•Mgt. D. Walter Kehuarucho C.•LIC . Abrahan Huaman C.

INTRODUCCIONLa conversión fototérmica, tiene muchas aplicaciones como elcalentamiento de aire y una de ellas es, en el uso de calefacciónpara viviendas en las zonas alto andinas del Perú y así resolver elproblema de friajes que se presentan en los meses de Mayo, Junio,Julio y Agosto de cada año, en todo el territorio de nuestro país.El Cusco tiene una densidad energética de 5,280 kWh/mmmm2222 de energíasolar, esto nos permite desarrollar y aprovechar el flujo de energíasolar en calefacción de viviendas en zonas urbanas y rurales de laregión. Así mismo en éste trabajo de experimentación, se utilizó 2colectores solares planos.región. Así mismo en éste trabajo de experimentación, se utilizó 2colectores solares planos.La arquitectura solar pasiva, aparece como una corriente tecnológicamoderna, de probada eficiencia, simple y altamente confiable,económica y de larga vida útil, consistente en dispositivosincorporados a la edificación.También en este trabajo se realizó la construcción de la vivienda conalgunas recomendaciones técnicas, del mismo modo se realizómediciones experimentales, para realizar un balance energético delconfort de la vivienda.

ENERGÍAENERGÍAENERGÍAENERGÍA SOLARSOLARSOLARSOLARAlgunas definiciones formales de las cantidades más importantes quese manejan en el campo de la radiación.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN....---- Es la energía electromagnética emitida, transferida o recibida.RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Término genérico para la energía radiante que emite el

Sol.IRRADIANCIAIRRADIANCIAIRRADIANCIAIRRADIANCIA....---- Potencia solar incidente en una superficie por unidad de

área.I (W/m2)IRRADIACIÓNIRRADIACIÓNIRRADIACIÓNIRRADIACIÓN....---- Energía solar incidente en una superficie por unidad de

área. Es el resultado de integrar la irradiancia en un periodo de tiempo,H(Wh/m2).área. Es el resultado de integrar la irradiancia en un periodo de tiempo,H(Wh/m2).

Cualquiera de los términos anteriores puede ser aplicado a cualquierrango de radiación espectral. La relación entre las diferentesmagnitudes espectrales es la siguiente:donde:

λ: Longitud de onda.K: Numero de onda : Frecuencia

c: velocidad de la luz.υ

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN DEDEDEDE ONDAONDAONDAONDA CORTACORTACORTACORTA (RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN SOLAR)SOLAR)SOLAR)SOLAR)....---- Es laradiación de longitudes de onda entre 0,2 µm a 4 µm,aproximadamente.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN DEDEDEDE ONDAONDAONDAONDA LARGALARGALARGALARGA (RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN(RADIACIÓN TERRESTRE)TERRESTRE)TERRESTRE)TERRESTRE)....---- Esla radiación de longitudes de onda de 4 a 100 µmaproximadamente.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIRECTADIRECTADIRECTADIRECTA....---- Es la radiación solar que serecibe del ángulo sólido del disco solar.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIFUSADIFUSADIFUSADIFUSA....---- Es la radiación solarprocedente de toda la bóveda celeste. Está originada por

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR DIFUSADIFUSADIFUSADIFUSA....---- Es la radiación solarprocedente de toda la bóveda celeste. Está originada porla dispersión de la radiación en la atmósfera.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR REFLEJADAREFLEJADAREFLEJADAREFLEJADA....---- Es la fracción de laradiación solar (directa y difusa) que es reflejada por lasuperficie terrestre.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR GLOBALGLOBALGLOBALGLOBAL....---- Suma de la radiación solardirecta, difusa y reflejada.

RADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓNRADIACIÓN SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Al incidir las ondas electromagnéticas sobre materiales,ceden su energía en forma de paquetes de energía o partículas sin masa,llamados fotones cuya energía es:

E = energía (J)= Frecuencia lineal (Hz)

h = constante de Planck = 6,6256 10 –34 J.s.Es posible medir la cantidad de energía que está asociada a cada una de las

bandasespectrales, resultando así:� 8% corresponde a (UV).� 39% corresponde al visible (V).

49% corresponde al infrarrojo (IR).

υhE =

υ

� 49% corresponde al infrarrojo (IR).� 4% corresponden a otros.

La radiación que sale del Sol no es idéntica a la que llega a la superficie de latierra puesto que debe atravesar la atmósfera. En esta se difunde por lasmoléculas que constituyen el aire, por el polvo y el vapor de agua. Se absorbe,en forma selectiva, por el ozono (UV corto), vapor de agua (IR largo) y el O2 yCO2, cuyas concentraciones varían con el tiempo.La cantidad de radiación absorbida o difundida depende de la trayectoriaóptica de la radiación a través de la atmósfera. Cuando el sol está en su puntode máxima altura (mediodía solar) llega mucho más radiación, y con distintacalidad espectral, que cuando está cerca al horizonte.

IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.IRRADIANCIA ESPECTRAL.----

Es la intensidad de la radiación recibida en cada longitud de onda.La irradiancia espectral extraterrestre; es decir, las recibidas sobrela capa exterior de la atmósfera presentamos en la siguientegrafica. En esta grafica se indica el porcentaje de intensidad quellega en cada una de las bandas.

LALALALA CONSTANTECONSTANTECONSTANTECONSTANTE SOLARSOLARSOLARSOLAR....---- Sedenomina así, a la cantidad deenergía que nos llega del Sol en launidad del tiempo, por unidad desuperficie normal a la dirección dela radiación incidente, en lasuperficie exterior de nuestraatmósfera. Lo llamaremos IIIICCCC y es lamisma que se recibiría sobre lasuperficie de la Tierra en caso desuperficie de la Tierra en caso deque no hubiera atmósfera.medidas NASA � IIIICCCC = 1 353 W/m2

, con un error de 1.5%1978 FROHLICH Recomendó � IC

= 1 373 W/m2 , satélites NIMBUS Y MARINER.

1994 WORLD RADIATION CENTER (WRC) � IIIICCCC = 1 367 W/m= 1 367 W/m= 1 367 W/m= 1 367 W/m2 2 2 2 valor medio Standard con error de 1%

RADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADARADIACIÓN GLOBAL, DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA

La radiación solar, en su trayecto hacia la superficieterrestre, es parcialmente absorbida, reflejada ydifundida por los constituyentes de la atmósfera. Aúnal medio día, de un día claro con cielo limpio, laatenuación de la radiación directa está entre el 30 y35%.

YURI A. GONZALEZ GONZALEZ

35%.

Para efectos prácticos que nos interesan, estosfenómenos de absorción, reflexión y difusión, danorigen a una descomposición de la radiación en lasuperficie terrestre en tres componentes; la directa,la difusa y la reflejada. La suma de estas trescomponentes se llama Radiación Global, ohemisférica.

Nubes

Aerosoles

Limite de la atmósfera

Reflejada al espacio

Moléculas de aireNubes

Directa

Difusa

RADIACION RECIBIDA EN LA SUPERFICIE TERRESTRE

Radiación Global� miden los piranómetros

Radiación Directa� miden los pirheliometros

Fracción de horas de sol � heliógrafos �

Podemos escribir:Ih = Id + IbHh = Hd + HbHh = Hd + Hb

Ih : Radiación global; Id; Radiación directa;

Ib; Radiación reflejada

Hh : Irradiación global; Hd; Irradiación directa;

Hb; Irradiación reflejada

COMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTOCOMPORTAMIENTO DEDEDEDE UNUNUNUN COLECTORCOLECTORCOLECTORCOLECTOR PLANOPLANOPLANOPLANOEl comportamiento de un colector solar, debe entenderse bajo un puntode vista técnico de igual forma de cómo se interpreta elcomportamiento de una maquina térmica cualesquiera, dentro delrégimen que corresponda en cada caso.Esto significa que, luego de ser establecido el régimen defuncionamiento de un colector solar debe analizarlo considerando losdiversos factores que gobiernan el mismo, el problema surge cuandocomprobamos que aquel régimen de funcionamiento es, en estoscasos, inestable o muy variable debido a que las fuerzas impulsorasradiación solar, velocidad del viento y temperatura del ambiente soninestables y variables lo que origina que no pueda hablarse de unradiación solar, velocidad del viento y temperatura del ambiente soninestables y variables lo que origina que no pueda hablarse de unrégimen de funcionamiento estable y constante, sino de muchosregímenes que serían función directa de la variación de aquellasfuerzas impulsoras y entonces tenga que analizarse y/o proyectarsecomportamientos diarios, mensuales, estaciónales o anualesrepresentativos de esos mismos periodos lo que hace indispensable unanálisis más o menos profundo de todos los parámetros que influyen enel funcionamiento del colector.

YURI A. GONZALEZ GONZALEZ

YURI A. GONZALEZ GONZALEZ

CALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLARCALCULO DE EFICIENCIA DEL COLECTOR SOLAREl colector solar puede ser analizado como unamaquina térmica en tanto que recibe una formade energía, la transforma y entrega energía en laforma de fluido caliente, según se Ilustra en elesquema siguiente:

Energía disponible

COLECTOR )(m esp TTc −=•

eTm&

Energía perdida

Energía útil

Por lo tanto y como se aprecia, estamos encondiciones de hablar de energía disponible, energíaútil y energía perdida y consecuentemente pensar entérminos de eficiencia que, en primer términopodríamos representarla como:

DISPONIBLEENERGIA

PERDIDAENERGIADISPONIBLEENERGIA

DISPONIBLEENERGIA

UTILENERGIAEFICIENCIA

−=== η

PERDIDAENERGIAEFICIENCIA 1−== η

DISPONIBLEENERGIAEFICIENCIA

.1−== η

Expresión típica que expresa de manera general laeficiencia de una máquina térmica, sin embargotratándose de colectores solares debemos tenerpresente que la energía útil obtenida, normalmentesignifica un fluido caliente, este aspecto y el queexplicáramos seguidamente, lo diferenciannotablemente de una máquina térmica cualesquiera.

BALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UN BALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UN BALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UN BALANCE TÉRMICO Y EFICIENCIA DE UN COLECTOR SOLAR COLECTOR SOLAR COLECTOR SOLAR COLECTOR SOLAR Para un colector solar puede establecerse el siguiente balance térmico:

CALOR ABSORBIDO POR EL COLECTOR

CALOR ÜTIL EN EL COLECTOR

CALOR PERDIDO DESDE EL COLECTOR

CALOR ALMACENADO EN LOS MATERIALES DEL COLECTOR+ +=

( ) ( ) ( ) ( ) T∆( ) ( ) ( ) ( )t

TMcTTAUTTCmAH

eqpapLesP ∆∆+−+−= &τα

El ultimo término de esta expresión representala cantidad de energía que se pierde por elcalentamiento que sufren los materiales queconforman el colector el que se hace cero parauna situación de equilibrio considerando unestado de funcionamiento cuasi estable.

En la que: Qu= , y qu es el calor útil en el colector por unidad de área de superficie absorbedora. Entonces, la eficiencia, es:

( ) ( )apLu

u TTUHA

Qq −−== τα

( )esp TTcm −•

incidentesolarEnergia

colectorelenÚtilCalor=η

( ) ( ) ( )•

( ) ( ) ( ) ( ) ( )H

TTU

HA

TTC

H

TTU

H

q apLesPapLu m −−=⇒

−=

−−==

•

ταηταη

Esta expresión representa la eficiencia del colectorconsiderando la transformación de energía solar quese produce y que queda acumulada transitoriamentecomo energía interna en la placa absorbedora, procesoentendido como "Transformación de Energía Solar enCalor", tomándola como energía útil en el colector.

ACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIAACUMULADORES Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIA

El acumulador de energía es un elemento cuya funciónes almacenar energía durante un cierto tiempo enforma de calor sensible o latente de acuerdo a lasustancia de acumulación, para luego cederla segúnlos requerimientos de la necesidad.En nuestro trabajo de Investigación el acumulador seEn nuestro trabajo de Investigación el acumulador seha utilizado la piedra de tipo pomepomepomepome por su capacidad dealmacenar energía térmica, en un depósito de forma deun paralelepípedo, conteniendo en su interior lasustancia para la acumulación de energía y aisladoconvenientemente para que en la noche pueda serutilizada.

USO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DE USO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DE USO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DE USO DE PIEDRAS COMO SUSTANCIA DE ACUMULACIÓN ACUMULACIÓN ACUMULACIÓN ACUMULACIÓN

El uso de piedras como sustancia deacumulación se debe principalmente por sucapacidad de ganar y ceder calor con ciertafacilidad, aunque no todos los tipos de piedrastengan esta característica que no son buenosconductores de calor.tengan esta característica que no son buenosconductores de calor.

Para ello en nuestro caso se ha realizado algunaspruebas experimentales como en el caso deexponer las piedras pintadas de color negro mate,a la radiación directa del sol.

ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Cálculo del coeficiente volumétrico y transferencia de calor hv;

donde: 650: factor de coeficiente volumétrico de trasferencia D : diámetro equivalente y esta dado por:

3

7.0

650m

W

D

Ghv

=

D : diámetro equivalente y esta dado por:

donde: : Volumen neto de las piedras en el acumulador.

Np : Número de piedras. G : flujo de masa por unidad de sección.

p

Np

N

VGD

π=

PNV

y si a esta relación agregamos las pérdidas que se producen en el acumulador tenemos:

donde la temperatura del aire en cada estrato (Tfi)

( )pfifv

bia Q

iTTxAh

dt

dTxAC

•

−−∆=∆−1

...ρ

( )pfifv

bia Q

iTTxAh

dt

dTxC

•

−−∆=∆−1

..ρ

donde la temperatura del aire en cada estrato (Tfi) está dado por:

Donde:A : Área de sección del acumulador.

: Distancia horizontal entre termocuplas. : A las condiciones que abandona el aire del colector

( )ibif

Cp

vfif TTxA

hTT

mci ,11

−

∆−= −•−

X∆

C

pCm

•

YURI A. GONZALEZ GONZALEZ

Esquema que muestra la disposición del sistema experimental para el estudio de las piedras como sustancia acumuladora

de energía.

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍAALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

El almacenamiento de energía es de importanciacrítica para el éxito de cualquier fuente de energíaintermitente a la hora de responder a las demandasfuertes.

Este problema es especialmente grave en el caso deEste problema es especialmente grave en el caso dela energía solar debido a que se necesita elalmacenamiento en su mayor parte cuando ladisponibilidad solar es baja, principalmente eninvierno (a nivel del mar), pero la irradiancia en elsur del Perú es apreciablemente bastante intenso.

ALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICOALMACENAMIENTO TÉRMICOCada sistema solar tiene un cierto grado dealmacenamiento de energía térmica, bienproporcionado deliberadamente como un lugarpara almacenar suficiente energía para suavizarlas fluctuaciones de flujo de entrada o bien através de la inercia térmica del sistema decolectores y fluido de transferencia térmica.colectores y fluido de transferencia térmica.Sin embargo, el almacenamiento térmico esutilizado durante un tiempo breve, medido enhoras, lo cual en general no es suficiente parahacer que un sistema funcione a lo largo de todo elinvierno.

FLUJO DE AIRE FLUJO DE AIRE FLUJO DE AIRE FLUJO DE AIRE

El flujo de aire tiene muchas similitudes con el delagua. Puede ser laminar y turbulento. El viento laminaradopta trayectorias de hilos paralelos a la superficieterrestre, en el viento turbulento los hilos adoptantrayectorias turbulentas de carácter helicoidal. Elviento se hace turbulento a partir de cierta velocidadviento se hace turbulento a partir de cierta velocidadcrítica (1metro/segundo). Además las irregularidadesdel relieve y la vegetación provocan turbulenciasdinámicas.

En nuestro caso necesitamos determinar el flujo delaire que atraviesa al colector. Para poder determinar laeficiencia de la misma.

νπν 2.

.RAm =

Para ello utilizaremos la siguiente relación.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAMATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE LA VIVIENDAPIEDRA PIEDRA PIEDRA PIEDRA La piedra es la sustancia mineral, sólida y compacta, ni terrosa ni de aspecto metálico.La piedra o roca se puede clasificar en tres grupos de acuerdo con su origen geológico: ígnea. Sedimentaria y metamórfica.ADOBEADOBEADOBEADOBELa palabra adobe según el diccionario es la masa de barro y paja enforma de ladrillo y seca al aire y se moldeada con un instrumentoque se llama adobera.que se llama adobera.El adobe se hace de una arcilla calcárea arenosa o de cualquierarcilla desértica aluvial con buenas propiedades plásticas, que sesecan constituyendo una masa dura y uniforme. Se puede utilizarmejor en climas áridos o semiáridos, en donde la arcilla esabundante y en los que pueden aprovechar con ventaja lasexcelentes propiedades aislantes de adobe.Por lo general los adobes miden de 3 a 5 pulgadas (76.2 a 127 mm)de altura, 10 a 12 pulgadas (254 a 304.8 mm) de ancho y 14 a20pulgadas (355.6 a 508 mm) de largo.

Formas de Preparación de Adobe Formas de Preparación de Adobe Formas de Preparación de Adobe Formas de Preparación de Adobe

ConConConCon PajaPajaPajaPaja....---- El material paja se agrega una vez que el barro estehomogéneo para impedir que formen grietas, se usanespecialmente en la construcción de viviendas en la tierra.ConConConCon pelopelopelopelo humanohumanohumanohumano yyyy salsalsalsal....---- Su uso es para la construcción de hornos,el pelo humano se introduce en ves del material paja por la mismarazón anterior y se agrega sal para que acumule el calor del airecaliente.Teja Teja Teja Teja Teja Teja Teja Teja La teja es la pieza de barro cocido en forma de canal, que sirve paracubrir por fuera los techos, y sirve para el tejado por parte superiorde una vivienda.La teja de barro es una pieza de este material hecha en forma decanal; usada para cubrir exteriormente los techos y no permitir laentrada de agua de lluvia a un espacio dejándola escurrir. En laépoca de la colonia se utilizaban casi en todas las construccionesformando así parte de nuestra identidad; todos las recordamos.

CarrizoCarrizoCarrizoCarrizo

El carrizo es la planta gramínea, propia de lugareshúmidos, que cuyos tallos se construyen cielos rasos.Ventana Ventana Ventana Ventana Abertura más o menos elevada sobre el suelo, que sedeja en una pared para dar la luz y ventilación. Hojasde madera y de vidrio con que se cierra esta abertura.de madera y de vidrio con que se cierra esta abertura.YesoYesoYesoYesoEl yeso sulfato de cal hidratado que se emplea muchoen la construcción y en la escultura, después dedeshidratado por la acción del fuego y molido por supropiedad de endurecerse con rapidez al mezclarsearmarse con agua; se emplea en la construcción y enescultura y para cubrir una pared.PuertaPuertaPuertaPuertaVidrioVidrioVidrioVidrio

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR PARA CALENTAMIENTO DE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALESDE AIRE Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALES

DISEÑO DE LOS COLECTORES DISEÑO DE LOS COLECTORES DISEÑO DE LOS COLECTORES DISEÑO DE LOS COLECTORES Las viviendas en las zonas alto andinas de nuestro Perú(zonas rurales) deben orientarse adecuadamente en suconstrucción, para la conversión de la energía radiante (sol)en energía calorífica.Primeramente para diseñar un colector de aire se debetener en cuenta algunos parámetros locales como son:tener en cuenta algunos parámetros locales como son:Volumen de aire a calentar (dentro de la habitación) = 64m3

Temperatura de aire a calentar Ti = 11ºC (Temperatura Inicial de la habitación)Tf = 27ºC (Temperatura final de la habitación)∆T =Tf – Ti = 27ºC – 11ºC = 16ºCEnergía solar promedio en Cusco, es:Kayra: 5,280kWh/m2 día.

haciendo Cálculos:

donde:

= 1,16 Kg/m3

T m C Q P ∆=

Vm ρ=

T V C Q p ∆= ρ

aireρ

V = 64m3

Cp = 1011,6J/kgºC

Luego la energía es:

CCkg

Jm

mkg

Q º16º

6,10116416,1 3

3×××=

JQ 944,1201618=

Luego Q en unidades de kWh será:

= 0,33378kWh

(energía necesaria para calentar el volumen del aire dentro dela habitación cuando la temperatura se incrementa de 11 ºC a27ºC)

JkWhJ

Q3600000

144,1201618 ×=

%100min

×=istradoSuEnergia

NecesarioEnergiaη

Entonces:

Luego el área del colector será:

ministradoSuEnergia

%100min ×=ηNecesarioEnergia

istradoSuEnergia

68.0

0.33378kWhmin =istradoSuEnergia

diakWhistradoSuEnergia /84706,21204min =

4./280,5

dia/6kWh21204,84702

==diamkWh

Ac m2

INSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORESINSTALACION DE LOS COLECTORESVISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTORVISTA DEL COLECTOR

VISTA DE CORTEVISTA DE CORTEVISTA DE CORTEVISTA DE CORTE

CALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORESCALCULO DE ANGULO DE INCLINACION DE LOS COLECTORES

ANGULO DE DECLINACION: MEDIOS MENSUALES DEL SOL

(Elaborado para el Hemisferio Sur)

φδα −=

VISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACIONVISTAS DE INSTALACION

Esquema del colector solar instalado

INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)INSTALACIÓN DE LOS DUCTOS (Tuberías)

Se ha utilizado tubos como ductos desde el colectorque se encuentra en el techo de la vivienda, paratrasladar el aire caliente hasta el interior de lavivienda, para lo cual se ha utilizado tubos de lassiguientes características:

� Tubos PVC de tres pulgadas � Tubos PVC de tres pulgadas � Codos de tres pulgadas � Tes de PVC de tres pulgadas � Yes de PVC de tres pulgadas � Pegamento de PVC� Pintura de color mate negro.

Toma de DatosToma de DatosToma de DatosToma de Datos

Temperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la viviendaTemperatura exterior e Interior de la vivienda

Radiación SolarRadiación SolarRadiación SolarRadiación SolarTabla 2Tabla 2Tabla 2Tabla 2

Intensidad de en w/m2 (mes de mayo de 2009)

tiempo en

horas 11/05/2009 12/05/2009 13/05/2009 14/05/2009 15/05/2009 16/05/2009 17/05/2009 18/05/2009

0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0

2 0 0 0 0 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0 0 0 0

4 0 0 0 0 0 0 0 0

5 0 0 0 0 0 0 0 0

6 50 6 50 30 20 10 10 10

7 222 198 241 96 92 49 52 50

8 406 389 430 323 347 438 458 391

9 573 568 576 456 462 600 637 601

10 714 724 705 633 624 706 737 719

11 784 819 787 506 519 753 780 778

12 794 838 809 514 532 771 796 814

13 750 799 786 447 485 756 762 776

14 632 671 682 268 291 679 708 725

15 525 546 580 457 514 530 557 557

16 368 368 421 132 144 373 398 380

17 132 134 176 45 55 185 198 168

18 0 0 0 0 0 0 0 0

19 0 0 0 0 0 0 0 0

20 0 0 0 0 0 0 0 0

21 0 0 0 0 0 0 0 0

HUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVAHUMEDAD RELATIVATabla 3Tabla 3Tabla 3Tabla 3

humedad Relativa en %

tiempo en horas

día 11/05/2009 día 14/05/2009 día 16/06/2009 día 16/06/2009

exterior interior exterior interior exterior interior exterior interior

0 54 57 53 56 54 57 54 57

1 54 56 54 57 54 58 54 58

2 56 59 55 58 56 61 56 61

3 58 61 57 62 59 60 59 60

4 59 63 60 62 61 63 61 63

5 61 62 61 62 62 62 62 62

6 59 61 52 58 48 56 48 516 59 61 52 58 48 56 48 51

7 60 65 70 73 91 85 72 74

8 63 64 69 70 78 70 59 54

9 59 64 67 69 50 52 35 38

10 51 66 64 67 43 43 33 35

11 34 63 58 63 34 52 27 34

12 33 53 53 57 26 30 33 35

13 25 52 49 56 24 31 25 36

14 25 48 45 48 28 48 22 34

15 30 46 39 47 18 31 26 36

16 33 43 36 49 21 23 37 35

17 38 42 34 36 32 47 20 33

18 42 44 33 37 46 51 35 50

19 43 45 42 46 45 49 45 60

20 48 51 49 52 48 52 48 52

GRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE GRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE GRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE GRÁFICOS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE CALEFACCIÓN CALEFACCIÓN CALEFACCIÓN CALEFACCIÓN

(11/05/2009)

(12/05/2009)

(14/05/2009)

(11/05/2009)

EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.EFICIENCIA INSTANTÁNEA DE LOS COLECTORES.

Es la razón del calor útil a la radiación instantánea incidenteen el área neta del colector.Su evaluación se realiza en un día de funcionamiento delcolector, donde se toman las mediciones correspondientesobteniéndose la curva de eficiencia de colector.La eficiencia instantánea se obtiene con la siguienteecuación:ecuación:

= 29,4108 %

( ) ( ) ( )⇒

−=

−−==

H

TTCm

H

TTU

H

q esPapLu &ταη

( ) ( )c

esPapL

AR

TTCm

H

TTU

.

−=

−= &η

( )c

esP

c

útil

AITTCm

AIQ

..

−==⇒&η

%1008613,3/809

)º1856)(º/6,1011)(/0239,0(22

××

−=mmKW

CCkgkWhskgη

Tabla de Cálculo de datos experimentales Tabla de Cálculo de datos experimentales Tabla de Cálculo de datos experimentales Tabla de Cálculo de datos experimentales

(Día, 13 de Mayo del 2009) (Día, 13 de Mayo del 2009) (Día, 13 de Mayo del 2009) (Día, 13 de Mayo del 2009)

Hora I (W/m2) Ac (m2) (Kg/s) Cp(KWh/Kg. °C Te ( °C) Ts( °C) Q util (Kw.h/s Eficiencia

06:00 50 3.8613 0.0239 1011.6 11.00 11.00 0.0000000 0

07:00 241 3.8613 0.0239 1011.6 11 11 0.0000000 0

08:00 430 3.8613 0.0239 1011.6 13 28 362.6586000 21.8421799

09:00 576 3.8613 0.0239 1011.6 17 45 676.9627200 30.4374822

m•

10:00 705 3.8613 0.0239 1011.6 18 52 822.0261600 30.1969428

11:00 787 3.8613 0.0239 1011.6 20 56 870.3806400 28.641842

12:00 809 3.8613 0.0239 1011.6 18 56 918.7351200 29.4108957

13:00 786 3.8613 0.0239 1011.6 19 55 870.3806400 28.678282

14:00 682 3.8613 0.0239 1011.6 16 53 894.5578800 33.9696073

15:00 580 3.8613 0.0239 1011.6 20 51 749.4944400 33.4662366

16:00 421 3.8613 0.0239 1011.6 20 38 435.1903200 26.7709379

17:00 176 3.8613 0.0239 1011.6 19 19 0.0000000 0

Grafica de Eficiencia Instantania

20

25

30

35

40E

ficie

ncia

(%

)

Curva de Eficiencia

0

5

10

15

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12

Tiempo en Horas (h)

Efic

ienc

ia (

%)

EFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEFICIENCIA GLOBAL DE LOS COLECTORESEs la energía útil generado por los colectoresrespecto a la total suministrada por el sol. Se calculautilizando la siguiente expresión.

( )c

esP

c

TotalG AH

TTCm

AH

Q

..

−==η

(de Santana y Palacios, 1985, pp 70 )

= 48,822%%100)8613,3)(/.5130(

)º2161)(º/.281,0)(40,860(22

×−=mmhW

CCkghWkgGη

BALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORESBALANCE DE ENERGÍA EN LOS COLECTORES.

Para desarrollar este balance necesitamos hacer algunoscálculos los cuales se presentan a continuación:Ingreso de calorIngreso de calorIngreso de calorIngreso de calor.Calor suministrado por el sol (promedio de los datos medidos).

Qs = 5120W/m2 x 12hQs = 5120 Wh/m2 = [(61560J/s x3600s)/1000] k = Qs = 5120 Wh/m2 = [(61560J/s x3600s)/1000] k = 221184KJ/m2

Entonces el calor cedido por el colector tenemos:

Qc = 854057,78kJ

cs AQQc ×=2

28613,3221184 m

mkJ

Qc ×=

CALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALORCALCULO DE PERDIDAS DE CALORCOEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y EL COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y EL COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y EL COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACA ABSORVENTE Y EL

AIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTOAIRE DEL DUCTODETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DEL DUCTO (Dh)

Para determinar este valor utilizaremos la siguiente relación:

+×=

ab

abD h

+ abh

DETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (RDETERMINACIÓN DEL NUMERO DE REYNOLDS (Reeee))))

El número de Reynolds (Re) es una magnitud adimensional que esta dado por la siguiente relación:

a

hae

DvR

µρ r

=

(Fuente, Geankoplis, 1998, pp 57)

Re = 3396,5331

aµ

( )( )( )smkg

msmmkgR e

./109268,1

0196,0./3./113,15

3

−×=

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (NDETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE NUSSELT (Nuuuu))))

Para este dato emplearemos la siguiente relación:

(Fuente, Earle, 1988, pp 55)

Por otro lado de Santana y Palacios, (1985). En caso de L/Dh <60 multiplicar la ecuación por (1+Dh/L) 0.7

3/18.0.023.0 reu PRN =

de L/Dh <60 multiplicar la ecuación por (1+Dh/L) 0.7

Nu = 13,7098

7.0

3/18.01Pr.023.0

+=L

DRN h

eu

7.0

3/18.0

11,2

0196,01)6957,0.()533,3396(023.0

+=m

mN u

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVO DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVO DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVO DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE CONVECTIVO ENTRE LA PLACAENTRE LA PLACAENTRE LA PLACAENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y EL AIRE EN EL ABSORBEDORA Y EL AIRE EN EL ABSORBEDORA Y EL AIRE EN EL ABSORBEDORA Y EL AIRE EN EL DUCTO.DUCTO.DUCTO.DUCTO.

h = (Nu x K)/Dh (de Santana y palacios, 1985 pp 140)

K: conductividad térmica del material de fondo (espuma de Poliestireno) = 0,036 W/mK (de (espuma de Poliestireno) = 0,036 W/mK (de Earle, 1988, pp 181).

= 25,1813w/m25,1813w/m25,1813w/m25,1813w/m2222 KKKKm

mwh

0196,0

/036,07098,13 ×=

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (CALOR POR RADIACIÓN ENTRE LAS PLACAS (hhhhrrrr))))

(De Santana y Palacios, 1985 pp140)

−−

=rp

rpr TT

TTh

44

σ

hr= 7,21687447w/m7,21687447w/m7,21687447w/m7,21687447w/m2 2 2 2 KKKK

−−×= −

92,29575,336

92,29575,33610676,5

448

rh

CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E) CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E) CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E) CALCULO DEL FACTOR DE EMISIVIDAD GLOBAL (E)

Esta dado por la siguiente relación

(de Santana Y palacios, 1985 pp. 140)

1

111

−

−+=

rp

Eεε

2759,0128,0

1

95,0

11

=

−+=−

E

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PLACA ABSORBEDORA Y EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE.EL FLUJO DE AIRE.

(de Santana y Palacios, 1985 pp.) r

t

hE

sen

hsen

hh

.

1

2

1

1

2+

+=

α

α

Donde: α es el ángulo corrugado de la placa absorbedora = 90º

ht = 37,49746872W/m2 K

217,7)279,0(

1

2

º90

183,25

1

1

2

º90

183,25

++=

sen

senh t

CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTA CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTA CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTA CALCULO DE LAS PÉRDIDAS POR LA CUBIERTA TRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (UTRANSPARENTE (Utttt).).).).

( ) ( )( )( ) N

FNN

TTTT

h

fN

TT

T

NU

cpp

apap

wap

p

t

−

−++−+

+++

+

−−

=

−

−

εεε

σ12

10425.0

..1

.344 1

22

1

Ut= 7,0855w/m2 K

( ) ( )( )( )[ ] 1

85,0

1789,0)1(295,01)1(0425,095,0

10676,5.29375,336.29375,336

1,17

1

489,01

29375,336.

75,336

344

1

1

822

1

−

−++−+

×+++

+

−−

=

−

−

−

tU

CALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTE CALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTE CALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTE CALCULO DE PÉRDIDAS DE CALOR POR LA PARTE INFERIOR (INFERIOR (INFERIOR (INFERIOR (UUUUbbbb))))

e1: espesor de la placa de fondo( despreciable).

e2: espesor del aislante (espuma de políestireno)=0.0254m

k2: conductividad térmica de espuma de políestireno=0,036w/mK

1

3

3

2

2

1

1

−

++==k

e

k

e

k

e

e

kU b

k2: conductividad térmica de espuma de políestireno=0,036w/mK

= 1,44 w/m2 K

Luego la perdida global en el colector, es:

UL = Ut + Ub = 7,0855W/m2K+1,44W/m2K=8,5255 W/m2K

1

/036,0

0254,0−

=

KmW

mUb

tAUQp cs .=

PÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTORPÉRDIDAS DE CALOR EN EL COLECTOR

ANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCIONANÁLISIS DE LA VIVIENDA CON CALEFACCION

Para analizar previamente se han medido latemperatura en el interior de la vivienda sininstalar el colector y también la temperaturainstalando el colector y esta comparacióntenemos en las graficas, y se observa eltenemos en las graficas, y se observa elaumento de temperatura como se planteo enla hipótesis. Esto es:

20

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

tura

en

(ºC

)

Temperatura de la Vivienda en elInterior de La vivienda sin el Equipo

Temperatura de la Vivienda en elInterior de La vivienda con Equipo

0

5

10

15

20

Tiempo en Horas (h)

Tem

pera

tura

en

(ºC

)

Temperatura de la Vivienda en elInterior de La vivienda sin elEquipo

11 10 10 10 9 9 10 13 15 16 18 21 22 23 24 25 20 19 18 15 15 14 12 12

Temperatura de la Vivienda en elInterior de La vivienda con Equipo

16 15 14 17 13 13 13 16 19 34 35 40 45 41 42 39 25 22 21 19 19 18 17 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Análisis con Acumuladores Térmicos (Piedras)Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador:Variación de la temperatura en el acumulador:

Tiempo

(horas)

Entrada

(°C )

Medio

(°C )

Salida

(°C )

6 11 11 11

7 11 11 11

8 19 19 18

9 36 34 33

10 36 35 34

11 40 40 40

12 50 49 49

13 45 41 43

14 45 42 42

15 39 39 38

16 23 22 22

17 21 19 16

18 20 19 18

Grafica del comportamiento de temperatura en el Acu mulador

30

40

50

60

Tem

pera

tura

en

(ºC

) Temperatura en la entrada del Acumulador

Temperatura en medio del Acumulador

Temperatura en la Salida del Acumulador

0

10

20

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tiempo en (h)

Tem

pera

tura

en

(ºC

)

Tabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de la Tabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de la Tabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de la Tabla de temperatura durante las 24 horas en el interior de la vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador.vivienda con acumulador y sin acumulador.

Tiempo

(horas)

Sin Acumulador

(ºC)

Con Acumulador

(ºC)

0 13 14

1 12 13

2 12 13

3 12 13

4 11 12

5 11 12

6 12 13

7 14 16

8 16 19

9 16 34

10 18 35

11 21 40

12 22 45

13 23 41

14 24 42

15 25 39

16 21 25

17 20 22

18 17 21

19 16 19

20 16 19

21 15 18

22 13 17

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

tua

en (

ºC)

Temperatura sin el Acumulador

GRAFICA DE COMPARACION DE TEMPERATURA DEL INTERIOR DE LA VIVIENDA CON ACUMULADOR Y SIN ACUMULADOR

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tiempo en (h)

Tem

pera

tua

en (

ºC)

Temperatura con Acumulador

COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS COSTOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LOS COLECTORESCOLECTORESCOLECTORESCOLECTORES

Componentes Materiales Dimensión Cantidad Costo (S/.)

Placa de la cubierta Vidrio

4mm de 0.91m x

2.11m

2 60,00

Capa de la placa

absorbente

Pintura negra

mate no

selectivas

2 frascos 2 24,00

Placa absorbente Plancha de acero

galvanizado

0.8mm de 2.4mx 1.2m

2 162,00

Conductos del fluido Tubo PVC (pulgadas) de

diámetro 7 71,00

Aislante Lana de vidrio (pulgadas) de 1.8m

15kilos 300,00

Caja Plancha de acero

galvanizado

0.9mm de 2.4 x1.2m

2 108,00

Juntas Silicona 3 30,00

Medio de

transferencia de calor

Aire

3 Ventiladores 12voltios 36,00

Mano de Obra (S/.) 1000,00

Total (S/.) 1791,00

CONCLUSIONES

1. El aprovechamiento de la energía solar, utilizandocolectores solares nos a permitido mejorar losparámetros climáticos de la vivienda .

2. La vivienda sin calentamiento tiene unatemperatura promedio de 11°C y utilizando elcalentamiento de aire se obtuvo una temperaturapromedio de 27°C, entonces nuestro sistema espromedio de 27°C, entonces nuestro sistema eseficiente.

3. La eficiencia global del colector es de 48,82%, loque significa que estamos dentro de losestándares 40-70%.

4. El sistema experimental diseñado y construidodemuestra su eficiencia y aplicación en viviendasde nuestro medio .

GRACIASEL CUSCO LOS ESPERAEL CUSCO LOS ESPERA