado según las medidas del dibujo 4.

Figura 35. Inserción de tee en tubo de poliducto.

8) Paso seguido se acoplaron los 6 ramales con los cabezales inferior y superior, insertando cada ramal en el extremo intermedio de las tee de poliducto de acuerdo a las indicaciones del dibujo 8 del anexo 5. (Ver Figura 36)


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Figura 36. Inserción de los ramales en el extremo intermedio de la tee.

9) Posteriormente se aseguraron todas las uniones con abrazaderas sinfín de la medida pertinente de acuerdo al tubo a asegurar, esto para evitar en un futuro cualquier posible fuga de agua. (Ver figura 37)

Figura 37. Aseguramiento de uniones con abrazaderas sinfín.

10) Después se pintaron todas y cada una de las tee de polietileno así como las abrazaderas sinfín, utilizando un bote de pintura en spray color negro mate, esto para que la absorción de calor en dichas piezas sea mayor. Se tuvo mucho cuidado en no manchar con pintura ninguna de las botellas transparentes de PET. (Ver figura 38)

11) La figura 39, muestra finalmente el resultado de todos los pasos anteriores y donde se pueden apreciar claramente el circuito de tubos negros y la cubierta transparente de PET.


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Figura 38. Pintura de tees de polietileno y abrazaderas sinfín.

Figura 39. Circuito de tubos negros y la cubierta transparente de PET. 12) Toda esta configuración de botellas y tubos se dispuso en un cajón para que la contenga. Para la fabricación del cajón del colector se contrató el trabajo metálico, es decir, el cortado, doblado y remachado. Las dimensiones y el tipo de material del cajón fueron las mismas que se citan en el dibujo 9 del anexo 5. (Ver figura 40) Capítulo VI: Construcción del sistema

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Figura 40. Cajón elaborado de lámina de acero galvanizado.

13) De acuerdo al diseño, el cajón se aisló térmicamente en su interior con láminas de poliestireno expandido (unicel); las láminas de unicel que se consiguieron provienen de desechos reciclados que fueron donados de almacenes y tiendas departamentales y como resultado de esto se obtuvieron diversas medidas (Ver figura 41). Por tal motivo se tuvo especial cuidado en el corte de las mismas de tal manera que, al revestir el interior del cajón, concordasen las dimensiones de ambos. Lo anterior se muestra en la figura 42.


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. Figura 41. Láminas de poliestireno expandido.

Figura 42. Revestimiento de aislamiento térmico (poliestireno expandido) al cajón del colector solar.

14) Para implementar el sistema de redirección de la radiación solar, se recolectaron 50 envases de leche “tetrapak”. Dichos envases se obtuvieron mediante el reciclado de los mismos en el consumo diario de diversos hogares.


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. Paso seguido se lavaron y recortaron de acuerdo a las medidas y dimensiones indicadas en el dibujo 10 y 11 del anexo 5. (Ver figura 43)

15) Ya preparados, se colocaron los envases tetrapack de tal manera que la parte visible fuera el lado reflectante es decir el lado donde se encuentra visible la capa de aluminio. También de acuerdo a sus dimensiones, es decir; los envases del dibujo 10 en el fondo del cajón y los del dibujo 11 en los laterales. Además se engraparon unas con otras para mantenerlas en una sola posición y para una mayor fijación con respecto al cajón se les aplicó cinta adhesiva de alto pegado y resistencia de color plateado en varias uniones. (Ver figura 44)

Figura 43. Preparación de envases “tetrapak”.


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Figura 44. Disposición de los envases de “tetrapak” sobre el interior del cajón.


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.

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16) Posteriormente se ensambla e introduce el circuito de tubos negros con cubierta transparente de PET al cajón aislado y con superficie reflectante, conforme al dibujo 12 del anexo 5. A todo este conjunto de ensambles le llamamos colector solar, pues como su nombre lo indica tiene la función de colectar la energía solar y convertirla en energía térmica. (ver. Figura 45).

Figura 45. Ensamble de cajón, circuito de tubos, aislante, cubierta transparente de PET, cubierta reflejante.


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17) Acto seguido se taponearon 2 salidas del colector, todo esto se hizo, cortando 2 tubos de poliducto de acuerdo a las medidas del dibujo 5 del anexo 5. Después se les acopló, con ayuda de un conector espiga y un adaptador hembra de PVC, un tapón de PVC según se especifica en el dibujo 13 del anexo 5 (Ver figura 46).

18) Subsiguientemente se prepararon los 2 conectores del colector en los que se realizarán futuros enlaces con el termotanque, de manera muy similar que el inciso anterior, se cortaron 2 tubos de poliducto de acuerdo a las medidas del dibujo 5. Después se les acopló, con ayuda de un conector espiga y un adaptador hembra de PVC, media tuerca-unión de PVC según se detalla en el dibujo 14 del anexo 5 (Ver Figura 47).

Figura 46. Tubos de polietileno

Figura 47. Tubos de polietileno con

con tapones de PVC.

tuerca-unión de PVC.

19) Finalmente, los extremos que quedaban libres en los 4 tubos de polietileno expuestos anteriormente, se insertaron en los cabezales y se aseguraron con sus respectivas abrazaderas sinfín como se explica en el dibujo 15 que se incluye en el anexo 5. Cabe señalar que estos 4 tubos servirán como apoyo para los cabezales en el cajón del colector como se muestra en la figura 48.


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Figura 48. Tapones y conectores de colector solar 20) Como se desea aumentar la eficiencia del sistema de captación de energía, se utilizaron dos hojas de vidrio trasparente (Ver figura 49), dichas hojas se compraron de acuerdo a las medidas indicadas en el dibujo 16 del anexo 5, luego se colocaron en la parte superior del cajón del colector, sobre los bordes Capítulo VI: Construcción del sistema

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. dispuestos para esta situación (Ver figura 50) y se sujetaron a presión mediante un marco de

aluminio que se remachó a lo largo de los cuatro

laterales del cajón como se describe en el dibujo 18 del anexo 5. Dicho marco se fabricó a base de perfil de aluminio y cuyas dimensiones se mencionan en el dibujo 17. (Ver. Figura 51)

Figura 49. Hojas de vidrio trasparente.

Figura 50. Posicionamiento de las hojas de vidrio trasparente sobre los bordes superiores del colector solar.


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Figura 51. Aseguramiento por presión de las hojas de vidrio trasparente sobre los bordes superiores del colector solar mediante marco de aluminio.


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21) Siguiendo con el proceso se fabricó al tanque de almacenamiento de agua (Termotanque). Este tanque está formado por dos recipientes. En este caso recurrimos a recipientes hechos de polietileno reutilizados en color azul y negro de 120 y 200 litros respectivamente.(Ver fig, 52 y dib. 19-A y 19-B Anexo 5 ).

22) A el recipiente con menor capacidad, que es el que almacenará el agua caliente, se le adecuaron 2 salidas y 2 entradas en cada lado, todas son a base de tubo de acero galvanizado roscado, sujetado con tuercas de acero galvanizado y sellado con rondanas de neopreno, para evitar cualquier fuga de agua. Todo lo anterior siendo fieles al diseño del dibujo 20 del anexo 5. (Ver Figura 53)

23) Para aislar el termotanque colocamos el recipiente de menor capacidad dentro del de mayor capacidad, para lograr tal objetivo se le hicieron orificios al recipiente de mayor capacidad que coincidieron con las salidas y entradas del recipiente que se colocó en su interior de acuerdo al dibujo 21 del anexo 5. (Ver figura 54)

Figura 52. Izquierda: Recipiente azul 120 L. Derecha: Recipiente negro 200 L.


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Tesis Calentador Solar Indios 1

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