Tesis Calentador Solar Indios 1

5/27/2018 Tesis Calentador Solar Indios 1

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UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNCALENTADOR SOLAR ELABORADO A

BASE DE MATERIAL RECICLADO PARA LACASA UV EN COYOPOLAN, VERACRUZ

MEMORIA

Que para obtener el ttulo de:INGENIERO MECNICO ELCTRICISTA

PRESENTA:JOS DONATO CONTRERAS TREJO

DIRECTOR:DR. JORGE ARTURO DEL ANGEL RAMOS

XALAPA, VER. FEBRERO 2012


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NDICE Pg.Introduccin..1

Captulo I: Marco terico.

1.1El sol y su radiacin..........3

1.2 Definicin de un colector solar..111.3Clasificacin de colectores solares...111.4Colector solar plano.121.5Principio de funcionamiento...131.6Orientacin de un colector solar plano.161.7 ngulo de inclinacin de un colector solar plano18

Captulo II: Marco contextual.

2.1 Antecedentes de los calentadores solares........202.2 Diagnstico de la situacin energtica en Mxico y en la regin...24

2.3 Respuesta a la situacin energtica en Mxico y la regin .....262.4 Situacin geogrfico-solar en Mxico y en la regin....282.5 Descripcin mnima de la ubicacin del proyecto.....292.6 La investigacin solar en Mxico.....312.7 Objetivos del proyecto......................332.8 Responsables del proyecto...332.9 Ubicacin del proyecto...342.10 Metodologa...342.11Administracin del proyecto....35

Captulo III: Diseo del sistema.

3.1 Estudio y evaluacin de la irradiacin solar en Coyopolan, Veracruz...363.2 Propuesta inicial del diseo del sistema.....393.3 Clculo de la capacidad del sistema.......473.4 Diseo asistido por computadora.....473.5 Determinacin cuantitativa de materiales...473.6 Condiciones del sitio para la instalacin del sistema.......49

Captulo IV: Construccin del sistema.

4.1 Proceso paso a paso...............................50

Captulo V: Pruebas al sistema.

5.1 Pruebas basadas en la norma mexicana NMX-ES-001-NORMEX-2005..725.2 Prueba 1: Inspeccin al colector ..735.3 Prueba 2: Presin esttica previa a la exposicin a treinta das.755.4 Prueba 3: Exposicin a la radiacin solar...775.5 Prueba 4: Prueba de choque trmico y roco de agua .....815.6 Prueba 5: Prueba de choque trmico con circulacin de agua fra .......83


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5.7 Prueba 6: Prueba de rendimiento trmico.........84

Captulo VI: Discusin de resultados.

6.1 Resultados...866.2 Informe de pruebas de funcionalidad..86 6.3 Costo.886.4 Recuperacin de la inversin....88

Conclusiones.90

Bibliografa

Anexos


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Introduccin Pgina 1

INTRODUCCINLos cambios climatolgicos globales tan drsticos y el efecto invernadero que

sufre en la actualidad la Tierra, es un claro ejemplo de los niveles tan altos de

contaminacin que el hombre ha causado. Por lo cual es momento de cambiar de

perspectiva y visualizar otras fuentes alternas de energa que nos permitan

generar la energa 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

contaminacin y dao a nuestro planeta.

Ahora existe una gran variedad de fuentes de energa empleadas en sistemas con

aplicaciones prcticas. Algunos de esos sistemas basados en el aprovechamientode la energa 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 energa 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 preparacin y consumo de alimentos.

En Mxico y particularmente en el estado de Veracruz la energa solar es

prcticamente desaprovechada en su totalidad debido a la casi nula difusin de

estos sistemas, fundados en un tipo de energa que es natural, renovable y no

contaminante. Esto ha generado que el mercado comercial sea pequeo, al igual

que la demanda y en consecuencia, en la mayora de las aplicaciones, el costo de

produccin sea tan elevado.

Como respuesta inmediata a lo mencionado anteriormente, surge el presente

proyecto que consisti 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


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Introduccin Pgina 2

algunos de los muchos problemas que en materia energtica se presentan

diariamente en esta localidad.

La metodologa con la cual implement el sistema en cuestin parti de la

fundamentacin terica y contextual que permiti hacer un anlisis para saber el

punto de partida del diseo. Acto seguido realic el diseo del sistema el cual

fue la base fundamental para su posterior construccin e instalacin. Finalizadas

las etapas anteriores se iniciaron una serie de pruebas para determinar el

funcionamiento del el sistema. Se concluy con la publicacin de resultados

obtenidos durante todo el proyecto. El tiempo estimado para concretar el proyecto

fue de aproximadamente 12 meses. Se logr que el costo econmico para

efectuar el proyecto fuera relativamente bajo, debido a que se utilizaron materiales

reciclables para su construccin.

El presente documento consta de seis captulos, el primero de ellos lleva por ttulo:

Marco terico que tiene el propsito de brindar al proyecto un sistema

coordinado y coherente de conceptos y proposiciones que permiten una clara

compresin del mismo, asegurando as su correcto desarrollo. El segundo

captulo se titula: Marco contextual y en l se aborda el conjunto de

circunstancias que acompaan al proyecto, es donde se describen las

caractersticas del entorno del presente trabajo: las caractersticas fsicas,

condiciones y situacin. El captulo nmero tres lleva por nombre: Diseo del

sistemay en este, como su ttulo claramente lo indica, se explicita el proceso de

diseo del que contempla desde la idea y propuesta inicial hasta un modelado

virtual CAD. El captulo cuarto titulado: Construccin del sistema describe paso a

paso el proceso de fabricacin e instalacin del sistema de calentamiento solar de

agua, se incluyen experiencias y evidencias fotogrficas que confirman su

veracidad. El quinto captulo contiene informacin sobre las pruebas realizadas alsistema basadas en la norma NMX-NORMEX-2005. El ltimo captulo expone los

resultados, observaciones, puntos de vista, reflexiones y conclusiones del autor

del presente documento.


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Captulo I: Marco Terico Pgina 3

CAPTULO I.

MARCO TERICO

1.1 El sol y su radiacin.

El Sol es una estrella comn y corriente. Esto quiere decir que en el Universo

existen millones de estrellas como sta. Sin embargo, aqullas se localizan a

miles de millones de kilmetros de nuestro planeta y por esta razn, para nosotros

no son ms que dbiles puntos de luz en el firmamento. La estrella ms cercana a

la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 Km. de distancia; nuestraestrella tiene un dimetro de 1 391 000 Km., aunque para nosotros no es ms que

un plato amarillo de unos cuantos centmetros de dimetro. Tiene una masa de 2

X 1030 kilogramos, cifra difcil de imaginar para nosotros, que estamos

acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces ms

pesado que la Tierra.

El ncleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius C ysta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura

promedio es de 5770C, ms que suficiente para derretir un automvil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de

fusin nuclear. En este tipo de reacciones se unen los ncleos de tomos ligeros,

como el hidrgeno y el helio, para formar tomos ms pesados y en el proceso se

liberan grandes cantidades de energa; la energa que nos enva el Sol es, por lo

tanto, de origen nuclear. Actualmente, el Sol est compuesto de 73.46% de

hidrgeno y 24.85% de helio (el resto son elementos ms pesados).

Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partculas que

intervienen se convierte en energa, la cual se puede calcular empleando la

frmula de Einstein E=mc2;(donde E equivale a la energa, m a la masa y c a la


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velocidad de la luz, que es igual a 300 000 Km./s). De esta forma, el Sol irradia la

energa proveniente de la fusin de los ncleos atmicos 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 aos y se cree que seguir viviendo

durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin prctico, el Sol es una

fuenteinagotable de energa.

La radiacin que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones

nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagntico. Cada

cuerpo, segn sus caractersticas intrnsecas, emite un patrn de radiacin

electromagntica (una forma de radiacin caracterstica) que puede identificarse

en el espectro electromagntico. La ms comn es la luz visible, pero tambin los

rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiacin

electromagntica.

Para medir la cantidad de energa que llega del Sol se emplea como unidad el

watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiacin se usa el watt. Sin

embargo, en el caso del aprovechamiento de la energa solar, lo que interesa es lacantidad de energa por unidad de tiempo y por unidad de rea que llega

perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina

irradiancia, intensidad de la radiacin, soleamiento o insolacin y las unidades

para medirla son los watts*h/m y el langley/da.

La Tierra tiene una atmsfera cuyo lmite se fija convencionalmente a 2 000 km.

de altura sobre la superficie y est compuesta de las siguientes capas: troposfera,

estratosfera, ionosfera y exosfera. sta 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 tmpano de hielo. Sin embargo, el efecto

invernadero tambin puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual

ocasionara daos ecolgicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la


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radiacin llega a un objeto, ste la absorbe y a su vez emite una radiacin en

forma de ondas electromagnticas 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 radiacin, pero, a su vez, emiten una radiacin de longitud de onda

larga. Esta radiacin de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar

esa radiacin. As, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el

interior del invernadero.

Para saber cul es la cantidad de radiacin que llega a la superficie de nuestro

planeta y no slo a la frontera de la atmsfera, debe hacerse un anlisis global de

los diferentes procesos fsicos y qumicos que tienen lugar desde que la radiacin

solar atraviesa la atmsfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso

global se llama balance energtico de la radiacin solar.

Hacer un balance preciso de la radiacin solar resulta una tarea compleja. Hasta

ahora slo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiacin solar querecibe cada punto de la Tierra vara, dependiendo de la radiacin directa y difusa

que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximacin de la

radiacin promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse

una idea de lo que sucede.

Solamente 47% de la radiacin solar que absorbe nuestra atmsfera llega a la

superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiacin que se

difunde en la atmsfera y se denomina, por ello, radiacin difusa.

Por otro lado, la radiacin solar que se desaprovecha se divide en los siguientes

porcentajes: 23% se va al espacio exterior por reflexin en la capa superior de la

atmsfera, 6% se pierde por difusin de aerosoles, 7 % se refleja en el suelo


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terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmsfera. La suma de estas

prdidas da un total de 53%.

Figura 1. Balance energtico de la radiacin solar para longitudes de onda corta.(4 m.)

Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en

promedio, 47% de la radiacin que llega fuera de la atmsfera. Pero esto slo

ocurre con la radiacin solar de onda corta (menor de 4 micrmetros). La Tierra

absorbe esa radiacin (47%), pero a su vez emite radiacin de onda larga, tal y

como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiacin de onda larga

(mayor de 4 micrmetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmsfera.

De esa manera, nicamente 29% (47-18=29%) de la radiacin total absorbida

queda en nuestro planeta.


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De acuerdo a la ubicacin de cada zona que recibe irradiancia vara 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 da ms corto del ao, y el

Sol se encuentra al medioda en el punto ms bajo del cielo; en consecuencia, en

el da el soleamiento es mnimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario.

Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el da y la

noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al

medioda cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotacin de la Tierra

forma un ngulo de 23.45 con respecto a la perpendicular del plano de la eclptica

y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la tierra formando un ngulo tambin

de 23.45 respecto al ecuador.

En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al

Hemisferio Norte durante ms tiempo, porque es el da ms largo del ao y el Sol

alcanza el punto ms alto en el cielo. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese

da ocurre el soleamiento mximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto.

Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoo, se repite lamisma situacin que en el equinoccio de primavera, da y noche duran lo mismo

en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos mximo y

mnimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el

Sur) y el eje de la tierra forma un ngulo de -23.45 con respecto al ecuador.

Para comprender mejor cmo 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. Radiacin 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 radiacin; por eso, la cantidad de

radiacin que recibe nuestro planeta depende de la inclinacin de los rayos

solares. Ver figura 3.


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

Como se mencion antes, los movimientos de rotacin y traslacin de la Tierra

hacen que vare la cantidad de radiacin que recibe el planeta. As, para conocer

la radiacin por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar

determinado de la Tierra, deben conocerse varios parmetros como la latitud y la

longitud geogrficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentracin de vapor de

agua y la concentracin de bixido de carbono en la atmsfera.


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La radiacin que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse

para saber la cantidad de radiacin que puede aprovecharse en cada lugar del

planeta. En otras palabras, la radiacin solar no es constante sino que cambia

segn las estaciones del ao, las condiciones atmosfricas y la latitud de cada

regin.

Pese a lo anterior, para todo fin prctico se considera que en el lmite superior de

nuestra atmsfera llega una cantidad de radiacin promedio por unidad de tiempo

por cada m, que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual

a 1.367Kw/m. Esto quiere decir que en el borde de la atmsfera, a cada m le

llegan 1.367 Kw de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la

Tierra (debido a la noche) se tendra una energa de 1.7 X W/hr cada 60

minutos de Sol, cantidad muy superior a la energa elctrica que se genera en

todo el mundo a lo largo de un ao (7 X W/hr).


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1.2 Definicin de un colector solar.

Un colector solar es cualquier dispositivo diseado para acumular la energa

irradiada por el sol y convertirla en energa trmica.

1.3 Clasificacin de colectores solares.

Los colectores solares se clasifican en dos grandes grupos que son: Colector de

baja temperatura (utilizados fundamentalmente en sistemas domsticos de

calefaccin y calentamiento solar de agua). Y Colector de alta temperatura

(conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir energa

elctrica). Tambin llamados de concentracin. Todos estos a su vez se

subdividen de acuerdo al modo en el que estn construidos.

Figura 4. Clasificacin de los colectores solares.


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1.4 Colector solar plano.

Consiste en una caja plana metlica por la que circula un fluido, que se calienta a

al pasar a travs de el.

Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los

dispositivos solares ms desarrollados y utilizados en el mundo. Correctamente

diseado y construido, el colector plano puede durar de 20 a 25 aos o ms.

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

La cubierta transparente o tambin llamado cristal protector.

Tuberas o serpentn.

La placa de absorcin.

El aislamiento trmico del colector.

La caja del colector o armazn.

Lo anterior se demuestra en la figura 5.

Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60 C,

y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las

casas, pero tambin para secar granos, obtener agua potable, en albercas,

lavanderas, baos pblicos, embotelladoras, refrigeracin, etctera.

En la figura 6 se puede apreciar un colector solar plano dispuesto para la

produccin 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 travs de

una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite cierta

radiacin que tiene una longitud de onda corta. Ahora, suponiendo que tenemos

un sistema con una cubierta transparente y que est perfectamente aislado del

exterior, con un material pintado de negro en su interior (el color que absorbe

mayor cantidad de radiacin) para que absorba al mximo la radiacin, se

calentar y se elevar la temperatura; posteriormente, ese material emitir a su

vez radiacin de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la

parte visible del espectro. La radiacin emitida depender de la temperatura

que posea el material. Pero como la radiacin es ahora de longitud de onda

larga no podr atravesar la capa de vidrio, quedar atrapada en el interior y, en

consecuencia, provocar que la parte interna del colector est a una temperatura

ms elevada que la del exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero.

Asimismo, el color que poseen los objetos est directamente relacionado

con la absorcin, reflexin y transmisin de la radiacin solar. Por ejemplo, lashojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, nicamente reflejan

aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiacin

visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de

papel blanco, en cambio, refleja la radiacin de todas las longitudes de onda

que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposicin con el blanco,

el color negro absorbe todas las longitudes de onda.

La combinacin del efecto invernadero, la absorcin de radiacin de los objetos

negros y el aislamiento para evitar las prdidas de calor constituyen los principios

fsicos 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 razn

entre la energa til y la energa que incide sobre el colector (energa disponible).

Expresada como una frmula:

Tres factores principales influyen en la eficiencia del colector plano:

1. La razn a la cual se extrae el calor del colector. Se representa con FR.

2. Las prdidas de calor en el colector. Se indica con .3. La cantidad de energa transmitida a travs de la cubierta y absorbida por la

placa. Se representa con .

Si se conocen estos tres factores es posible pronosticar con precisin

el rendimiento del colector.

Figura 5. Colector solar plano, seccionado.


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


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1.6 Orientacin de un c olector s olar plano .

Ahora bien, la Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina

traslacin y que realiza durante un ao. 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

eclptica. Como el Sol est en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta est

ms cerca del Sol en una poca y ms lejos en otra. La Tierra alcanza su mxima

aproximacin al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 Km., posicin llamada

perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada ao. A partir de ese punto se

va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada ao, alcanza la posicin

ms separada, su afelio, a 1.54 x 108km. de distancia.

Lo anterior se puede comprender mejor observando la Figura 7.

Pero nuestro planeta no slo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a

un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotacin. El eje de rotacin de la

Tierra no es perpendicular al plano de la eclptica, sino que forma un ngulo de23.45. Si medimos el ngulo que forman los trpicos de Cncer y de Capricornio

con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero ser de + 23.45 y

el segundo de - 23.45. Esta inclinacin del eje de la Tierra con respecto al plano

de la eclptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto,

la cantidad de radiacin que recibimos del Sol, en cada caso.

La luz solar viaja en lnea recta desde el sol hasta la tierra. Al penetrar la

atmsfera terrestre, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie en lnea

recta. Finalmente, como ya se mencion anteriormente, una ltima parte es

absorbida por la atmsfera. A esta luz solar dispersa se le denomina radiacin

difusa o luz difusa. La luz del sol que cae sobre la superficie sin dispersarse ni ser

absorbida, es, por supuesto, radiacin 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 generar energa aun con cielo nublado. Sin embargo, las

condiciones ptimas de operacin implican: la presencia de luz solar plena y un

colector orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al mximo

la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el colector deber orientarse hacia el

sur y en el Hemisferio Sur, hacia el norte. Ver Figura 9.

Figura 8. nicamente una pequea fraccin del total de luz solar alcanza, en

efecto, la superficie de la tierra.


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1.7 ngulo de incl inacin de un colector s olar plano.

El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los colectores solares alcanzan su

mxima efectividad cuando estn orientados hacia el sol, en un ngulo

perpendicular con ste a medioda.

Por lo general, los colectores solares son colocados sobre un techo o una

estructura y tienen una posicin fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el

cielo. Por lo tanto, no estarn orientados hacia el astro con un ngulo ptimo (90

grados) durante toda la jornada.

El ngulo entre el plano horizontal y el colector solar se denomina ngulo de

inclinacin.

Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen tambin variaciones

estacionales. En invierno, el sol no alcanzar el mismo ngulo que en verano.

Idealmente, en verano los colectores solares deberan ser colocados en posicin

ligeramente ms horizontal para aprovechar al mximo la luz solar. Sin embargo,

los mismos colectores no estarn, entonces, en posicin ptima para el sol delinvierno.

Con el propsito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los colectores

solares debern ser instalados en un ngulo fijo, determinado en algn punto entre

los ngulos ptimos para el verano y para el invierno. Cada latitud presenta un

ngulo de inclinacin ptimo.

Por lo tanto: los colectores deben instalarse con un ngulo de inclinacin 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. Orientacin y ngulo ptimo de inclinacin para un colector solar.

(Instalado en el hemisferio Norte)

Nota: Ligeras desviaciones de unos 5 con respecto del ngulo de

inclinacin ptimo tienen slo un efecto menor en la produccin de energa.


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Captulo II: Marco Contextual Pgina 20

CAPTULO II

MARCO CONTEXTUAL

2.1 .Anteceden tes de los calentado res so lares.

Durante siglos, tanto el hombre como los dems seres vivos han aprovechado la

energa solar, no slo como una opcin energtica sino como fuente de vida, pues

sin esa estrella no habra 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 energa solar, pues sta es indispensable para que se lleven a cabo las

reacciones de la fotosntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la

radiacin 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 energa solar.

Prueba de esto es que ms de 90% del material orgnico que permite la vidamarina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del ocano

donde llega la luz del Sol.

Hace unos 2,500 aos la cultura griega comenz a disear sus casas para captar

la radiacin solar durante el invierno. Casi con total seguridad no fue la primera

cultura humana en hacerlo. Posteriormente otras personas creeran descubrir por

vez primera las ventajas de abrirse al Sol.

Los romanos adoptaron la tcnica solar griega, desarrollndola y adaptndola 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 prdidas, y

aplicndola en invernaderos y edificios pblicos tales como los baos.


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La arquitectura solar se convirti en parte tan consustancial de la vida que la

garanta de los derechos al sol, es decir, el derecho a que la casa del prjimo no

se interpusiera entre el Sol y la casa propia, quedara finalmente incorporado a la

ley romana.

Junto con la orientacin solar de los edificios y el empleo del vidrio como captador

del calor solar, los antiguos conocieron otros modos de aprovechar la energa

solar. Griegos, romanos y chinos desarrollaron espejos curvados que podan

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 ms lejos que los griegos y romanos, en el siglo XVIII el uso del colector

solar en forma de invernaderos surgi 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 comprensin del funcionamiento del colector

solar que tenan los artesanos de la poca, con anterioridad a que fueran

difundidos los principios termodinmicos que permitiran explicar el fenmeno. De

este modo, la necesidad de aislamiento nocturno se manifiesta en lascontraventanas, toldos y dems partes mviles de la carpintera. Tambin se

entrevi las ocasionales necesidades de ventilacin, disponindose ventanucos

arriba y abajo para permitir la expulsin de aire caliente y poder evitar as

sobrecalentamientos excesivos. En los invernaderos de la poca, se afinaba

tambin la inclinacin del vidrio segn la latitud del lugar, a fin de enfrentarse al sol

de la manera ms directa en la poca ms fra.

Finalmente, el uso del invernadero pas de la horticultura a la vivienda, primero

como espacio anexo a la misma, que serva de aislamiento respecto al espacio

exterior, despus como habitacin para algunos usos (tales como juegos, lectura o

descanso), despus, incorporado en la propia vivienda, en forma de estufa o saln

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 quera tener

una. De hecho, la gente comenz a no preocuparse de la correcta orientacin. A

fin de conseguir una estufa en su vivienda, y en el caso de carecer de una

habitacin de la casa con la orientacin adecuada, se acristalaba la fachada en

cualquier caso, y para producir el mismo calor que no poda entonces ganarse del

Sol, se recurra a sistemas de calefaccin basados en el carbn o en el gas,

disponibles a precios irrisorios por aquella poca. De esta forma, en lugar de

calentarse mediante los rayos solares procedentes del sur, los invernculos

contaban con sistemas de calefaccin artificial; de ahorradoras de combustible, las

estufas pasaron a ser despilfarradoras del mismo. Debido a ello, la muerte y

desaparicin de la estufa inglesa fue en muy buena parte debida a la institucin

del racionamiento de combustible durante la primera guerra mundial. La leccin de

la calefaccin solar aprehendida en una poca de sabia utilizacin de los recursos

locales y disponibles, volvi a perderse cuando el acceso a recursos energticos

fsiles lejanos pero baratos se generaliz.

A finales del siglo XIX, ya familiarizados con las propiedades de las cajas

calientes. En USA florecieron empresas rentables dedicadas a la instalacin deaparatos solares domsticos. La patente Climax, por ejemplo, de 1891, mezclaba

la vieja prctica de la exposicin de depsitos metlicos desnudos al sol con el

principio cientfico de la caja caliente, incrementando, as, la capacidad del

depsito para captar y retener el calor solar.

En nuestro pas a lo largo de los aos, la energa solar ha sido prcticamente

desaprovechada en su totalidad debido a la casi nula difusin de estos sistemas,

fundados en un tipo de energa que es natural, renovable y no contaminante. Esto

ha generado que el mercado comercial sea pequeo, al igual que la demanda y en

consecuencia, en la mayora de las aplicaciones, que el costo de produccin sea

tan elevado, desperdiciando la luz del Sol, que aparece todas las maanas sin

cobrar.


27/69

. .


Debe quedar claro que la energa solar no constituye la solucin universal de la

cual los hombres obtendrn todo lo que necesitan. La energa solar contribuye

modestamente como otra posibilidad energtica y no se trata de defenderla a

ultranza como la nica fuente de energa. Un planteamiento realista sera

considerarla seriamente como una opcin energtica con sus deficiencias

tecnolgicas, sus desventajas econmicas actuales y sus ventajas a largo plazo.


28/69

. .


2.2 Diag ns tic o de la si tu acin energtic a en Mxico y en la reg in.

(Def in ic in y formulacin del pro blema)

Mxico es un pas que depende econmicamente del petrleo y donde un 90% de

la produccin de la energa primaria se obtiene mediante hidrocarburos. Estarealidad trae como consecuencia la escasa difusin de energas alternativas tales

como la energa elica (Viento) y la energa foto trmica (Solar).

El escenario anterior se manifiesta notablemente en la mayora de poblaciones del

pas y la comunidad de Coyopolan ubicada en el estado de Veracruz, donde se

llev a cabo el proyecto, no es la excepcin. El desconocimiento en las energas

alternativas ha provocado que los habitantes de este pequeo lugar se vean

gravemente afectados en su calidad de vida, ya que al ser una zona rural con

muy alta marginacin y debido a los precios notablemente altos en los

hidrocarburos (Gas), les es prcticamente imposible acceder a ellos.

Ante estas circunstancias los habitantes optan por utilizar dendroenergticos

(Lea, Carbn), desencadenando problemas graves en el medio ambiente como

deforestacin, el desperdicio e uso incorrecto de maderas preciosas y la amenaza

a la fauna debido a la destruccin de su hbitat natural.

Cabe mencionar que la obtencin de los dendroenergticos resulta la mayora de

las veces peligrosa, ya que en ciertas ocasiones estos se encuentran en zonas

de difcil 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 fsica 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 dendroenergticos es que mltiples

evidencias demuestran la relacin entre la exposicin al humo de carbn o lea

con las infecciones respiratorias en la infancia, as como casos de enfermedad

pulmonar obstructiva crnica (EPOC) y de cncer de pulmn.Ver Figura 11.


29/69

. .


Figura 10. Traslado de la carga de lea pone en riesgo la integridad fsica de las

personas.

Figura 11. Evidencias demuestran la relacin entre la exposicin al humo de

carbn o lea con el cncer de pulmn.


30/69

. .


2.3 Respu est a a la sit uac in energtic a en Mxico y la reg in. (Ju st ific acin)

Una de las metas de este proyecto es hacer una contribucin a satisfacer las

necesidades que tiene Mxico. Pretende aportar conocimiento aplicable para

ayudar a satisfacer una necesidad que ya resulta grave: el crecimiento sustentabledel pas y el mejoramiento del nivel de vida de su poblacin.

El punto de partida es la fe en la propia capacidad para desarrollar ciencia

aplicada, enfocada principalmente a la atencin de problemas nacionales. Dejar

de nicamente importar bienes e intentar tambin hacer las cosas por nuestra

cuenta tiene diversos beneficios sinrgicos, como el que resulta del aprendizaje

logrado durante los procesos de una investigacin o de un avance tecnolgico, en

otras palabras, con el desarrollo de tecnologa propia, al mismo tiempo que

resolvemos una cuestin prctica, tambin generamos un mecanismo de

enseanza en el que se estimula la creatividad y se ampla nuestro criterio para

contribuir a soluciones. As mismo, al abordar nuestros problemas concretos

dentro de un marco de investigacin nacional, aseguramos que nuestras

respuestas sern ptimas y especficas, en el contexto de nuestra situacin, un

punto de importancia pues sobran ejemplos donde las ideas copiadas del

extranjero no slo resultan ineficaces en nuestro entorno local, sino incluso

contraproducentes.

Los recursos naturales aportan todo lo que el hombre necesita; la energa solar

forma parte de ellos y es prcticamente inagotable, esto se aprecia en muchos

fenmenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al

abrir la llave, el agua saldr en un principio caliente. Otro experimento consiste en

concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemoshacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se

concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa.

Mxico es un pas con grandes posibilidades para su explotacin. Nuestro

proyecto de investigacin hace que esa riqueza potencial se transforme en capital


31/69

. .


real; de ah que el conocimiento y el avance de las diferentes tecnologas

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 energa 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 preparacin y consumo de alimentos. En el sector de los

servicios las necesidades son similares, pero en volmenes significativamente

mayores por instalacin, adems 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 produccin, 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 fsiles, en el sector residencial, y con gas LP, gas natural y lea, en

zonas rurales o periurbanas, mientras que en los sectores productivos, se logra

con gas LP, gas natural, combustleo y/o diesel. El calentamiento solar de aguaes un proceso que puede ser ms econmico que los procedimientos que utilizan

combustibles fsiles, adems de que sus impactos al medio ambiente son

prcticamente 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 marginacin de la poblacin 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 energas renovables y aumento notable en la calidad

de vida de los habitantes del lugar


32/69

. .


2.4 Situacin Geogrfico-Solar en Mxico y en la regin.

En nuestro pas, que posee regiones con el promedio mundial de insolacin o

soleamiento anual ms alto, el aprovechamiento de la energa solar constituye, sin

lugar a dudas, una buena opcin.

En la Figura 12 se muestra un mapa de soleamiento o insolacin para la

Repblica Mexicana y cada una de las lneas corresponde a los lugares que

reciben la misma cantidad de radiacin con sus respectivos valores.

Figura 12. Mapa de radiacin solar en la Repblica Mexicana.

Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que

reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe sealar que la

ciudad de Mxico se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben

mayor cantidad de radiacin solar, as como tambin la zona central del estado de

Veracruz goza de buen recurso solar.


33/69

. .


De ante mano sabemos que la latitud y la longitud de Coyopolan, es 1936 Norte y

9706' Oeste yde acuerdo a la Figura 14; el promedio de radiacin anual por da

en el ao es de 5.66 Kwh/ m. Estoquiere decir que en promedio cada m de la

comunidad de coyopolan recibi ese ao 5.66Kwh por da. Si esa energa pudiera

aprovecharse sera suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un

departamento comn.

2.5 Descripcin mnima de la ubicacin del proyecto.

La localidad de Coyopolan est situada en el Municipio de Ixhuacn de los Reyes

(en el Estado de Veracruz de Ignacio de la Llave). Tiene aproximadamente 312

habitantes*. Coyopolan est a 1560 metros de altitud sobre nivel del mar. Cuenta

con servicios de Electricidad y Agua. As como con una escuela primaria y un

jardn de nios. Cuenta con una casa UV en donde se prestan servicios mdicos a

la poblacin y donde se llev a cabo el proyecto.

Figura 13. Ubicacin de la comunidad de Coyopolan (Marca A) en en el

Municipio de Ixhuacn de los Reyes, en el estado de Veracruz.


34/69

. .


Figura 14. Fotografa satelital de la comunidad de Coyopolan en en el Municipio de

Ixhuacn 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 Ixhuacn de los Reyes, en el estado de Veracruz.


35/69

. .


2.6 La investigacin solar en Mxico.

Como se observ en la figura 12, nuestro pas tiene algunas regiones (Sonora y

Baja California, principalmente) con el promedio de radiacin ms alto del planeta.

Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trpicos de

Cncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energa solar

para satisfacer la demanda que requiere nuestro pas. Adems, como en las

zonas desrticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se

habiten, son las ms apropiadas para construir plantas solares de varias decenas

de Megawatts (Mw) de potencia.

Hoy en da, la energa solar no contribuye significativamente a satisfacer las

necesidades nacionales de energa. Segn la SENER, en 2009 el petrleo y el gas

natural ocupaban el primer lugar, con el 90.53% del total de la demanda de

energa. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 3.54%; despus

segua el carbn, con el 2.15%, despus la geo energa con el 1.57% junto con la

ncleo energa con un 1.14%, finalmente las energa solar con un pobre 0.06%.

El promedio diario de energa solar que llega a la Repblica Mexicana es 5.5Kwh/m. Nuestro pas se encuentra catalogado como uno de los primeros diez

pases productores de este tipo de energa. Actualmente existe una superficie

total de 1 milln de m de colectores, que producen aproximadamente 4.5 PJ por

ao.

El 5 de febrero de 2009 fue publicada en el Diario Ofcial de la Federacin la

Norma Tcnica de Competencia Laboral (NTCL) NUSIM005.01 Instalacin del

sistema de calentamiento solar de agua, la cual tiene por objeto Servir como

referente para la evaluacin y certificacin de las personas que instalan

calentadores solares de agua cuyas competencias incluyen interpretar diagramas

y manuales, preparar el rea, materiales y herramientas para la instalacin de


36/69

. .


sistemas de calentamiento solar de agua e instalar y poner en marcha

componentes del sistema

Las dos principales desventajas del uso de la energa solar son: el costo elevado

de los sistemas solares, en comparacin con los convencionales y, en segundo

lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de

almacenamiento de energa solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y

duraderos. Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la

investigacin bsica y aplicada que se realice en Mxico. En la figura 16 se

resume la investigacin solar que se lleva a cabo en nuestro pas.

Figura 16. Investigacin solar en Mxico.


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. .


2.7 .Objetivos del proy ecto.

2.7.1 Objetivo general:

Implementacin de un sistema de calentamiento solar de agua para usoresidencial operado por efecto termosifnico, construido a partir de materiales

reciclables fciles de conseguir, econmicos y durables, para proporc ionar

agua caliente a la casa UV en Coyopolan Veracruz, en la cual habitan

de 5 a 6 integrantes durante todas las pocas del ao.

2.7.2 Objetivos especficos:

Evaluacin y aprovechamiento del recurso solar en Coyopolan, Veracruz.

Evaluacin del funcionamiento del calentador solar.

Utilizacin de material reciclado para construccin del colector.

Seguimiento de temperaturas del agua al interior del termotanque.

Difundir el uso de energas alternativas

2.8 . Respo nsab les del proy ecto.

2.8.1 Ejecutor del proyecto: Jos Donato Contreras Trejo.

2.8.2 Asesores del proyecto:

Director de proyecto: Dr. Jorge Arturo Del ngel Ramos.

Responsables de casa UV Coyopolan, Ver: Dr. Jos Luis Prez.

Lic. Rafael Sol.

Entidad responsable:Direccin de vinculacin social UV.


38/69

. .


2.9 . Ubicacin d el pro yecto .

2.9.1 rea de inves tigacin : Ingeniera Mecnica Elct rica .

2.9.2 Materia de investigacin: Uso racional y eficiente de la energa.

2.9.3 Cobertura del proyecto: Casa UV Coyopolan, Veracruz.

2.10 . Met odo lo ga.

2.10.1 Tipo de investigacin: Terica-Aplicada e Innovacin

tecnolgica.

2.10.2 Universo y muestra: La implementacin 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 evaluacin

de las condiciones ambientales y socioeconmicas de la regin.

2.10.3 Fases del proyecto:

Concepcin.

Exploracin.

Diseo.

Implementacin.

Evaluacin y Conclusin.


39/69

. .


2.11 . Adm inistr acin del pro yecto .

2.11.1 Recursos disponibles

a) MATERIALES:

Territorio de Coyopolan, Ver.

Equipo de cmputo.

Instrumentacin y equipo de medicin para pruebas fsicas.

Apoyo econmico

:

b) HUMANOS

Ingeniero Mecnico Electricista.

Director de proyecto.

Habitantes de Coyopolan, Ver.

Coordinadores de casa de la universidad.


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. .

Captulo III: Diseo del sistema Pgina 36

CAPITULO III

DISEO DEL SISTEMA

3.1 Estudio y evaluacin de la Irradiacin so lar en Coyopo lan, Veracru z.

(Datos)

La Irradiacin solar en la repblica mexicana se especifica en la figura 17.

Figura 17. Radiacin solar global en promedio por ao en la repblica mexicana.

De acuerdo a lo observado en la imagen anterior, el estado de Veracruz presenta

una radiacin solar global en un intervalo de 2100 a 1250 J/cm2-dia, valores que

equivalen a 5.83 y 3.47 Kwh/m2-dia respectivamente a lo largo de un ao.


41/69

. .


En las figuras 18, 19 y 20 se presentan detalladamente cada uno de los

tipos de Irradiacin solar en el estado de Veracruz; es decir: Irradiacin solar

difusa, directa y global.

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

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

Kwh/m

Kwh/m


42/69

. .


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

Ahora bien; En el caso particular de la comunidad de Coyopolan, Veracruzlatitud y longitud es: 19 36 ' y 97 06' respectivamente, siendo el promedio

de radiacin anual por da en el ao 5.11 Kwh/ m.

Otros datos de inters para el diseo del colector, tales como las temperaturas

promedio en la comunidad de coyopolan y la distribucin horaria de la radiacin

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 Ixhuacn de los Reyes, en el estado de

Veracruz, debido a que cuenta con un recurso solar aceptable para los fines

propuestos.

Kwh/m da

Coyopolan, Veracruz.


43/69

. .


3.2 Propues ta in icial d e di seo del s ist ema.

El sistema propuesto se compone en casi su totalidad de materiales plsticos y

reutilizables, a modo de disminuir el costo del mismo y a la vez, constituirse como

un producto til. Dicho sistema consta de los siguientes componentes:

Un circuito de tubos de color negro, que conducir agua en su interior, el

mismo cumplir a su vez la funcin de absorbedor del calor y ser capaz de

resistir las temperaturas que pudieran presentarse en el sistema.

Una cmara de aire doble con dos cubiertas transparentes para disminuir el

efecto convectivo que enfriara el agua que circular por el circuito de tubos.

Un sistema de redireccin de la radiacin solar por reflexin para mejorar el

rendimiento ptico y trmico del sistema.

Un cajn que contendr en su interior los tres elementos mencionados

anteriormente y que adems estar aislado trmicamente, todo esto es para

mejorar el rendimiento del colector, as como su vida til y su esttica.

Un tanque de almacenamiento de fluido, compuesto por un ensamble de dos

recipientes de plstico con dimetros diferentes que puedan contener agua en

posicin horizontal y que sean ensamblados de tal forma que se pueda insertar

el recipiente con el dimetro pequeo dentro del otro con un dimetro mayor.

El recipiente interior estar aislado trmicamente para conservar el aguacaliente que acumular en su interior y el exterior tendr como funciones

principales favorecer el aislamiento de temperatura, proteccin contra la

intemperie del tanque interior, as como la esttica del sistema.

Elementos de interconexin: 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 estn constituidos

por dos elementos principales:

Colector

Tanque de almacenamiento.


44/69

. .


Por lo tanto; en este caso el colector estar formado por los siguientes

componentes: el circuito de tubos, la cmara de aire, el sistema de redireccin de

la radiacin y el cajn; El tanque de almacenamiento ya se describi con

anterioridad.

El colector para el que se describe esta propuesta de diseo, opera por circulacin

natural, es decir, la circulacin del agua entre el colector y el tanque de

almacenamiento, es producida por el efecto de termosifn, presentado cuando,

una masa de fluido es calentada, a travs 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 fra

en la tubera 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.


45/69

. .


3.2.1 Seleccin d e los materiales.

Aislante trmico: El material que se utilizar como aislante trmico en el

colector ser el poliestireno expandido, mejor conocido en nuestro pas como

unicel, pues es un material de fcil consecucin, bajo costo y propiedades

trmicas aceptables (Ver anexo 4). Para nuestro caso, reutilizaremos residuos

de poliestireno provenientes de empaques de electrodomsticos que se

desechan en lugares como tiendas departamentales o supermercados.

Sistema de redireccin de radiacin solar: Para este caso se utilizarn envases

de leche vacos, mejor conocidos como Tetrapak, los cuales estn

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 ms de un 90% de la radiacin visible incidente (Luz). Y

ms del 98% de la radiacin infrarroja.

Cubierta transparente: Este sistema contar 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 degradacin, unatransmitancia aceptable (Ver anexo 4) y facilidad de manejo y adquisicin. 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 ser comprada en

algn sitio donde comercien vidrio reciclado.

Conductos de circulacin del agua: Se seleccion el polietileno pigmentado

con color negro como el material del cual estarn fabricados los tubos que

componen el circuito, esto tomando en cuenta su alta resistencia mecnica y a

la intemperie, as como sus aceptables temperaturas de trabajo, peso y su bajo

costo. Los tubos de polietileno sern comprados en alguna ferretera o tienda

especializada.


46/69

. .


Cajn: El material que se seleccion para elaborar el cajn es la lmina de

acero galvanizado. Esta lmina tiene propiedades especiales de maleabilidad,

resistencia, economa y versatilidad, tiene excelentes caractersticas

anticorrosivas y de larga vida. El cajn del colector se elaborar a partir de

lminas galvanizadas compradas y posteriormente se solicitar su fabricacin

a un herrero.

Tanque de almacenamiento: Se sugiri que los dos recipientes que forman el

tanque de almacenamiento fueran de un material plstico, esto debido a su

resistencia, economa y peso liviano. Los recipientes plsticos pueden

obtenerse y reutilizarse de tambos vacos de aceite y aditivos que se desechan

en lugares como talleres mecnicos y tiendas especializadas en este tipo de

productos.


47/69

. .


3.2.2 Boc etos de la prop uesta inicial del sistem a.

Con el fin de que sea ms clara y entendible la propuesta inicial se elaboraron los

bocetos a mano alzada que se presentan a continuacin:

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


48/69

. .


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


49/69

. .


Figura 24. Tanque de almacenamiento, elementos de interconexin y cajn.

Figura 25. Tanque de almacenamiento y aislante trmico.


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. .


Figura 26. Cubierta transparente y aislante trmico.

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


51/69

. .


3.3 Calculo de la capacid ad del sist ema.

Para disear 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 da normal es de

aproximadamente 48 litros de agua al da. Si de esto se considera que la mitad es

agua caliente entonces para efectos de clculos del sistema sern 24 litros.

Por lo tanto, si se calcula la capacidad para una vivienda de 5 personas

en Coyopolan, Veracruz. Se tendr:

( ) ( )

Ecuacin (1)

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

( ) ()

3.4 Diseo asistid o po r com pu tado ra (CAD)

Tomando en cuenta lo previsto en la idea inicial, se realiz un modelado virtual delcolector; dicho modelado nos arroj como resultado el diseo final, sobre el cual

nos basamos para la construccin 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 Determin acin cuan ti tat iva de los materiales.

Despus de realizar el modelado virtual por medio del software computacional

Solidworks, se realiz la correspondiente identificacin de todos y cada uno delos materiales necesarios para la fabricacin del calentador, as como un

minucioso conteo de los mismos. Todo esto nos sirvi como referencia para

elaborar una Lista de materiales y posteriormente utilizarla para proveernos de

todo lo necesario para la construccin del proyecto. Dicha lista se incluye a

continuacin.


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. .


Material Cantidad Unidad

Tubo de polietileno (Poliducto) 12 m

Tubo de polietileno (Poliducto) 1.5 m

Tee de espiga polietileno reduccin a 12 Pzas.

Botella transparente de PET 3Lts. 54 Pzas.Abrazadera sinfn 28 Pzas.

Abrazadera sinfn 12 Pzas.

Cajn de lmina, acero galvanizado 2.1m X 0.88m X 0.15m 1 Pza.

Poliestireno, lmina 2.1m X 0.15m 2 Pzas.

Poliestireno, lmina 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 BoteTubo de PVC cedula 40 4 m.

Codo 90 PVC 4 Pzas.

Tuerca unin PVC 4 Pzas.

Adaptador PVC Rosca interior 9 Pzas.

Tapn PVC 2 Pzas.

Conector espiga polietileno Rosca exterior 3 Pzas.

Cemento para PVC Bote 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 plstico capacidad 120L 1 Pza.

Tanque plstico capacidad 200L 1 Pza.

Tubo roscado acero galvanizado 50 cm.

Tuerca acero galvanizado 4 Pzas.

Neopreno 100 Espuma de polietileno 16 Llave de paso PVC 1 Pza.

Tee PVC 1 Pza.

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


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. .


3.6 Condicio nes del sit io para la inst alacin del sistem a

A sabiendas que al terminar la fabricacin del sistema de calentamiento solar de

agua sigue la instalacin del mismo, en el lugar donde aportar sus beneficios, se

determin el sitio real y definitivo para el dicho sistema.

Y despus de un anlisis de factores que benefician el funcionamiento del

colector, se concluye que el mejor lugar para su instalacin, es el techo de la casa

de la universidad ya que cumple con todos y cada uno de los requisitos

mencionados a continuacin.

Correcta orientacin: Mediante una brjula se pudo constatar que en el

techo se permite una buena orientacin hacia el sur y como se explic en el

captulo I esta es la correcta para regiones ubicadas en el norte del planeta.

Inclinacin adecuada: Tomando en cuenta que, segn el captulo I, los

colectores deben instalarse con un ngulo de inclinacin con respecto a la

horizontal en el terreno igual al valor de la latitud en ese mismo sitio, con un

pequeo margen de tolerancia de 5. Mediante trigonometra se obtuvo el

ngulo de inclinacin del techo, resultando 22.

Inexistencia de objetos que bloqueen los rayos solares (Arboles, paredes,

etc): No se encontr objeto alguno que obstruya e impida que los rayos

solares lleguen plenamente al colector.

Correcta ubicacin 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.


54/69

. .

Captulo VI: Construccin del sistema Pgina 50

CAPITULO IV

CONSTRUCCION DEL SISTEMA

4.1 Proceso p aso a paso .

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

siguientes prrafos:

1) Se reunieron 54 botellas de PET de la misma capacidad y forma. Dichas

botellas se recolectaron en escuelas, fiestas, etc. De acuerdo al diseo

ocupamos solo botellas transparentes de 3 litros. (Ver figura 29)

Figura 29. Recoleccin de botellas PET

2) Se quit todo tipo de etiquetas adhesivas y tapas de polietileno y se dej 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 precisin depender el sostn 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 realiz en la base de la


55/69

. .


botella a 5 cm del borde inferior con ayuda de un cter. 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 dems embalajes.

Figura 31. Corte de botellas.

4) A continuacin se procedi a cortar 6 tubos negros de polietileno con ayuda de

una segueta de acuerdo a la medida dictaminada para estos en el dibujo 2 delanexo 5. (Ver Dibujo 2 y Figura 32).

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


56/69

. .


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 ajustar

perfectamente al dimetro 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 acta como un pequeo invernadero.

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Figura 33. Enhebrado de botellas de PET

6) A continuacin 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 estn 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 est

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 insercin de los tubos a una tee se

muestra en la figura 35.

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

Figura 35. Insercin 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. Insercin de los ramales en el extremo intermedio de la tee.

9) Posteriormente se aseguraron todas las uniones con abrazaderas sinfn 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 sinfn.

10) Despus se pintaron todas y cada una de las tee de polietileno as como las

abrazaderas sinfn, utilizando un bote de pintura en spray color negro mate,

esto para que la absorcin 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 sinfn.

Figura 39. Circuito de tubos negros y la cubierta transparente de PET.

12) Toda esta configuracin de botellas y tubos se dispuso en un cajn para que la

contenga. Para la fabricacin del cajn del colector se contrat el trabajo

metlico, es decir, el cortado, doblado y remachado. Las dimensiones y el tipo

de material del cajn fueron las mismas que se citan en el dibujo 9 del anexo 5.

(Ver figura 40)


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Figura 40. Cajn elaborado de lmina de acero galvanizado.

13) De acuerdo al diseo, el cajn se aisl trmicamente en su interior con lminas

de poliestireno expandido (unicel); las lminas 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 cajn, concordasen las

dimensiones de ambos. Lo anterior se muestra en la figura 42.


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Figura 41. Lminas de poliestireno expandido.

Figura 42. Revestimiento de aislamiento trmico (poliestireno expandido) al

cajn del colector solar.

14) Para implementar el sistema de redireccin de la radiacin 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. Tambin de acuerdo a sus dimensiones, es decir; los

envases del dibujo 10 en el fondo del cajn y los del dibujo 11 en los laterales.

Adems se engraparon unas con otras para mantenerlas en una sola posicin

y para una mayor fijacin con respecto al cajn se les aplic cinta adhesiva de

alto pegado y resistencia de color plateado en varias uniones. (Ver figura 44)

Figura 43. Preparacin de envases tetrapak.


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Figura 44. Disposicin de los envases de tetrapak sobre el interior del cajn.


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16) Posteriormente se ensambla e introduce el circuito de tubos negros con

cubierta transparente de PET al cajn 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 funcin de

colectar la energa solar y convertirla en energa trmica. (ver. Figura 45).

Figura 45. Ensamble de cajn, 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.

Despus se les acopl, con ayuda de un conector espiga y un adaptador

hembra de PVC, un tapn de PVC segn 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

realizarn 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. Despus se les acopl, con ayuda de un conector espiga y un

adaptador hembra de PVC, media tuerca-unin de PVC segn se detalla en el

dibujo 14 del anexo 5 (Ver Figura 47).

Figura 46. Tubos de polietileno

con tapones de PVC.

Figura 47. Tubos de polietileno con

tuerca-unin 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 sinfn como se explica en el dibujo 15 que se

incluye en el anexo 5. Cabe sealar que estos 4 tubos servirn como apoyo

para los cabezales en el cajn 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 captacin de energa, 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 cajn del colector, sobre los bordes


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dispuestos para esta situacin (Ver figura 50) y se sujetaron a presin

mediante un marco de aluminio que se remach a lo largo de los cuatro

laterales del cajn como se describe en el dibujo 18 del anexo 5. Dicho marco

se fabric 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 bordessuperiores del colector solar.


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Figura 51. Aseguramiento por presin 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 fabric al tanque de almacenamiento de agua

(Termotanque). Este tanque est 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 almacenar 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 diseo 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 coloc 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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