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FALK SOLAR APLICACIONES DE ENERGA SOLAR

Manual de Calefones Solares

Dipl.-phys. Reinhard Mayer Falk Licenciatura Alemana en FsicaLa Paz - Bolivia Septiembre de 2010

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Estimad@ Amig@ de Energa Solar: Hay diferentes sistemas para el calentamiento de agua mediante el uso de la energa solar que se utilizan actualmente en Bolivia. Existen varias empresas bolivianas que se dedican a la fabricacin, importacin e instalacin de calefones solares. A pesar del gran inters para la energa solar, falta informacin sobre estas tecnologas y los recursos de energa solar en Bolivia. El siguiente texto se elabor para dar los datos necesarios para poder planificar e inclusive fabricar sus propios sistemas de calefones solares. Este texto es parte del material de enseanza para cursos de capacitacin tcnica de la empresa FALK SOLAR. Hubo varios eventos, entre ellos para el sector turstico (noviembre de 2009 y julio de 2010) donde se daban conferencias sobre la tecnologa de calefones solares. He recibido varias sugerencias de los participantes de los seminarios, por ejemplo de introducir ms detalles tcnicos, clculos y diferentes aplicaciones de energa solar para calentar agua. Con este texto espero que he cumplido con estos deseos. He probado aplicar un lenguaje sencillo, no obstante, algunas veces se va a encontrar algunas palabras no conocidas. En este caso sugiero consultar un diccionario, una enciclopedia o textos de enseanza de la escuela, colegio o de la universidad. Si se tiene acceso a Internet, hay muy buenas informaciones en red (si se sabe elegir). Me gusta recibir sugerencias para actualizar en forma permanente el texto respecto a contenido y didctica. La Paz, Septiembre de 2010 Reinhard Mayer Falk FALK SOLAR Tel./Fax : 02 2 72 26 72 Celular : 730 43 874 E-mail : reinhard@falksolar.com falk_solar@hotmail.com Sitio-web: www.falksolar.com Avenida 2 No. 268 (Barrio de Bolognia) La Paz Zona Sur Bolivia

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Nomenclatura, Abreviaciones y Unidades.A pesar de utilizar pocas frmulas y clculos, es muy importante dar algunas definiciones (aclaraciones) que nombramos nomenclatura. Punto ( . ) se utiliza para separar miles Coma ( , ) se usa para separar decimales Unidades de energa: J Ws Wh kWh kWh/da kWh/m2 kWh/m2/da cal kcal = Julio = vatio - segundo = vatio - hora = kilovatios-hora = kilovatios-hora/da = kilovatios hora por metro cuadrado = kilovatios-hora por metro cuadrado y da = calora = kilo - calora

Unidades de potencia W kW = vatio = kilo - vatio

Otros cm2 m2 s h = = = = centmetro cuadrado metro cuadrado segundo (seg.) hora

Comentario: Para la unidad de tiempo segundos utilizamos en ciencias la abreviacin s, no obstante, en la vida comn se utiliza tambin la abreviacin seg. Por esta razn, en el texto aparecen las abreviaciones s y seg indiscriminadamente.

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Conversiones.Energa: 1 cal = 4,1855 J = 4,1855 Ws 1 kcal = 1.000 cal = 4.185,5 J = 4.185,5 Ws 1 cal/cm2/da = 41.855 Ws/m2/da = 11,626 Wh/m2/da 1 Langley = 1 cal/cm2 = 0,0116 kWh/m2 1.000 cal/cm2/da = 11,626 kWh/m2/da 1J 1 kJ = 1 Ws = 0,239 cal = 1 Nm = 1.000 J = 239 cal = 0,239 kcal

1 Wh = 3.600 Ws 1 kWh = 1.000 Wh = 860 kcal = 3595 kJ Potencia: 1 HP = 0,745 kW = 745 W 1 kW = 1.000 W = 1,342 HP Otros: 1 m2 = 10.000 cm2

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CAPITULO 1 INTRODUCCIN BREVE HISTORIA DE LOS CALEFONES SOLARES BASE DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CALEFONES SOLARES -El EFECTO INVERNADERO, CALEFONES SOLARES QUE FUNCIONAN CON FLUJO LIBRE Y FLUJO FORZADO. Para conocer las bases de la tecnologa de calefones solares, se tiene que entender que pasa en un invernadero o en un colector solar. Los rayos del sol pueden entrar fcilmente por la cubierta transparente (plstico, vidrio) que cubre el invernadero. El material en el interior del invernadero absorbe la radiacin solar y la convierte en calor. Los materiales calientes por su parte tambin envan una radiacin similar a la luz visible; pero, dicha radiacin (llamada infrarroja o trmica) los ojos humanos no pueden detectar. No obstante, pueden ser detectadas por las terminaciones nerviosas de nuestra piel. Por ejemplo, cuando se toma asiento delante una fogata, se puede sentir esta radiacin, que se llama radiacin trmica o infrarroja en el rostro. Si pasa una persona entre el fuego y nosotros, al instante sentimos que no hay ms calor, porque la persona que esta entre nosotros y el fuego produce una especie de sombra en relacin a la radiacin trmica. Esta radiacin a pesar que es similar a la radiacin que emite el sol, tiene una diferencia significativa en relacin a esta: No puede pasar por los vidrios o los plsticos de la cubierta transparente. Por esta razn, el calor se mantiene en el interior del invernadero. Este mismo efecto se observa en casas o coches cuyas ventanas son cerradas. Como cubierta transparente para invernaderos, en la mayora de los casos se utiliza plstico transparente como el nylon (AGROFILM), calaminas de fibra de vidrio y policarbonato que tienen los mismos efectos que el vidrio para generar calor (efecto de invernadero). Se aprovecha la radiacin solar y el efecto invernadero para el calentamiento de agua mediante los colectores solares.

Figura 1.1: El efecto invernadero. Fuente: Anderson, 1976.

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APROVECHAMIENTO DEL EFECTO INVERNADERO LA CAJA TRMICA. Fue el suizo H.B. de Saussure en 1767 el que, con objeto de medir la radiacin solar, construy los primeros colectores solares. Estos colectores estaban construidos en forma de cajas de madera con varios vidrios planos y aislados con corcho. La superficie interior de la caja fue pintada de negro. Con estos equipos se lograron temperaturas superiores a los 80 C. Hubo experimentos con estos artefactos para calentar alimentos. Se realizaron varios experimentos con este tipo de colector solar durante el Siglo 19, alcanzando temperaturas de hasta 115 C. Tambin se utilizaron estos equipos (cajas trmicas) en experimentos en las alturas. A pesar de que el terreno donde se experimentaba, se hallaba cubierto de nieve, la temperatura dentro de una caja trmica que contaba con dos cubiertas de vidrio, subi por encima del punto de ebullicin de agua. Actualmente se aplica la idea de la caja trmica para construir calefones y cocinas solares.

Figura 1.2: Esquema del colector o caja trmica de Saussure. Fuente: Butti, 1980.

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EL COLECTOR ACUMULADOR.

Figura 1.3: Calentador de agua sencillo. Ventaja: barato y efectivo en zonas con clima templado y caliente. Desventaja: no mantiene el calor durante la noche en zonas muy fras. Ojo: El calefn de la figura se instal en el hemisferio norte, por esta razn aparece en la flecha la palabra SUR. En Bolivia, la superficie transparente tiene que mirar hacia el Norte. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981. El colector acumulador en su forma ms sencilla consiste en un tanque de agua pintado de negro dentro de una caja cubierta de plstico o vidrio para producir el efecto de invernadero. La superficie negra del estanque expuesta a los rayos solares se calienta y transfiere este calor al agua. Calienta el agua durante el da, pero se enfra rpidamente en la noche, de manera que no habr agua caliente hasta la prxima maana para lugares fros. El colector acumulador fue el primer calefn solar conocido. A fines del siglo 19, se utiliz este equipo en los Estados Unidos para calentar agua econmicamente. Durante algunas dcadas se desarroll una industria muy prospera. La figura siguiente muestra uno de estos primeros calefones solares.

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Figura 1.4: Dibujo de un calefn solar de los Estados Unidos, publicado en la dcada de los aos ochenta del siglo 19. Fuente: Butti, 1980.

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CALEFONES SOLARES EQUIPADOS CON COLECTORES PARA CALENTAR AGUA. A inicios del siglo 20 se busc una solucin mejor para calentar agua mediante energa solar. Para aumentar el rendimiento del calefn solar y para mejorar el almacenaje de agua caliente, se separaron las unidades de produccin y almacenaje de calor. El almacn de agua caliente desde estos tiempos cuenta con un aislamiento trmico muy fuerte. No deja pasar el sol, pero tampoco puede escapar bien el calor. El agua caliente se produce fuera de los almacenes del agua, en los colectores solares. La figura 1.5 muestra un sistema muy senillo.

Figura 1.5: Un sistema solar sencillo. El agua entra directamente al colector; cuenta con un tanque ubicado por encima del colector para almacenar el agua caliente. Por la separacin de componentes de funcionamiento el calentamiento del agua tiene su lugar en el colector, el almacenaje de agua caliente en el tanque este tipo de calefn solar tiene ms eficiencia que el colector acumulador. Fuente: Margevicius, Schorgmayer 1981.

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Fotografas 1.1 y 1.2: Izquierda: Un calefn solar con colectores planos. El tanque de almacenamiento de agua caliente tiene una posicin vertical. Derecha: Un calefn solar con un solo colector plano. El tanque de almacenamiento de agua caliente tiene una posicin horizontal como es el caso de todos los calefones solares modernos. Fuente: Fotografas del autor. El colector plano consiste de una caja trmica provista de aislamiento trmico, sistema de tubera, placa de absorcin y una cubierta transparente. El sistema de tubera es unida con la placa de absorcin. Ambas parte son pintadas de color negro mate para absorber un mximo en radiacin solar. La cubierta transparente concentra el calor dentro del colector plano. La figura 1.6 muestra un colector solar plano para calentar agua. Se distingue en sus diferentes componentes: o o o o o Caja del colector. Cubierta transparente. Placa absorbente. Circuito de agua. Material aislante.

Figura 1.6: Colector plano para captar energa solar Fuente: de Cusa, 1989.

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Fotografa 1.3: Detalle de un colector solar plano. Los tubos para calentar agua estn colocados en forma de rejilla. Es el sistema ms divulgado en Bolivia. Fuente: Fotografa del autor. Los calefones solares mostrados en las anteriores fotografas y figuras funcionan sin bomba de agua. Por su posicin del tanque de agua encima de los colectores plano existe una corriente de agua mientras que los colectores reciban sol. Estos sistemas se llaman calefones solares de flujo libre o sistemas termosifn. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA TERMOSIFN. Este efecto es un fenmeno fsico muy conocido: Calentando una masa de agua dentro de un recipiente sucede lo siguiente: La capa de agua en contacto con el fondo de la vasija, que ser la primera en calentarse, sube hacia arriba tan pronto como aumentan unos cuantos grados en su temperatura, porque el agua caliente es ms ligera que el agua fra. Por el mismo efecto trmico, el agua situada en la superficie, que todava se conservar relativamente fra con respecto a la del fondo, por ser ms pesada desciende hacia las capas inferiores. De esta forma se establece una corriente circulatoria, la cual puede ser aprovechada para que el lquido se traslade por s mismo desde un punto a otro (ver figura 1.7).

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Figuras 1.7 y 1.8: Izquierda: Principio del termosifn. Derecha: Esquema de un calentador solar de agua para usos domsticos. Fuente: de Cusa, 1989. Aplicando el principio del termosifn a la instalacin solar para obtener agua caliente, se construye un calentador solar de agua de circulacin natural (ver figura 1.8). El equipo consta de un colector en conexin con un depsito acumulador, estableciendo el circuito con la entrada del agua caliente, que se produce por la parte superior, y la recuperacin de agua fra por la parte inferior. El proceso se desarrolla en las siguientes fases: El agua pasa lentamente por el circuito interior de los colectores, al que se llama circuito primario. La circulacin lenta favorece el calentamiento. Al llegar a la parte superior del colector, el agua caliente entra directamente al termotanque. El agua caliente ocupa la parte superior del recipiente, por donde sale para su consumo. La entrada de agua fra para mantener constante el volumen se produce por la parte de abajo, de donde pasa directamente al circuito primario. El sistema termosifn apareci por la primera vez en el ao 1909 en los Estados Unidos. Desde este tiempo es el sistema tpico para el calentamiento de agua mediante energa solar. LOS SISTEMAS CON FLUJO FORZADO. Se puede instalar una bomba en la tubera entre tanque de agua y colector. De esta manera se tiene libertad en la construccin del sistema solar; se puede instalar el colector por encima del tanque de agua. La bomba cuenta con su respectivo control que mide la temperatura en el tanque y en la salida del colector. Cuando el colector est ms caliente que el tanque, la bomba hace circular el agua. En caso contrario, se impide la circulacin.

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Figura 1.9: Calentador de agua tipo flujo forzado. Puede tener el tanque aislado por debajo del colector. Fuente: Margevicios, Schorgmayer, 1981. Preguntas Reflexiones Captulo 1 Qu es el efecto invernadero? Da ejemplos donde aparece este efecto.

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CAPTULO 2 ENERGA Y POTENCIA

Energa y Potencia.Necesitamos aclarar algunas palabras para poder hablar sobre la energa solar, de la cual depende toda la vida sobre la tierra. Conocemos energa de calor, mecnica, hidrulica, elctrica y otras formas ms. Tambin decimos: tengo mucha energa para hacer deporte o trabajar. En la ciencia de fsica decimos: La energa es la capacidad de realizar un trabajo. El trabajo en este sentido es mover o elevar un cuerpo con cierta masa a cierta distancia. Cuando hacemos deportes, por ejemplo elevar pesas, realizamos un trabajo a los pesos.

Figura 2.1: Ejemplo de Trabajo = Elevar pesas. Fuente: Dibujo del autor. En las ciudades y muchas poblaciones se paga mensualmente la factura de energa elctrica. Las empresas de distribucin de energa elctrica venden esta energa por kilovatio - hora (kWh). El kilovatio - hora o el vatio hora ( Wh ) es la unidad de energa. 1 kWh = 1.000 Wh

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En algunos textos sobre calefones solares encontramos todava la unidad calora (cal) o kilo calora (kcal). Una calora (abreviacin: cal) es la energa trmica que calienta un gramo de agua a un grado Celsius. Una kilocalora (abreviacin: kcal) calienta 1000 gramos de agua (= 1 litro) a un grado Celsius. 1 kcal = 1.000 cal Ejemplo: Para ducharte, queremos calentar unos 40 litros de agua a una temperatura de 30 grados Celsius (C). El agua que sale de la tubera tiene una temperatura de 5 C Qu cantidad de energa necesitamos para calentar el agua? Multiplicamos la energa trmica para calentar un gramo de agua a un grado Celsius con la cantidad de agua deseada y la diferencia de temperaturas: Cantidad de agua : 40 litros = 40 kg Diferencia de temperatura : 30 C 5 C = 25 C Con estos datos calculamos la energa que necesitamos: Energa = 1 kcal /kg agua C * 40 kg agua * 25 C Energa = 1.000 kcal Estamos ms acostumbrados calcular con kWh: 860 kcal = 1 kWh Para conocer la energa para calentar agua, expresada en kWh, dividimos el resultado obtenido por 860 kcal/kWh: Energa (kWh ) = 1.000 kcal / 860 kcal/kWh Energa (kWh ) = 1.16 kWh 2 Ojo: A pesar que decimos generamos energa elctrica o consumimos energa elctrica, esto no es correcto. NO SE PUEDE GENERAR O DESTRUIR ENERGIA, SOLAMENTE SE PUEDE CONVERTIR UNA FORMA DE ENERGA EN OTRA.

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Ejemplo: La central hidroelctrica de Zongo suministra energa elctrica a la ciudad de La Paz. Una corriente de agua mueve las turbinas de la central. Estas turbinas a su vez son conectadas con generadores que producen energa elctrica. La energa del movimiento de agua se convierte en energa elctrica. A la energa elctrica generada se puede dar diferentes usos: la iluminacin y generacin de calor (calentar agua mediante una ducha elctrica, etc.). Otra magnitud importante es la potencia. Al comprar un motor elctrico, un generador o simplemente un foco, nos interesa su potencia. En el caso de los motores o generadores hablamos de caballo fuerza (HP); compramos focos de 60 o 100 Vatios. La potencia es simplemente la energa desarrollada en la unidad del tiempo. La unidad de potencia, especialmente en el campo de la electricidad, es el vatio.

Energa Potencia = -------------Tiempo Unidades:

Vatio

Vatio - hora = --------------hora

1.000 vatios = 1 kilo vatio = 1 kW. 1 HP Ejemplo: Dos personas llevan cajas de 15 kg al segundo piso de una casa. La diferencia de altura entre los pisos sea de 4 metros. Ambas personas realizan el mismo trabajo: Trabajo = Fuerza * Camino La fuerza medimos en Newton. Para un clculo aproximado decimos 1 kg = 10 Newton ( N ) = 745 W

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(El peso de la carga expresamos en kg., lo que no es tan correcto, porque con kilogramos se mide la masa de un cuerpo, pero para nuestros fines podemos aplicar esta aproximacin). Para elevar la caja de 15 kg. tenemos que ejercer una contrafuerza de 15 kg. o de 150 N 15 kg. * 10 N / kg. = 150 N Con la elevacin de 4 metros y la contrafuerza de 150 N resulta mismo trabajo para las dos personas: Trabajo = 150 N * 4 m = 600 Nm

El trabajo se expresa en Joule ( J ): 1 Joule ( J ) = 1 Newton metro ( Nm) Otras relaciones:

1 J = 1 Nm = 1 Ws (vatio segundo) El trabajo de 600 Nm podemos expresar en 600 Vatios-segundos. Para este trabajo necesitamos energa, nuestro cuerpo suministra esta energa por la combustin de los alimentos que comemos; no es otra cosa que energa solar almacenada en los diferentes tipos de alimentos (ver fotosntesis, alimentacin en tu enciclopedia o diccionario).

El trabajo de 600 Wseg podemos realizar muy rpido o muy cmodo. La primera persona realiza el trabajo en 5 segundos, mientras que la segunda persona lo hace con calma, mira a travs de la ventana, charla con un vecino, y al final llega despus de 10 minutos al segundo piso. La potencia, desarrollada por las dos personas es distinta, porque la misma energa empleada para realizar el trabajo, se aplica durante diferentes intervalos de tiempo. Persona 1: 600 Wseg ------------ = 120 W 5 seg 120 W : 745 W/HP = Persona 2: 0,16 HP

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Con 10 minutos = 600 segundos: 600 Wseg ------------ = 600 seg 1W

1 W : 745 W/HP = 0.0013 HP La energa no se puede generar o destruir, solamente se puede convertir una forma de energa en otra. Como ejemplo podemos mencionar la conversin de la radiacin solar en energa elctrica mediante los paneles fotovoltaicos. La energa que cosechamos en forma de energa elctrica es la energa til. Las otras formas de energa que no nos sirven, como por ejemplo el calentamiento del panel fotovoltaico, la radiacin solar no absorbida por el panel, son prdidas de energa. Cada sistema de aprovechamiento de energa solar tiene su rendimiento para poder aprovechar esta energa (ojo: esta regla es vlida para cualquier proceso de transformacin de energa). En otras palabras, en cada transformacin de una a otra forma de energa tenemos prdidas, que no podemos aprovechar: Energa recibida = Energa til + Energa prdida Un panel fotovoltaico tiene un rendimiento de aproximadamente 12 % para producir energa til en forma de energa elctrica. Significa que solamente 12 % de la energa solar que recibe el panel solar se convierte en energa elctrica. Considerando que 1 m2 de superficie de paneles fotovoltaicos puede recibir la radiacin solar de 5 kWh / m2 / da, resulta la siguiente produccin de energa elctrica: 5 kWh / m2 / da * 1 m2 * 0,12 = 0,6 kWh / da Sistemas solares de calentamiento de agua son ms eficientes. Un equipo sencillo puede convertir 40 % de la radiacin solar que incide sobre su superficie de absorcin. Tomando en cuenta otra vez 1 m2 de superficie de captacin de energa solar, resulta: 5 kWh / m2 / da * 1 m2 * 0,40 = 2 kWh / da Para no desanimarnos del aprovechamiento de la energa solar, es muy til recordarse que el aprovechamiento de gasolina mediante un automvil es todava peor. Solamente 4 % del contenido energtico de la gasolina sirve para el movimiento. El resto se pierde por friccin, calentamiento, etc. A pesar de estos psimos resultados, seguimos utilizando automviles ya ms de 100 aos.

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CAPTULO 3 EL TRANSPORTE DE CALOR EL TRANSPORTE DE CALOR Hay tres mecanismos del transporte de calor:

- Conduccin - Conveccin - Radiacin Se puede realizar un experimento muy sencillo utilizando una vela. Para conocer el proceso de conduccin, se coloca un objeto metlico (cucharilla, clavo) y un pedazo de azulejo en la llama de la vela. Despus de poco tiempo, vuelve incomodo agarrar el clavo o la cucharilla con la mano mientras que no habra problemas con el pedazo de azulejo. De esta manera se ve que existen conductores y aisladores para la propagacin de calor en forma de conduccin igual a los conductores y aisladores en electrotecnia. Hay otro experimento para conocer el efecto de conveccin. Moviendo la mano alrededor de la vela, se observa que el calor se encuentra encima de la vela. La llama calienta el aire y se establece una corriente hacia arriba. Este hecho se conoce bajo el nombre de efecto termosifn en la tecnologa de los calefones solares. Descubrir la radiacin de calor es algo ms complicado. Se puede utilizar los labios como sensores porque son muy sensibles. Se acerca a la llama abriendo un poco los labios para besar la llama. Acercndose hay un sentido el calor. Se repite este experimento, pero esta vez se coloca un pedazo de vidrio entre la vela encendida y los labios. Ahora no se sienta ninguna experiencia de calor porque el vidrio no deja pasar la radiacin trmica o infrarroja.

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Figura 3.1: Experimentos con una vela para descubrir los diferentes mecanismos de transporte de calor. Figura a: el mecanismo de conduccin; figura b: el mecanismo de conveccin y figura c: el mecanismo de propagacin de calor por radiacin. Fuente: Dibujos del autor.

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LA CONDUCCIN DE CALOREl flujo de calor mediante conduccin es similar a la corriente elctrica. En ambos casos existen conductores y aisladores para el transporte de energa. Tambin se necesita un cierto potencial. En el caso de electricidad es el voltaje; en el caso del flujo de calor es la diferencia de temperatura entre diferentes lugares. El calor fluye de un lugar caliente hacia un lugar ms fro. Igual que en electricidad, el flujo de calor va a buscar el camino ms sencillo; busca la menor resistencia para su flujo. Esto es el caso cuando la casa tiene componentes constructivos con poca resistencia para la prdida de calor y de esta manera existe ms posibilidad de enfriamiento de la casa. Las prdidas de calor son ms fuertes si las diferencias de temperaturas entre el interior de la casa y el exterior son muy grandes. Existe el mismo tipo de leyes para la corriente elctrica y el flujo de calor por conduccin. Una combinacin de alta tensin y baja resistencia elctrica produce corrientes elctricas fuertes; grandes diferencias de temperaturas a las superficies de un cuerpo y una baja resistencia trmica producen un fuerte flujo de calor. En otras palabras para la conduccin de calor: Tenemos prdidas de calor a travs de paredes delgadas o superficies metlicas. Estas prdidas de calor suben con el aumento de diferencia de temperaturas a ambos lados del material.

PROPIEDADES TRMICAS DE MATERIALESEntre los buenos conductores de calor (y tambin de electricidad) se encuentran los metales en el siguiente rango Cobre Aluminio Acero Cobre es el mejor conductor, mientras que acero conduce menos el calor. Se aprovecha las propiedades de cobre de conducir el calor para los calefones solares, donde una placa de cobre gua el calor hacia un sistema de tubera. Aislantes dan una resistencia al flujo de calor. Tienen capas o burbujas de aire incorporadas que frenan el flujo de calor. En realidad, el aire en reposo es el mejor aislante. De esta manera, espuma de poliuretano con sus burbujas de aire incorporadas es un excelente material aislante contra las prdidas de calor. De la misma manera, varias ropas delgadas, una encima de otra, separada por una capa de aire, son mejor que una sola ropa gruesa. Aserrn es tambin un aislante porque entre sus partculas se encuentra aire atrapado. Pero, una vez mojado el aserrn, se pierde sus propiedades de aislante trmico.

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Otros aislantes trmicos son: o o o o Corcho, granulado Lana mineral Lana de vidrio Plastoformo

Plastoformo se conoce tcnicamente como espuma de poliestireno. Tiene buenas propiedades de aislamiento trmico, pero no aguanta temperaturas elevadas. Empieza a deteriorase con temperaturas alrededor de 70 C. Estas temperaturas se logran fcilmente en los colectores planos para calentar agua. De esta manera, en la construccin de los calefones solares se prefiere la lana de vidrio que resiste las temperaturas elevadas.

EL FLUJO DE CALOR - EFECTOS DE CONVECCIN Y CONDUCCINEl colector plano funciona de la siguiente manera. La radiacin solar incide sobre el colector. Una pequea parte es reflejada por la cubierta transparente segn el ngulo de incidencia y absorbida. El resto de la radiacin solar pasa por la cubierta transparente e incide sobre la placa de absorcin, es absorbida en su mayora y transformado en calor. La temperatura del medio ambiente es durante el da menor que la temperatura del interior del colector solar. Por esta razn se establece un flujo de calor hacia fuera. Si las temperaturas seran iguales, no existira un transporte de calor. Las mismas observaciones tienen su validez para el tanque de almacenamiento de agua caliente. Si las temperaturas son iguales, no existe transporte de calor. Hay prdidas de calor que impiden una transformacin total de la radiacin solar en calor til para calentar agua. Dentro del colector plano existen los siguientes mecanismos de transferencia de calor: Conveccin Conduccin Para estos modelos sencillos se considera solamente el transporte de calor por movimiento de aire, la conveccin y por conduccin. No se toma en cuenta el intercambio de calor mediante la radiacin trmica. El transporte de calor por conveccin funciona de la siguiente manera: Aire calentada por la placa de absorcin sube hacia la cubierta transparente, entrega parte de su calor, se enfra y baja. El calor entregado a la cara interior de la cubierta transparente fluye por los mecanismos de conduccin hacia fuera donde otro mecanismo de conveccin extrae el calor hacia el medio ambiente. Mediante el transporte de conduccin escape calor hacia el fondo y las paredes laterales de la caja del colector. Para reducir las prdidas de calor por las paredes y fondo del colector (mecanismo de conduccin), se colocan aislantes trmicos entre la placa y caja del colector. Se

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calientan las partes exteriores de la caja del colector y por el mecanismo de conveccin se pierde el calor hacia el ambiente. Las prdidas de energa son ms aceleradas cuando hay vientos y/o un clima fro. A pesar de todas las medidas de reducir las prdidas de calor, siempre existen ciertas fugas de calor que disminuyen la energa til para calentar el agua. Para un equipo de autoconstruccin, un rendimiento de 60 % sera muy bueno. Significa que se aprovecha un 60 % de la radiacin solar que llega sobre la superficie del colector para el calentamiento de agua.

Figura 3.2: Funcionamiento de un colector plano y la influencia del medio ambiente sobre su funcionamiento. Los mecanismos de transporte de calor mediante conveccin y conduccin mostrado para un colector plano. Por el transporte de calor a travs de una sola cubierta de vidrio, hay prdidas grandes de calor. La superficie de la ventana es fra. Hay menos prdida de calor hacia el fondo del colector plano porque cuenta con un aislamiento trmico. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981.

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CAPTULO 4 OFERTA DE LA RADIACIN SOLAR La Tierra y la Radiacin Solar. A pesar que recibimos del sol una cantidad de energa que es 26.000 veces mayor que el requerimiento energtico de la humanidad, no debemos pensar en ningn momento que la solucin del problema de suministro de energa sea fcil, porque se necesitan las tecnologas adecuadas, todava por desarrollar. La energa producida por el Sol no queda de ninguna manera en la tierra. Al final, toda la energa es devuelta al espacio, caso contrario existiran temperaturas insoportables sobre la superficie de la Tierra. Unos 30 % (ver figura 4.1) son reflejadas directamente al espacio por las nubes, nieve o por la misma superficie. La otra parte tras haber pasado por varios paseos, regresa al espacio en forma de la llamada radiacin trmica (= radiacin infrarroja). Existe un equilibrio a largo plazo; el contenido de energa de la tierra se mantiene aproximadamente constante.

Figura 4.1: Energa solar absorbida por la Tierra y reflejada. Fuente: segn de Cusa, 1989.

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Figura 4.2: Movimiento y posiciones de la Tierra alrededor del Sol.Fuente: Dibujo del autor.

Para entender la distribucin de la radiacin solar, es importante que conozcamos el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. La Tierra se mueve en una rbita alrededor del Sol y cada 24 horas gira alrededor de su eje. Al terminar una vuelta completa alrededor del Sol, concluye un ao. Durante su movimiento cambia un poco la distancia entre el Sol y la Tierra, pero por las grandes distancias entre el Sol y la Tierra esto no tiene gran importancia para el aprovechamiento de la energa solar. De suma importancia es la orientacin del eje de rotacin de la tierra. Mientras la Tierra se mueve alrededor del Sol, el eje de la misma apunta siempre en la misma direccin (ver figura 4.2). El eje de los polos de la Tierra tiene una inclinacin de aproximadamente 23 respecto a la vertical en el plano de su trayectoria. Esta orientacin del eje de los polos permanece constante a lo largo de todo el ao. Es el mismo efecto que nos permite mantener el equilibrio manejando una bicicleta: Un cuerpo en rotacin quiere mantener la orientacin de su eje de movimiento. En junio, el polo sur se halla ms alejado del Sol. Significa que el sol aparece a menor altura en el cielo del hemisferio sur donde vivimos. Los rayos inciden muy inclinados en el territorio de Bolivia (ver figura 4.3), causando as menor aprovechamiento de la misma energa (ver figura 4.4) y por ello el clima fro del invierno. Los das son ms cortos que las noches.

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Figura 4.3: Insolacin de la Tierra en diferentes pocas del ao. Fig. 4.3 a: Situacin para el 21 de junio (solsticio de invierno) y Fig. 4.3 b: Situacin para el 21 de diciembre (solsticio de verano). Fuente: Dibujo del autor. En diciembre, por el contrario, el polo sur est inclinado hacia el Sol. El sol aparece a mayor altura en el cielo del hemisferio sur. Si se observa la posicin de Bolivia sobre la superficie de la Tierra, se nota que los rayos del Sol inciden casi en forma perpendicular sobre el territorio, causando un mejor aprovechamiento de los rayos solares que resulta en un clima ms caliente. Los das son ms largos que las noches.

Figura 4.4: Direccin de la radiacin solar y potencia disponible. Para aprovechar la energa solar disponible en un lugar depende de la direccin de la radiacin. Si la radiacin llega a una superficie en forma inclinada ( o sea bajo un ngulo de incidencia grande ), esta misma energa se distribuye sobre una superficie grande (ver figura 4.4 a). Si hubiese sido una insolacin en forma directa ( o sea el ngulo de incidencia hubiese sido nulo; la radiacin solar incide en forma perpendicular sobre la superficie, ver figura 4.4 b ), la misma energa se concentra en una superficie de menor extensin. Fuente: adaptado de: Bardou, Patrick, Varoujan Arzoumanian, 1984.

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Este efecto de concentracin de energa podemos observar fcilmente en la ciudad de La Paz (y tambin en otros lugares de Bolivia). En verano tenemos el Sol encima de nuestras cabezas a medioda (cenit), los rayos del sol inciden en forma directa sobre el suelo, se absorbe un mximo de energa solar por metro cuadrado y el clima es caliente. En junio, cuando los rayos del sol inciden bajo un ngulo de casi 39, el suelo recibe menos energa y por ello el clima es ms fro. Las estaciones en el hemisferio norte ocurren a la inversa debido a que el polo norte se halla ms cerca del sol en junio (verano) y ms alejado en diciembre (invierno). Durante el ao observamos en la ciudad de La Paz el movimiento del Sol como nos indica la figura 4.5. Pongamos a la Tierra en un lugar fijo y describimos el movimiento del Sol sobre una esfera celeste con la tierra en su centro. La figura nos muestra la trayectoria del sol aparente para la ciudad de La Paz (Latitud 16 28 Sur).

Figura 4.5: Trayectoria del sol aparente para la ciudad de La Paz. El sol tiene durante el medioda solar su posicin ms alta respecto al horizonte. Fuente: Dibujo del autor. Para nosotros el sol se mueve sobre crculos que estn orientados perpendicularmente al eje giratorio de la Tierra, la cual est inclinada con el ngulo de la latitud de La Paz en relacin al horizonte. Para otros lugares de Bolivia existen pequeas diferencias que para el aprovechamiento de la energa solar no tienen gran importancia. En la figura 4.5 podemos distinguir cuatro fechas claves durante el ao. El 21 de junio que coincide casi con la noche de San Juan, la noche ms fra del ao, es el da ms corto del ao:

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la duracin solar del da para La Paz es de 11 horas. El Sol se ve desde el norte, a medioda, con la posicin ms baja del ao respecto al horizonte norte. Tenemos el solsticio de invierno. (El medioda solar no coincide con las 12.00 horas; para La Paz alrededor de las 12.30 horas). Para el 21 de diciembre se tiene la situacin contraria, el da es con 13 horas ms largo y el Sol tenemos en el sur, con su posicin al medioda solar ms baja en relacin al horizonte sur (solsticio de verano). Por este movimiento del sol entre el 21 de junio y 21 de diciembre, el Sol pasa dos veces por ao por el cenit al medioda solar: el 6 de febrero y el 10 de noviembre (duracin solar del da: 12.7 horas). En estos momentos, un poste orientado exactamente vertical, no produce ninguna sombra. La situacin en que da y noche tienen igual duracin se da tambin dos veces por ao: 21 de marzo y 21 de septiembre. Estos dos das tienen 12 horas de luz y otro tanto de oscuridad, y se producen en la poca del ao llamado equinoccio. La palabra equinoccio significa que el da y la noche tienen la misma duracin (12 horas). El sol sube exactamente al este y se pone exactamente al oeste. Como hemos tomado cuenta, coinciden los solsticios y equinoccios con los inicios de primavera (21 de septiembre), verano (21 de diciembre), otoo (21 de marzo) y invierno (21 de junio). En relacin a los equinoccios, las trayectorias del Sol para el 21 de diciembre y el 21 de junio estn desplazadas en 23.45 hacia el sur y el norte respectivamente. Este desplazamiento se llama declinacin, sus valores extremos de 23.45 corresponden a la inclinacin del eje giratorio de la Tierra. Al medioda de cualquier da del ao, el calor del Sol es ms fuerte porque tiene su posicin ms alta en el cielo. La figura 4.6 nos muestra la posicin del Sol mediante un corte transversal de la bveda celeste en direccin norte sur. De esta manera encontramos mejor la ubicacin del Sol a medioda. Vemos diferentes ngulos de incidencia del sol sobre una superficie horizontal para diferentes pocas del ao.

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Figura 4.6: Ubicacin del sol a medioda solar para diferentes pocas del ao (situacin para la ciudad de La Paz). Fuente: Dibujo del autor. Para el 6 de febrero y el 10 de noviembre la orientacin del Sol a medioda respecto a la superficie horizontal es ptima: La radiacin incide perpendicularmente sobre la Tierra. La desviacin de 6 para el 21 de diciembre es insignificante, se pierden solamente un 0.005 para la radiacin solar bajo condicin de cielo despejado. Ms importancia tiene la desviacin de aprox. 40 en relacin al cenit para el 21 de junio, se pierde un 0.23 de la energa. La superficie de la tierra aprovecha mejor la radiacin solar durante el verano, teniendo as un clima ms clido. Las razones antes mencionadas no son las nicas influencias en la radiacin solar: un papel muy importante tiene el tiempo. Un cielo nuboso disminuye la intensidad de la radiacin solar, tambin polvo en la atmsfera, que absorbe parte de la luz solar, baja la intensidad de la radiacin solar. Por todas las influencias de la atmsfera, se divide la radiacin solar en tres componentes (ver tambin figura 4.7): la radiacin directa la radiacin difusa la radiacin reflejada

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Figura 4.7: Composicin de la radiacin solar. Fuente: Dibujo del autor. La radiacin solar directa es aquella que llega a nosotros sin desviacin desde la posicin del Sol y sus inmediatos alrededores. Esta es la parte de la luz del Sol que produce sombras muy marcadas. La radiacin difusa es aquella que llega de cualquier direccin del cielo, es el resultado de reflexin y dispersin de la radiacin solar por nubes, aerosoles, gases y vapor de agua. Con la humedad del aire aumenta la parte de la radiacin difusa. Por esta razn, gran parte de la radiacin solar tenemos en el Altiplano de Bolivia en forma directa, mientras que en las llanuras tropicales de los Departamentos de Pando, Beni, Cochabamba y Santa Cruz una gran parte de la radiacin es difusa. La radiacin reflejada sale de los diferentes objetos de la superficie de la Tierra, por ej. colinas, edificios, etc. Un muy buen ejemplo para la radiacin reflejada observamos durante mientras que cruzamos el Salar de Uyuni. Como ya se mencion, la potencia de la radiacin solar depende de la altura del lugar (ver figura 4.8). Mientras menos la radiacin solar atraviese la capa atmosfrica, menos es absorbida su potencia. Por esta razn, en el Altiplano se tiene una fuerza mayor de radiacin solar que en el trpico.

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Figura 4.8: Absorcin de la radiacin solar por la atmsfera. Por la misma razn, cuando la luz del Sol debe atravesar una capa ms gruesa de aire en la maana y la tarde que a medioda, tiene menos fuerza (figura 4.9).

Figura 4.9: Disminucin de la radiacin solar en la maana y en la tarde.Fuente: segn Partners of the Americas, EE.UU.

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Distribucin de la Radiacin Solar sobre la Tierra.A travs de las explicaciones anteriores podemos entender mejor la distribucin de la radiacin solar sobre la superficie de la Tierra. La siguiente figura 4.10 nos muestra un mapa mundial de la radiacin solar. Observamos que alrededor del ecuador, existen zonas de radiacin solar elevada, all se extienden los grandes desiertos de Africa, Amrica Norte y de Australia. Las cifras indican la radiacin total anual media en Vatios / m2 / da para una superficie horizontal (Datos de Budyko, M.I. publicado en Kreith, Kreidler, 1978).

Figura 4.10: Mapa mundial de la distribucin de la radiacin solar. Las cifras indican la radiacin total anual media en Vatios / m2 / da para una superficie horizontal. Fuente: Datos de Budyko, M.I. publicado en Kreith, Kreidler, 1978.

Ms detalles observamos mediante un mapa de la radiacin solar para Amrica Latina. La figura 4.11 nos muestra la situacin de la oferta de radiacin solar para las estaciones de verano e invierno. Vemos diferencias en la oferta de la energa solar entre invierno y verano, pero el desierto de Atacama siempre cuenta con un mximo de radiacin solar.

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Figura 4.11: Distribucin de la radiacin solar que incide sobre una superficie horizontal para Amrica Latina. Unidades: cal / cm2 /da. Fuente: Blake, USAID, 1979. Conversiones: cal/cm2/da kWh/m2/da cal/cm2/da kWh/m2/da 50 581 500 5.813 100 1.163 550 6.394 150 1.744 600 6.976 200 2.325 650 7.557 250 2.906 300 3.488 350 4.069 400 4.650 450 5.232

700 750 8.138 8.719

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Miramos los mapas de la figura 4.11. Hay lneas que indican el mismo nivel de energa solar. Para junio vemos una lnea de insolacin que pasan por el Altiplano de Bolivia; nos indica una radiacin solar de 400 cal / cm2 / da. Calculamos la oferta de energa en kWh / m2 / da. Conversin de cal en Watios segundos: 1 cal = 4,186 Wseg (Vatio segundo) Obtenemos: 400 cal / cm2 * 4,186 Wseg / cal = 1.674,4 Wseg / cm2 Con 1 m2 = 10.000 cm2 obtenemos el valor de la insolacin para un metro cuadrado: 1.674,4 Wseg / cm2 * 10.000 cm2/m2 = 16.744.000 Wseg / m2 Una hora tiene 3.600 segundos, dividir el resultado con 3.600 obtenemos: 16.744.000 Wseg / m2 / 3.600 seg/h = = 4.651,1 Wh / m2 4,651 kWh / m2

Para obtener los valores de radiacin solar entre dos lneas de la misma insolacin, podemos realizar una interpolacin para contar con datos aproximados de la radiacin solar. Observamos en el mapa para el mes de junio dos lneas: una de 350 cal / cm2 / da que pasa por el territorio del sur de Bolivia. Otra lnea de 300 cal / cm2 / da pasa por el norte de Argentina y el territorio de Paraguay. Queremos saber un valor aproximado para un lugar cerca de la frontera entre Argentina y Bolivia. Mtodo: Buscamos el valor intermedio entre los dos valores de 300 y 350 cal / cm2 / da. La adicin de estos valores y la divisin con 2 nos da el resultado: 300 cal / cm2 / da + 350 cal / cm2 / da ------------------------------------------------ = 325 cal / cm2 / da 2

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Oferta de la Radiacin Solar para Bolivia.Bolivia por encontrarse cerca del desierto de Atacama, el centro de radiacin solar para Amrica Latina, tiene la ventaja de ser uno de los pases del mundo que recibe grandes cantidades de energa solar. Esta es una ventaja que debe animar los esfuerzos de tcnicos, ingenieros y tambin polticos en Bolivia para el aprovechamiento de esta fuente de energa. Es necesario realizar investigaciones y aplicaciones para el uso de energa solar para lograr cierta independencia energtica y tecnolgica para Bolivia. En la figura 14 vemos mapas de radiacin solar de los meses junio y diciembre para Bolivia.

Figura 4.12: La radiacin solar promedia de Bolivia para los meses junio y diciembre. Insolacin sobre una superficie horizontal. Unidades: cal / cm2 / da. Fuente: Blake, USAID, 1979. Tenemos que tomar en cuenta, que todava no hay datos muy exactos de radiacin solar para Bolivia. Por esta manera es aconsejable comparar diferentes fuentes de informacin. La figura 4.12 muestra la radiacin global media para diferentes regiones de Bolivia. Unidades: kWh / m2 / dia. El cuadro No. 4.1 nos muestra la radiacin solar global para las diferentes zonas de Bolivia durante los meses del ao. El cuadro No. 4.2 nos indica valores de radiacin solar para algunas ciudades y poblaciones. Todas las unidades son en kWh / m2 / da; los datos se refieren a la radiacin solar que incide sobre una superficie horizontal.

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Figura 4.13: Radiacin global media para diferentes regiones de Bolivia. Unidades: kWh / m2 / da. La radiacin incide sobre una superficie horizontal. Fuente: segn Blake, USAID, 1979. Tabla 4.1: Radiacin solar global para las diferentes zonas de Bolivia durante los meses del ao. La radiacin solar incide sobre una superficie horizontal. Unidades: kWh / m2 / da. Fuente: Blake, USAID, 1979.

ZONAEnero ALTIPLANO YUNGAS LLANOS Febrero Marzo Abril Mayo Junio

MESJulio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

8.41 6.67 6.09

6.96 6.38 5.80

6.96 6.38 5.80

6.96 6.38 5.80

5.22 4.64 4.06

4.64 4.64 4.06

5.22 4.64 4.64

6.09 4.64 4.64

6.67 4.64 4.64

6.96 5.80 5.80

8.41 6.38 6.38

8.12 6.38 6.38

En la figura 4.13 observamos que el Altiplano de Bolivia tiene la mayor oferta de energa solar, seguido por los valles interandinos con las ciudades de Cochabamba, Sucre y Tarija. La menor oferta reciben las llanuras tropicales de los Departamentos de Pando, Beni, Cochabamba y

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Santa Cruz; la mayor nubosidad y humedad del aire obstaculizan el paso de los rayos solares. No obstante, estas mismas condiciones evitan que el calor recibido durante el da pueda escapar fcilmente en la noche. Se mantiene el calor al contrario del Altiplano, donde una atmsfera ms seca y limpia no puede evitar el escape de calor en la noche (noches con heladas). En gran parte de los datos podemos observar, que hay mayor oferta de radiacin solar en verano. Parece muy raro, porque es poca de lluvias. Un cielo nuboso durante est poca disminuye la intensidad de la radiacin solar, pero la duracin ms larga del da y la posicin favorable del sol superan este efecto, obteniendo al final ms energa solar en verano (ver figuras 4.12 y 4.13, tablas 4.1 y 4.3). Tabla 4.2: Radiacin solar promedia durante el ao para diferentes lugares de Bolivia. Unidades: cal / cm2 / da. Fuente: Lic. Enrique Birhuett, Proyecto de Desarrollo en Energa Solar, Universidad Mayor de San Simn, Cochabamba, 1987 1993.LATITUD LOCALIDAD ALTURA (m.s.n.m.) RADIACIN (cal/cm2 / da) HUMEDAD RELATIVA (%) TEMPERATURA MEDIA (C)

14 51 15 51 16 23 16 28 16 30 16 33.5 17 15 17 22 17 23 17 34 17 43 17 47 17 57.3 18 50 19 01 19 18.7 19 45 20 27 21 23

Trinidad Puno Chulumani El Alto La Paz Desaguadero Patacamaya Beln Cochabamba Caracollo Totora Santa Cruz Oruro Tacagua Sucre Padilla Puna Uyuni Oploca

157 3.822 1.734 4.055 3.577 3.811 3.810 3.975 2.557 3.800 2.603 416 3.718 3.750 2.759 2.080 4.000 3.664 3.500

375.01 463.67 468.5 476.22 433.16 484.08 500.00 521.25 477.25 534.38 493.25 393.52 488.91 528.58 479.42 482.75 500.92 536.19 494.16

71.2 58.3 64.4 53.4 59.6 61.0 47.0 45.8 51.9 69.6 41.2 57.8 53.3 61.6 55.3 46.9 55.8

27.9 20.4 6.8 11.2 11.2 6.9 17.4 12.1 16.0 25.2 10.7 10.5 16.4 18.4 12.1 12.8 16.4

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Tabla 4.3: Radiacin solar para diferentes lugares de Bolivia durante los meses del ao. Unidades: kWh / m2 / da. Fuente: Lic. Enrique Birhuett, Proyecto de Desarrollo en Energa Solar, Universidad Mayor de San Simn, Cochabamba, 1987 1993.LOCALIDAD MES

EneroDepartamento de Paz Apolo Beln Chulumani Desaguadero La Paz Patacamaya Departamento deCochabamba Cochabamba Totora Departamento Oruro Caracollo Oruro Departamento Potos Potos Puna Tupiza Uyuni Departamento Chuquisaca Azurduy Culpina Monteagudo Padilla Sucre Villazon Departamento Tarija Tarija Departamento Trinidad Trinidad Departamento Santa Cruz Santa Cruz San Juan La 4.17 6.89 6.61 6.02 5.26 6.65

Feb.4.47 6.62 6.18 5.84 5.09 6.07

Marzo5.72 6.02 5.92 5.81 4.84 6.00

Abril4.00 5.89 5.50 5.62 5.01 5.53

Mayo3.89 5.21 4.70 4.85 4.56 4.79

Junio3.50 4.87 4.33 4.78 4.48 4.54

Julio4.31 4.98 4.57 4.89 4.56 4.71

Agosto4.44 5.50 4.96 5.34 5.00 5.23

Sept.4.58 6.15 5.64 5.70 5.06 6.01

Oct.5.42 6.74 6.04 6.18 5.62 6.58

Nov.5.00 6.99 6.44 6.23 5.63 6.74

Dic.5.06 6.55 6.52 6.01 5.07 6.62

6.30 6.41 de 5.53 6.66 de 4.92 6.84 5.28 6.03 de 4.72 5.17 5.28 6.66 6.11 6.78 de 5.17 de 4.72 de 5.33 5.39

6.07 6.01

5.68 5.84

5.19 5.48

4.56 4.92

4.45 4.65

4.47 4.68

4.90 5.31

5.60 6.00

5.82 6.47

6.21 6.47

6.06 6.29

6.08 5.74

5.56 5.88

5.44 5.79

5.39 4.74

4.72 4.26

4.94 4.52

5.56 5.12

5.78 5.78

6.28 6.25

6.67 6.54

6.06 6.66

5.25 6.44 5.67 6.78

5.00 6.06 5.25 5.89

6.06 5.06 5.11 5.44

4.97 4.63 4.50 4.81

4.31 4.47 3.67 3.89

4.83 4.54 4.33 4.44

5.22 5.15 5.00 5.42

5.33 5.80 5.64 5.83

6.06 6.55 6.03 6.78

6.14 7.19 6.53 7.17

5.56 6.87 6.06 6.28

4.94 5.56 5.25 6.03 5.75 6.31

4.69 5.17 4.69 5.80 5.56 5.79

4.64 4.97 4.22 5.15 5.20 5.22

4.22 4.44 3.97 4.40 4.52 4.49

4.14 4.25 3.28 4.17 4.18 4.14

4.56 4.67 4.03 4.27 4.50 4.30

4.86 5.06 4.53 5.01 5.05 5.07

4.78 5.28 4.78 5.64 5.65 5.93

5.42 6.14 5.61 6.33 6.25 6.52

6.10 6.50 5.68 6.81 6.34 6.85

5.08 5.94 5.67 6.80 6.24 6.69

5.56

5.17

4.69

4.56

3.81

4.17

4.94

5.53

5.83

6.17

5.72

4.69

4.58

4.67

4.00

4.31

4.72

5.08

4.17

5.53

6.06

4.97

5.22 5.22

5.33 5.36

4.31 4.86

3.83 3.83

3.19 3.61

3.97 4.50

4.67 4.64

4.67 5.06

5.64 5.75

5.89 5.61

5.61 5.08

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Captacin de Energa Solar.De este captulo (ver tambin la figura 4.4) hemos aprendido lo siguiente: Superficies orientadas hacia el sol reciben un mximo en radiacin solar. Sabemos adems, que el Sol tiene mayor fuerza a medioda. No importa el tipo de construccin del artefacto solar, que puede ser un equipo para producir electricidad o calentar agua, siempre tenemos que orientar el mismo hacia el Sol. Esto significa que para la mayor parte del ao debemos orientar los equipos hacia el norte. La inclinacin ptima vara segn los meses del ao; la tabla 4.4 nos muestra datos que son aptos para ciudades como La Paz, Oruro y Cochabamba. Pero no cometemos ningn error, aplicar estos datos tambin para otros lugares de Bolivia. Tabla 4.4: Inclinaciones ptimas para equipos solares. Fuente: Elaborada por el autor.MESEnero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 5 3 14 26 35 39 37 30 19 7 3 7 INCLINACIN ( ) (Grados ) ( S )

( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( N ) ( S ) ( S )

Por el peso de los calefones solares, es necesario elegir una posicin fija de estos sistemas solares. Esto significa que debemos buscar una orientacin e inclinacin que nos da el mayor aprovechamiento de la radiacin solar. Vemos el Sol la mayor parte del ao en el norte y poco tiempo en el sur. Como primer paso nos conviene orientar el equipo hacia el norte. Nos queda el problema buscar la inclinacin del equipo. La radiacin solar tiene su mximo a medioda, por esta razn inclinamos el artefacto segn la posicin del Sol al medioda. Pero,

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hemos visto, durante las diferentes pocas del ao, el Sol cambio de altura respecto al horizonte. En invierno el Sol est ms cerca al horizonte, mientras que en verano alrededor del cenit. Elegimos una inclinacin igual a la latitud del lugar de nuestra instalacin; esto nos da un rendimiento equilibrado durante todo el ao. Para la ciudad de La Paz, su latitud es de aprox. 16 Sur, resulta una inclinacin del artefacto solar de 16 hacia el norte respecto a la superficie del suelo.

Figura 4.14: Inclinacin de 16 respecto a una superficie horizontal para la instalacin de un artefacto solar en la ciudad de La Paz. En este caso se trata de la superficie de los colectores de agua. Fuente: Dibujo del autor. Para la ciudad de La Paz resulta el siguiente aprovechamiento de la energa solar con un artefacto solar orientado con una inclinacin de 16 hacia el norte: Para junio, se multiplica el monto de radiacin solar que incide sobre una superficie horizontal con un factor 1,10 como estimacin muy conservadora. En verano (diciembre) se pierde radiacin solar por causa de la reflexin sobre la cubierta transparente, se aplica un factor 0,90 a la radiacin solar que incide sobre una superficie horizontal (segn informaciones GRUNDFOS: bombas solares). Segn tabla 4.3, la radiacin solar para junio que incide sobre una superficie horizontal, tiene un valor de 4,48 kWh / m2 / da. Un artefacto solar inclinado con 16 hacia el norte recibe la energa solar de 4,48 kWh / m2 / da * 1,10 = 4,93 kWh / m2 / da En enero, la radiacin solar que incide sobre una superficie horizontal, es ms elevada, 5,26 kWh / m2 / da. Para el mismo artefacto solar se tiene que aplicar un factor 0,90 para poder estimar el monto de la radiacin solar que incide sobre el equipo: 5,26 kWh / m2 / da * 0,90 = 4,73 kWh / m2 / da

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Hay muy poca variacin entre la radiacin solar que incide sobre el sistema solar. No se debe olvidar, que no contamos con datos de energa solar muy exactas para Bolivia. La diferencia de 0,20 kWh / m2 / da entre los resultados de los clculos anteriores puede estar dentro de los mrgenes de errores de los datos de la radiacin solar.

Fotografas 4.1 y 4.2: Izquierda: Instalacin de calefones solares en la ciudad de La Paz. Se aprovecha la orientacin e inclinacin del techo para poder montar los calefones solares. Derecha: Instalacin de un calefn solar sobre una plataforma. Fuente: Fotografas del autor. Oruro se encuentra alrededor de 18 S, una inclinacin de 18 hacia el norte nos garantizar un buen aprovechamiento de la energa solar. Si preferimos un mejor funcionamiento del sistema solar en invierno para agua caliente, aadimos unos 15 al valor de la latitud:Inclinacin para el equipo solar = Latitud + 15

Para una ducha solar en la ciudad de La Paz nos resulta la siguiente inclinacin hacia el norte: Inclinacin del equipo solar = 16 + 15 = 31 Pero, no cometemos ningn error, si trabajamos con una sola inclinacin para un artefacto solar para toda Bolivia. Mediante un mapa vemos que Bolivia se extiende de aprox. 9 S hasta 23 Sur (ver mapa de la figura No. 4.15). Los techos en Bolivia tienen inclinaciones alrededor de 20, colocando el sistema solar en forma paralela a la superficie del techo (Ojo: debe mirar al norte), nos facilitamos el trabajo.

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Figura 4.15: Mapa de Bolivia, las lneas horizontales indican las latitudes de los lugares. Pero, por acaso, damos los datos para las latitudes de algunos lugares de Bolivia en la tabla No. 4.5 que incluye la inclinacin del artefacto solar para un buen aprovechamiento durante todo el ao y el mejor uso de la energa solar en invierno respectivamente.

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Tabla 4.5: Ubicaciones de algunos lugares de Bolivia y las inclinaciones de sistemas solares. Fuente: Elaborada por el autor.Inclinacin hacia el Norte para un rendimiento equilibrado durante todo el ao () Inclinacin hacia el Norte para un mejor rendimiento durante el invierno ()

Lugar

Latitud ( S )

Pando: Cobija Beni:

11 5

11

10 51 Guayaramern 11 1 Riberalta 14 27 Rurrenabaque 14 52 San Borja 14 51 Trinidad Santa Cruz: 20 Camiri 15 15 Concepcin 17 20 Montero 18 57 Puerto Suarez 17 47 Santa Cruz 18 29 Valle Grande Cochabamba: 18 12 Aiquile 17 27 Cochabamba 17 42 Capinota 17 55 Mizque 3

11 11 14 15 15

20 15 17 19 18 18 19 33 - 34

18 18 18 18 19 34 - 35

Chuquisaca: 19 49 Monteagudo 19 3 Sucre 19 34 20

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Tarija: 22 30 Bermejo 21 31 Entre Ros 21 32 Tarija 21 15 Villamontes 22 Yacuiba La Paz: 14 43 Apolo 16 La Asunta 17 Ayo Ayo 16 29 La Paz 16 13 Coroico 16 Copacabana 16 Collana 17 35 Charaa 16 20 Chulumani 16 36 Desaguadero 16 3 El Beln 16 12 Huarina 13 46 Ixiamas 17 15 Patacamaya 15 31 Puerto Acosta 17 22 Sica Sica 15 45 Sorata 16 31 17 32 15 - 16 30 31 17 32 14 16 31 16 31 16 17 31 32 16 17 18 32 33 51 17 32 8 16 31 16 16 17 31 32 5 17 32 2 16 15 1 22 21 21 22 21 22 22 23 37 38

La Paz: 16 32 Tiwanacu 17 38 Caracollo Oruro: 17 57 Oruro 18 33 17 18 32 33 16 17 31 32

45

18 Sajama

8

18 19 - 20

33 34 35

19 38 Salinas Mendoza Potos: 20 55 Julaca 19 23 Potos 21 26 Tupiza 20 28 Uyuni 22 Villazn 5 de Garc

21 19 21 - 22 20 - 21 22

36 34 36 - 37 35 - 36 37

Las figuras 4.16 a h muestran la disponibilidad de insolacin total diario de radiacin solar que incide sobre superficies inclinadas. Las unidades son en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.16 a: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud de la ubicacin del artefacto solar (Ej. para La Paz: Latitud: 16, inclinacin del panel solar: 16. Situacin para primavera. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 b: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud de la instalacin del artefacto solar (Para la ciudad de La Paz: Latitud = 16, inclinacin del panel: 16 hacia el norte.). Situacin para verano. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 c: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud de la instalacin del artefacto solar (Para la ciudad de La Paz: Latitud = 16, inclinacin del panel: 16 hacia el norte.). Situacin para otoo. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 d: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud. Situacin para invierno. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 e: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud + 15. Situacin para primavera. Unidades en kWh / m2 / da.Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 18 f: La disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud + 15. (Ejemplo para la ciudad de La Paz: latitud: 16, inclinacin del panel solar: 16 + 15 = 31) Situacin para verano. Unidades en kWh / m2 / da.Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 g: Disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud + 15. Situacin para otoo. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Figura 4.6 h: Disponibilidad de insolacin total diaria de radiacin solar que incide sobre una superficie cuya inclinacin es igual al ngulo de latitud + 15. Situacin para invierno. Unidades en kWh / m2 / da. Fuente de los datos: Thomas, EE.UU. 1987.

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Comentarios sobre el Uso de Datos de Energa Solar Si tenemos que realizar una instalacin de equipos solares, consultamos antes los diferentes datos de energa solar para Bolivia. Vamos a tomar cuenta, que hay diferencias entre los datos. Para asegurar el xito de los trabajos de la empresa FALK SOLAR, siempre se trabaj con los datos de radiacin ms bajos que se obtuvieron de las diferentes publicaciones. Tambin se busc el mes de menor radiacin solar, normalmente el mes de junio, para garantizar el buen funcionamiento de las instalaciones. Esto es de suma importancia, cuando se tiene que realizar trabajos para postas de salud y pequeos hospitales donde necesitamos energa elctrica a cualquier hora para atender emergencias. Los datos de la radiacin solar para invierno (junio) se pude multiplicar con un factor 1,1 (o sea un aumento de 10 %) para estimar la radiacin solar que incide sobre el sistema solar inclinado hacia el norte. Esta aproximacin se puede utilizar para todo el territorio de Bolivia. Debemos tener cuidado en el uso de mapas de radiacin solar. Cuando se realiza una planificacin de un proyecto de energa solar, consultamos normalmente los datos de radiacin solar de la ciudad ms cercana o miramos mapas de radiacin solar. Pero dentro de poca distancia de un lugar con datos bien elaborados hay cambios bruscos de condiciones climticas. Chuspipata, de corta distancia de la ciudad de La Paz, donde pasan los caminos hacia el trpico, es ubicada en una zona de transicin: hay acumulaciones de nubes que obstaculizan el uso de la energa solar. Tomando los datos de la ciudad de La Paz como base para la ejecucin de proyectos, el fracaso es garantizado. Siempre es aconsejable consultar con la gente de la regin para confirmar nuestras informaciones obtenidas de las diferentes publicaciones.

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CAPTULO 5 CALEFONES SOLARES COMPACTOS

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Figura 5.1: Calentador de agua sencillo. Ventaja: barato y efectivo en zonas con clima templado y caliente. Desventaja: no mantiene el calor durante la noche en zonas muy fras. Ojo: El calefn de la figura se instal en el hemisferio norte, por esta razn aparece en la flecha la palabra SUR. En Bolivia, la superficie transparente tiene que mirar hacia el Norte. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981. El colector acumulador en su forma ms sencilla consiste en un tanque de agua pintado de negro dentro de una caja provisto de aislante trmico y cubierta de plstico o vidrio para producir el efecto de invernadero. La superficie negra del estanque expuesta a los rayos solares se calienta y transfiere este calor al agua. Calienta el agua durante el da, pero se enfra rpidamente en la noche (en zonas fras), de manera que no habr agua caliente hasta la prxima maana para lugares como el Altiplano y ciudades como El Alto, Oruro, Uyuni y Potos. Se puede utilizar dos o tres capas de policarbonato para reducir las prdidas de calor en las noches. En la ciudad de La Paz, para la poca de verano, se mantiene el agua caliente hasta la maana; en poca de invierno, todava sigue tibia el agua en las maanas para calentarse despus rpidamente. Los equipos modernos estn provistos de un espejo curvado dentro de la caja del colector acumulador para concentrar el sol hacia el tanque pintado de color negro mate. Por integrar el

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lugar de conversin de la radiacin solar en calor y el almacenamiento del agua caliente, este calefn solar se llama tambin Calefn Solar Compacto.

. Leyenda: 1. Cubierta transparente: Es una lmina de vidrio la cual permite el paso de los rayos solares; 2. Marco: Estructura de aluminio que la hace ms consistente a la cubierta transparente; 3. Aislamiento trmico transparente; 4. Revestimiento de la caja: Lmina de aluminio que cubre toda la caja, para evitar daos del aislamiento por las condiciones climticas; 5. Caja: Es de poliuretano rgido que acta como buen aislante trmico; 6. Cubierta protectora del colector para evitar daos durante el transporte: tiene que ser retirado cuando la instalacin del sistema este concluida; 7. Tapa de acceso; 8. Ducto de termostato; 9: Ducto de entrada de agua fra; 10. Tapa de mantenimiento; 11. Placa reflectora: Est ubicada en el interior del colector, releja los rayos solares a tanque. 12. Tanque de agua; 13. Ducto de salida agua caliente. Figura 5.2: Construccin moderna de un calefn solar compacto con cubierta de aislamiento trmico transparente y un espejo para concentrar la luz solar hacia el tanque de agua. Fuente: Solar Energie Technik (1993) y PROPER GTZ Bolivia.

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Figura 5.3: Instalacin de calefn solar compacto. Fuente: PROPER GTZ BOLIVIA.

Fotografa 5.1: Calefn solar del tipo colector tanque integrado instalado sobre un techo en la ciudad de La Paz (Casa Familia Mayer Ferrel en el barrio de Bolognia). El calefn solar compacto contiene un tanque de 50 galones (aprox. 190 Litros) de capacidad. Fuente: Proyecto FALK SOLAR.

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Fotografa 5.2: Calefn solar del tipo colector tanque integrado instalado al lado de un casa solar en el Altiplano Sur de Bolivia (Proyecto DANIDA CARITAS DINAMARCA). Capacidad del calefn solar compacto: 50 galones (aprox. 190 Litros). Fuente: Proyecto FALK SOLAR. Los calefones solares compactos de las fotografas 5.1 y 5.2 producen durante el da agua caliente y pueden funcionar como precalentadores para sistemas convencionales existentes o como sistema solar exclusivo si pretende trabajar solamente durante horas del da (lavanderas). A pesar de las prdidas de calor en las noches, pruebas en invierno en las ciudades de La Paz y Cochabamba han mostrado, que hasta las 22:30 horas de la noche se cuenta con agua caliente. Desde las 9:00 horas de la maana, el equipo otra vez empieza de producir agua caliente mediante energa solar. Se puede combinar este sistema sencillo otros sistemas convencionales de calentamiento de agua: calefones elctricos, duchas elctricas (por ej. Lorenzetti) y calefones a gas. Los equipos solares se instalan sobre techos, pero es posible instalar los calefones solares al lado de una casa como muestra la fotografa 5.2 de un proyecto ejecutado en el Altiplano Sur de Bolivia (Departamento de Potos). Instalando el calefn solar compacto dentro de una pequea caja de adobe con su cubierta de policarbonato o integrarlo dentro del techo de la casa se reducen considerablemente las prdidas de calor en las zonas fras del Altiplano. Los equipos son compactos, un calefn solar de aprox. 190 litros de capacidad (= 50 Galones) tiene una superficie de aprox. 2,60 m2. Se puede transportar fcilmente al lugar de su instalacin. La misma instalacin es muy sencilla, tiene solamente dos puntos de conexin: una tubera para el acceso de agua fra y otra tubera para la salida de agua caliente. El calefn solar compacto tiene la ventaja de no necesitar anticongelante en sus circuitos. La masa del agua es tan alta, que no puede congelarse.

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El equipo mostrado de la fotografa 5.2 est provisto de un caballete metlico para que el calefn solar compacto mire hacia el norte. Cuenta de una inclinacin de aprox. 20 respecto al suelo. De esta manera se logra un aprovechamiento bueno de la energa solar. En la zona Sur de la ciudad de La Paz, se instal un calefn solar compacto juntos con un calefn a gas. En caso de no existir suficiente radiacin solar o de un consumo elevado de agua que el sistema solar solo no puede cubrir, automticamente arranca el calefn a gas que funciona con una garrafa GLP. Calefn solar compacto y calefn a gas estn conectados en serie: El agua fra de la red pblica entra al calefn solar compacto para llegar al calefn a gas. La salida de agua caliente del calefn solar compacto se conecta con la entrada de agua fra para el calefn a gas. Si el agua que entra al calefn a gas tiene suficiente calor, no arranca el sistema de calentamiento a gas. Esta misma aplicacin del calefn solar compacto se puede realizar para los calefones elctricos compactos o calefones elctricos corrientes de 50 y ms galones de capacidad. La solucin ms sencilla se aplica conectando la ducha elctrica (Lorenzetti) con el calefn solar compacto; hasta en casos de radiacin solar reducida basta trabajar con la mitad de la potencia de la ducha elctrica, ahorrando as energa elctrica.

Figura 5.4: Combinacin calefn solar con un calefn a gas. Fuente: Solar Energie Technik, 1993. Las siguientes fotografas muestran un proyecto de la empresa FALK SOLAR en la zona Sur de la ciudad de La Paz.

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Fotografa 5.3: Instalacin de un calefn solar compacto en la zona Sur de la ciudad de La Paz que funciona como precalentador para un calefn a gas. La caera para el agua caliente cuenta con un aislamiento trmico, baja en la esquina de la casa por debajo del calefn solar. Fuente: Proyecto FALK SOLAR.

Fotografa 5.4: Instalacin del calefn solar compacto sobre el techo. Tiene una orientacin hacia el norte, su inclinacin corresponde a la del techo. Fuente: Proyecto FALK SOLAR.

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Fotografas 5.5 y 5.6: El calefn a gas que funciona con una garrafa de GLP. La fotografa a la derecha muestra detalles de las conexiones de las tuberas de agua. La tubera a la izquierda provista de aislamiento trmico llega desde el calefn solar compacto hacia la entrada para agua fra del calefn a gas. En el centro se ve la tubera de gas para la garrafa de GLP. A la derecha se nota la salida de agua caliente del calefn a gas. Fuente: Proyecto FALK SOLAR. Se trata de una pequea familia con un consumo de agua caliente reducido, cada 3 a 4 meses se tiene que conectar una garrafa de gas al calefn. Para capacidades elevadas de agua caliente, se recomienda instalar un mnimo de dos calefones solares compactos en serie cuando se conecta el sistema a la red pblica. Un calefn sirve para el precalentamiento del agua fra, mientras que el otro calefn aumenta todava ms la temperatura del agua y sirve como almacn del agua caliente. De esta manera se disminuye la posibilidad de mezclar agua caliente con agua fra. Es indispensable contar con una vlvula de seguridad para evitar que se reviente el tanque bajo la alta presin del agua caliente. Reflexiones Preguntas para Captulo 5 Se puede utilizar un sistema colector acumulador para lavanderas? Cuntas mujeres tienen artritis o reumatismo por lavar con agua fra la ropa de otra gente para ganar su vida? No ser muy til mejorar algo en este sentido? Tomando en cuenta que se trabaja solamente durante el da, ser necesario almacenar agua caliente para la noche?

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CAPTULO 6 CALEFONES SOLARES EQUIPADOS CON COLECTORES PARA CALENTAR AGUA SISTEMAS DE BAJA CAPACIDAD QUE FUNCIONAN CON FLUJO LIBRE (EFECTO TERMOSIFN). En este capitulo se tratan sistemas sencillos solares de calentamiento de agua. Tienen capacidades promedias de 200 litros. Funcionan sin bombas de agua, de esta razn su nombre sistemas de flujo libre. Ya se ha mencionado que se trabaja con dos componentes para producir agua caliente mediante la energa solar. Para aumentar el rendimiento del calefn solar y para mejorar el almacenaje de agua caliente, se separaron las unidades de produccin y almacenaje de calor. El almacn de agua caliente cuenta con un aislamiento trmico muy fuerte. No deja pasar el sol, pero tampoco puede escapar bien el calor. El agua caliente se produce fuera de los almacenes del agua, en los colectores solares. La figura 6.1 muestra un sistema muy senillo.

Figura 6.1: Un sistema solar sencillo. El agua entra directamente al colector; cuenta con un tanque ubicado por encima del colector para almacenar el agua caliente. Por la separacin de componentes de funcionamiento el calentamiento del agua tiene su lugar en el colector, el almacenaje de agua caliente en el tanque este tipo de calefn solar tiene ms eficiencia que el colector acumulador. Fuente: Margevicius, Schorgmayer 1981.

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Fotografas 6.1 y 6.2: Izquierda: Un calefn solar con colectores planos. El tanque de almacenamiento de agua caliente tiene una posicin vertical. Derecha: Un calefn solar provisto de tubo de vaco para calentar el agua. El tanque de agua caliente es colocado en forma horizontal como es el caso de todos los calefones solares modernos. Fuente: Fotografas del autor. LOS COMPONENTES DE UN CALEFN SOLAR. Los componentes de un calefn solar se de flujo libre (efecto termosifn) o de flujo forzado son los siguientes: o o o o o Colectores para calentar agua Termotanque Intercambiadores de Calor (para zonas fras) Conexiones Accesorios diversos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA TERMOSIFN. Este efecto es un fenmeno fsico muy conocido. Agua caliente tiene menos densidad que agua fra. En el captulo de introduccin se mostr que el agua caliente se traslade por s mismo desde un punto a otro. En el caso de los calefones solares, sube por las tuberas de los colectores de agua hacia el almacn de agua. Al mismo tiempo entra agua fra desde el fondo de los termos tanques hacia la entrada de agua fra de los colectores de agua. Los mejores resultados para el efecto termosifn se obtiene cuando existe una diferencia de altura de 30 a 50 cm entre colector plano y tanque de agua (ver figura 6.2). Para configuraciones donde el colector est a la misma altura que el tanque de agua (ver figura 6.3) se establece un flujo inverso en la noche. El agua caliente del colector se enfra, baja hacia la base del tanque de agua y agua caliente desde la parte superior del tanque corre hacia el colector. De esta manera se establece un efecto termosifn inverso.

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En casos donde existe espacio limitado, se puede aceptar configuraciones colector tanque de agua donde la parte superior del colector est en la misma altura que el fondo del tanque de agua (ver tambin fotografa 6.4).

Figura 6.2: Instalacin correcta para un sistema termosifn. El sistema funciona con baja presin; el flotador del depsito de agua funciona como vlvula de reduccin de presin. Fuente: de Cusa, 1989.

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Figura 6.3: Instalacin de un sistema termosifn en forma defectuosa al estar parte del tanque de agua ms baja que el colector El agua se enfra durante la noche. Fuente: Hupping Stoner, 1975.

Fotografa 6.3: Sistema solar de calentamiento que funciona con colectores planos. Por ser un sistema termosifn, el tanque de agua caliente est ubicado encima de los colectores de agua. Fuente: Fotografa del autor.

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Fotografa 6.4: Otro sistema termosifn que funciona con colectores planos. El fondo del tanque de agua caliente es al mismo nivel que el borde superior de los colectores planos. Se puede todava aceptar esta construccin para los sistemas termosifones. Fuente: Fotografa del autor.

Fotografa 6.5: Un calefn solar de construccin moderna. El colector de agua est orientado en forma horizontal. Es un sistema termosifn con circuito cerrado. O sea, dentro del colector circula una mezcla de agua y anticongelante. Esta mezcla corre alrededor del tanque de agua. Se evita una mezcla del agua potable para la ducho o los grifos para baos y cocinas con el lquido (en muchos casos venenoso) que transporta el calor. Fuente: Fotografa del autor.

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El sistema termosifn no necesita una bomba para la circulacin de agua. Su nico motor es el sol que calienta el agua dentro del colector. Por esta razn, este sistema se llama tambin sistema de flujo libre. Sistemas de Calefones Solares. En seguido se da una corta explicacin de los diferentes sistemas de calefones solares para luego explicarles con ms detalles. Segn su construccin se distinguen o Colectores planos. o Colectores solares de vaco. Segn los circuitos de circulacin de agua se distingue: o Sistema de circuito abierto. o Sistema de circuito cerrado. Segn la presin que se desarrolla en el calefn solar se distingue: o Sistema de tanque cerrado o Sistema de tanque abierto Hay combinaciones entre los diferentes tipos de sistemas como se va tomar cuenta en adelante. Colectores planos. Por su forma se llaman los colectores que producen el agua caliente, colectores planos. Son cajas planas metlicas que contienen una placa de absorcin de color negro mate. A esta placa de absorcin se conectan tubos metlicos donde circula el agua para calentarse. Cuentan con una cubierta transparente de vidrio templado. El calefn solar de fotografa 6.1 y de las figuras 6.1 y 6.3 cuenta de este tipo de sistema. Una variacin del colector plano utiliza una superficie reflectora para guiar parte de la radiacin solar hacia una rejilla de tubos de agua. Figura 6.3: Calefones solares planos. Fuente: Greenwald, 1985. Colectores solares de Vaco. Consisten de varios tubos colocados en forma paralela donde circula el agua o un lquido especial para calentarlo. Por el vaco dentro del tubo, las prdidas de calor de este tipo de colector son mnimas.

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Sistema de Circuito abierto. El agua del tanque de agua caliente entra directamente a los colectores (ver tambin figuras 6.1 y 6.4). Son los sistemas ms sencillos. Funcionan solamente en zonas con un clima templado. De esta manera es un equipo ideal para ciudades como Cochabamba, Sucre, Santa Cruz y Tarija. En zonas con noches de temperaturas bajo cero, se pueden reventar los tubos de los colectores por el congelamiento del agua. Por esta razn, estos sistemas de calefones solares no son aptos para el Altiplano de Bolivia. Tambin en la ciudad de La Paz, se pueden presentar problemas. Figura 6.4: Calefn solar de sistema abierto. Fuente: Anderson, 1976. Sistema de Circuito cerrado. Son aptos para zonas de bajas temperaturas. Dentro de los colectores circula agua mezclado con anticongelante u otro lquido especial que no puede congelarse. El calor se transmite al agua de consumo mediante un intercambiador de calor incorporado al tanque de agua caliente. Este sistema es indispensable para el Altiplano de Bolivia y la ciudad de La Paz. Figura 6.5: Calefn solar de sistema cerrado. Fuente: Anderson, 1976.

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Sistemas de tanque cerrado y abierto.

Figura 6.6: Tipos de tanques de almacenaje. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981. El tanque de la figura ( a ) est bajo presin de la red pblica, de manera que el tanque, el colector y la tubera que los conecte, deben resistir est presin. Es indispensable la instalacin de una vlvula de presin. El tanque de la figura ( b ) utiliza un flotador para controlar la entrada de agua fra. El tanque puede ser abierto y la presin del sistema es determinada por el nivel de agua en el tanque.

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CAPTULO 7. COLECTORES PLANOS. EL COLECTOR PLANO. La figura 7.1 muestra un colector solar plano tpico para calentar agua. Se distingue en sus diferentes componentes: o o o o o Caja del colector. Cubierta transparente. Placa absorbente. Circuito de agua. Material aislante.

Figura 7.1: Colector plano para captar energa solar Fuente: de Cusa, 1989. FUNCIONAMIENTO DE UN COLECTOR PLANO. El colector plano funciona de la siguiente manera. La radiacin solar incide sobre el colector. Una pequea parte es reflejada por la cubierta transparente segn el ngulo de incidencia y absorbida. El resto de la radiacin solar pasa por la cubierta transparente e incide sobre la placa de absorcin, es absorbida en su mayora y transformado en calor.

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Figura 7.2: Funcionamiento de un colector plano y la influencia del medio ambiente sobre su funcionamiento. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981. Hay prdidas de calor que impiden una transformacin total de la radiacin solar en calor til para calentar agua. Dentro del colector plano existen los siguientes mecanismos de transferencia de calor: Conveccin Conduccin La conveccin funciona de la siguiente manera. El aire dentro del colector tiene contacto con la placa de absorcin, se calienta y sube hacia la cubierta transparente para entregar su calor. Fluye el calor por conduccin hacia el lado exterior del vidrio para calentar el aire del ambiente. Esta prdida de energa es ms acelerada cuando hay vientos y/o un clima fro. Para reducir las prdidas de calor por las paredes y fondo del colector (mecanismo de conduccin), se colocan aislantes trmicos entre la placa y caja del colector.

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A pesar de todas estas medidas, siempre existen ciertas prdidas de calor que disminuyen la energa til para calentar el agua. Para un equipo de autoconstruccin, un rendimiento de 60 % sera muy bueno. Significa que se aprovecha un 60 % de la radiacin solar que llega sobre la superficie del colector para el calentamiento de agua. Ejemplo: Un sistema solar recibe una radiacin solar de 5 kWh / m2 / da Qu parte de esta energa se puede utilizar para calentar agua cuando el sistema logra un rendimiento de 60 %? 5 kWh / m2 / da * 0,60 = 3 kWh / m2 / da Esta energa til se extrae del colector mediante el agua (u otro lquido) a calentar que circula por los tubos conectados a la placa de absorcin. Ahora es necesario conocer un hecho muy importante de la transferencia de calor. Las prdidas de calor hacia el exterior del equipo solar suben segn el aumento de temperatura dentro del colector solar. Significa: Mayor produccin de calor dentro del equipo, mayores prdidas de calor hacia fuera. Esta es una ley fundamental. Por esta razn, no vale la pena de construir un colector que produce temperaturas muy elevadas respecto al medio ambiente. Una temperatura de 60 C para la placa de absorcin es suficiente. Si se pretende producir temperaturas elevadas y reducir al mismo tiempo las prdidas de calor se tiene que mejorar el aislante trmico: utilizar capas muy gruesas de este material e instalar dos o tres capas de vidrio. Con estas implementaciones suben los costos de los calefones solares.

Figura 7.3: Despiece de un colector plano: 1. Fondo de la carcasa del colector; 2. Estructura de la carcasa del colector; 3. Aislamiento trmico; 4. Hoja de aluminio que refleja la radiacin trmica; 5. Superficie de absorcin; 6. Cubierta transparente del colector plano; 7. Cierre del bastidor, marco del vidrio y cordn aislante de goma. Fuente: de Cusa, 1989.

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Figura 7.4: Detalle de la superficie absorbedora de un colector plano. Leyenda: 1. Placa de Absorcin; 2. Rejilla de tubera de cobre; 3. Conexin externa de tubera; 4. Hoja de aluminio; 5. Cmara de aire; 6. Aislante trmico; 7. Estructura exterior del colector plano; 8. Cubierta transparente de vidrio; 9. Taladro para sujecin atornillada; 10. Fondo del colector; 11. Escuadro de refuerzo; 12. Junta de caucho neopreno. Fuente: de Cusa, 1989.

Fotografa 7.1: Detalle de un colector solar plano. Los tubos para calentar agua estn colocados en forma de rejilla. Es el sistema ms divulgado en Bolivia. Fuente: Fotografa del autor.

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Para calentar agua con energa solar, se conectan tubos de agua con una superficie pintada de negro dentro del colector (ver fotografa 7.1). Una cubierta transparente aumenta la eficiencia del equipo mediante el efecto invernadero. En lo siguiente se describe los componentes del colector plano. La Caja del Colector. Forma el recipiente que contiene los componentes del sistema de captacin de la radiacin solar. Tiene forma rectangular y se compone de cuatro paredes laterales que constituyen el bastidor, y de una plancha que cierra el conjunto por la parte trasera: el fondo. La caja del colector se disea para resistir las diferentes condiciones del clima: lluvia, calor, fro, etc. Se utilizan diversos materiales para evitar los efectos de corrosin: acero galvanizado, acero inoxidable, aluminio anodizado, polister reforzado con fibra de vidrio, e incluso madera tratada contra la humedad para construcciones de autoconstruccin.

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Figura 7.5: Caja de madera para un colector plano. Fuente: Margevicius, Schorgmayer, 1981).

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Figura 7.6: Dibujo tcnico para la fabricacin de una caja de un colector. Se utiliza planchas de fierro galvanizado con espesores entre 0.6 y 0.8 mm. Leyenda: Collector box = Caja del colector; Insulation = Aislante trmico; Reflector sheet = Superficie reflectante (de calor); Collector = Colector; Cover Profiles = Perfiles para la cubierta transparente; Glass covers = Cubierta de vidrio; U - Rubber Profiles = Empaquetadura de goma en forma de U. Fuente: Bachmann, 1979.

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Figura 7.7: Dibujo tcnico para la fabricacin de una caja de un colector. Se utiliza planchas de fierro galvanizado con espesores entre 0.6 y 0.8 mm. Fuente: Bachmann, 1979.

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La cubierta transparente. La cubierta transparente deja pasar los aprovechamiento de la radiacin solar, directamente sobre la placa de absorcin, Colectores sin cubierta transparente se temperaturas relativamente bajas. rayos solares al interior del colector. Aumenta el ya que, en el caso de que la radiacin incidiese la temperatura que se alcanzara sera mucho menor. utilizan para calentar piscinas, donde se requiere

En la mayora de los colectores solares se utiliza vidrio para la cubierta transparente: se aplica vidrio templado, por lo general de 6 mm de espesor. Para bajar costos, tambin se emplea vidrio normal de 4 a 6 mm. Pero este material es ms vulnerable y puede crear complicaciones en la instalacin, en cuanta a posibilidades de rotura y dificultades para cambiarlo Una alternativa al vidrio es el policarbonato, tiene una alta transmisin para la luz solar, a la del vidrio. En Bolivia se vende placas de policarbonato de doble capa en diferentes espesores: 4, 6 y 8 mm. La vida til de este material supera los 10 aos. Un panel solar de vidrio simple puede lograr temperaturas que se acercarn a los 100 C; aplicando dos capas de vidrio, se puede llegar a los 135 140 C. Y con vidrio triple, se trabajar en el rango de los 180 190 C. Pero, no se debe olvidar que el agua hierve a los 100 C a la altura del mar. En la altura, hierve a temperaturas todava ms bajas. En Bolivia donde se cuenta con niveles de radiacin solar muy elevados en muchos lugares, basta trabajar con una sola capa de vidrio. Las siguientes figuras muestran ejemplos como fijar la cubierta de vidrio.

Figura 7.8: Corte a travs de un colector solar. Fuente: Greenwald, 1985.

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Figura 7.9: Montaje de una cubierta de vidrio. Fuente: Greenwald, 1985. Ojo: Vidrio y policarbonato se expanden con el calor. Se tiene que dejar un espacio libre para la expansin de la cubierta transparente. Vidrio necesita un espacio entre 0.5 a 1 cm a todos sus lados; caso contrario se rompe el vidrio. Para sellar los espacios entre marco y cubierta transparente se puede utilizar silicona. Los perfiles para los marcos de la cubierta transparente se pueden fabricar con calamina plana No. 26 o 28.

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Placa de absorcin. Tiene tambin el nombre de placa absorbente. Es la superficie de absorcin de la radiacin solar, formada por una lmina normalmente metlica (acero, cobre, aluminio). Sobre esta placa inciden los rayos solares despus de atravesar la cubierta transparente. Para incrementar la absorcin de los rayos solares, se reviste la cara de la placa expuesta a la radiacin solar con una capa de color gris muy oscuro o negro. Tambin se puede someter dicha superficie absorbente a un tratamiento electro-qumico: el llamado cromo negro, que absorbe muy bien la radiacin solar y no pierde cualidades con el paso del tiempo ni por la fuerte insolacin a la que estar sometido, como puede ocurrir con la aplicacin de otros materiales. El Circuito. Dentro de su tubera circula el fluido transportador del calor; es unido a la placa absorbente para que entre el calor desde la placa de absorcin hacia el agua a calentar. En la mayora de los modelos, el circuito es colocado encima de la placa de absorcin, para que reciba la radiacin solar inmediatamente y con mayor intensidad. El circuito se encargar de llevar el agua caliente hacia el tanque de agua. Consta de caera de pequeo o mediano calibre, fabricado en material que sea buen conductor trmico y resistente a la corrosin. Caera de cobre cumple estas exigencias, pero por sus costos elevados, muchas veces se utiliza caera galvanizada en Bolivia para construir calefones solares a precios razonables. A pesar de que el ltimo material es mucho menos resistente contra la corrosin (que aumenta con la temperatura del agua), se obtuvo resultados buenos en las construcciones. El circuito recorre la superficie de la placa absorbente en diferentes formas. La figura 24 muestra la tubera en forma de serpentn y rejillas. A la izquierda se ve la tubera en forma de serpentn: el agua recorre un slo tubo; su temperatura sube conforme con su avance a lo largo del tubo. A la derecha se nota el sistema en forma de rejilla: existen varios flujos en paralelo. Los tubos de la rejilla se conectan en sus extremos con tubos distribuidores horizontales. Este sistema tiene ciertas ventajas en comparacin del tipo serpentn: El flujo de cada corriente es de poca distancia y pasa por la misma longitud del colector. Hay menos resistencia para el flujo de agua, por esta razn las prdidas de presin son menores. El calor de la placa de absorcin se distribuye ms uniforme al lquido que circula dentro de la tubera. Actualmente el sistema tipo parrilla es lo ms divulgado en el mercado. No obstante, para sistemas sencillos de autoconstruccin se prefiere el serpentn por su menor trabajo de soldadura para bajar costos.

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Figura 7.10: Variaciones en los circuitos de tubo. A la izquierda, el sistema serpentn; se trata de una tubera en serie. A la derecha la tubera en paralelo de sistema tipo parrilla. Fuente: Greenwald, 1985. Es muy importante de contar con un contacto excelente entre placa de absorcin y la tubera para lograr una buena transferencia de calor entre ambos componentes. En caso de trabajar con remedios limitados, se puede realizar un contacto mecnico (por ejemplo fijar la tubera mediante alambre de amarre) o utilizar soldadura para la unin de los componentes.

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Figura 7.11: Sistema artesanal de conexin placa de absorcin tubera. Fuente: Nipkow, 1977.

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Figura 7.12: Construccin de un sistema de absorcin de la radiacin solar para calentar agua (Hupping Stoner, 1975). Se puede utilizar los siguientes materiales para la placa de absorcin: aluminio, cobre, plancha de acero o de fierro galvanizado. En este ejemplo, una rejilla de tubera de fierro galvanizado o de cobre se utiliza para un sistema estndar de colector plano de las siguientes medidas: 91.5 cm x 183 cm o 122 cm x 244 cm (dimensiones segn experiencias de los EE.UU.). El dimetro de los tubos verticales vara entre y . Los tubos de distribucin, orientados en forma horizontal, deben tener un dimetro mnimo de 1. La unin entre los tubos se realiza con soldadura de arco en el caso de fierro galvanizado. La distancia entre los tubos verticales es de aprox. 15 cm. Con estas medidas y los niveles de radiacin solar en Bolivia se puede utilizar una plancha de acero con cinco octavos de espesor como placa de absorcin.

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Fotografas 7.2: Colector solar. Las aletas de cobre se fijaron mediante alambre de cobre a la caera de cobre. Hay espacios grandes entre las conexiones realizadas con alambre. Con el tiempo se aflojaron los alambres, se perdi contacto entre aletas y tubera (ver tambin aleta inclinada a la derecha) y baja la transferencia de calor. Resultado: rendimientos bajos del equipo solar. Fuente: Fotografa del autor.

Fotografas 7.3 y 7.4: Detalles de las uniones entre aletas y tubera de cobre. Fuente: Fotografa del autor.

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Fotografa 7.5: Por falta de suficientes conexiones entre tubera y aletas de cobre se cayeron aletas para la absorcin de la radiacin solar. Fuente: Fotografa del autor.

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Figura 7.13: Fabricacin de una rejilla mediante tubos de cobre. Se utiliza soldadura de plata para unir la tubera y los accesorios de cobre o bronce (codos, Tee, etc.). Fuente: Lorenz Ladener, 1985 y Maas, 1989.

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Fotografas 7.6 y 7.7: Colector tipo tejido. Cintas de metal pasan por encima y por debajo de la tubera del colector. El contacto trmico se garantiza por la presin que ejerce este tejido sobre los tubos. Hubo buenas experiencias en un programa de energa solar de la Universidad San Simn de Cochabamba en los aos 80 y 90 del siglo pasado. Hay equipos de este sistema que ya funcionan casi 10 aos en esta ciu