escuela politÉcnica nacional...sistema de purificación de agua con energía limpia y renovable...
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE PURIFICACIÓN DE AGUA POR MEDIO DE ENERGÍA, REFLEXIÓN
SOLAR, Y LUZ ULTRAVIOLETA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
MIGUEL ÁNGEL LEMA CARRERA [email protected]
DIRECTOR: MSc. LUIS MORALES [email protected]
CO-DIRECTOR: Dr. ANDRÉS ROSALES [email protected]
Quito, abril 2015
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DECLARACIÓN Yo Miguel Ángel Lema Carrera, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
_____________________________
Miguel Ángel Lema Carrera
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CERTIFICACIÓN Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Miguel Ángel Lema Carrera, bajo nuestra supervisión.
________________________ MSc. Luis Morales
DIRECTOR DEL PROYECTO
________________________ Dr. Andrés Rosales
CO-DIRECTOR DEL PROYECTO
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AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por ser el soporte y guía de mi vida, ya que en los momentos
difíciles me ha dado fuerza y sabiduría para llevar a cabo y culminar esta etapa de
mi vida.
A mis padres Leonor Angélica y Miguel Ángel, por su ardua labor para formarme
como persona, brindándome consejos, palabras de aliento y apoyo incondicional
en todo momento, mil gracias por todo.
A mis hermanos Ivonne, Adriana, Danae, Sebastián y Ana, por los maravillosos y
felices momentos que me brindan día a día.
A Mayerling, por su amor, su paciencia y apoyo en todo momento, junto a la
confianza que ha depositada en mí, permitiéndome alcanzar y proyectarme hacia
nuevas metas.
A Ing. Msc. Luis Morales que he todo momento me ha brindado su apoyo, para
cristalizar y hacer realidad este proyecto.
A Taller de Mecánica Industrial “Servimáquina”, Técnico Adolfo Cantos, por
colaborar y brindar asesoramiento en la parte mecánica del sistema.
Miguel Ángel
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DEDICATORIA Con todo mi amor y cariño:
A mis amados padres, quienes me han enseñado que con esfuerzo y
perseverancia nada es imposible. Todo este esfuerzo es para ustedes.
A mis hermanas para que sientan orgullo por mí, como yo lo hago de cada una de
ustedes, junto con mis sobrinos para que sean los próximos profesionales de la
familia.
A mi novia Mayerling, que es una persona especial en mi vida, que me ha
soportado en la buenas y malas durante todo este tiempo.
Miguel Ángel
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I
CONTENIDO
CONTENIDO ............................................................................................................ I
RESUMEN ............................................................................................................ IX
PRESENTACIÓN ................................................................................................... X
CAPITULO 1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................. 1
1.1 ENERGÍA SOLAR ........................................................................................... 2
1.1.1 CONSTANTE SOLAR .................................................................................. 2
1.1.2 RADIACIÓN NORMAL EXTRATERRESTRE ............................................... 3
1.1.3 RADIACIÓN SOLAR .................................................................................... 5
1.1.3.1 Radiación Directa ...................................................................................... 5
1.1.3.2 Radiación Difusa ....................................................................................... 5
1.1.3.3 Radiación Reflejada .................................................................................. 5
1.1.3.4 Radiación Total ......................................................................................... 6
1.1.4 IRRADIANCIA .............................................................................................. 6
1.1.5 IRRADIACIÓN O INSOLACIÓN ................................................................... 7
1.1.6 DIRECCIONAMIENTO DE LA RADIACION SOLAR Y SUS RELACIONES
GEOMETRICAS ...................................................................................................... 7
1.2 RECURSO SOLAR EN EL ECUADOR ......................................................... 10
1.3 CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR ............................................................. 11
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II
1.3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.......................................................... 11
1.3.1.1 Paneles Solares ...................................................................................... 13
1.3.1.2 Principio Fotovoltaico .............................................................................. 13
1.3.1.3 Celdas Solares ........................................................................................ 13
1.3.1.4 Regulador de Carga ................................................................................ 14
1.3.1.5 Batería ..................................................................................................... 15
1.3.1.6 Inversor ................................................................................................... 16
1.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ..................................................................... 16
1.3.2.1 Concentradores Solares .......................................................................... 16
1.3.2.1.1 Clasificación de los Colectores Solares ................................................ 17
1.3.2.1.2 Colector Cilíndrico Parabólico (CCP) ................................................... 19
1.4 EL AGUA ....................................................................................................... 21
1.4.1 PURIFICACIÓN DE AGUA ......................................................................... 22
1.5 DESTILACIÓN SOLAR ................................................................................. 23
1.5.1 DESTILADOR SOLAR ............................................................................... 23
1.5.1.1 Tipos de Destiladores .............................................................................. 24
1.6 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL DESTILADOR SOLAR .......................... 25
1.6.1 CALOR ALMACENADO EN EL INTERIOR POR EL AGUA ...................... 26
1.6.2 CALOR ALMACENADO POR LA CUBIERTA ............................................ 26
1.6.3 CALOR ALMACENADO POR EL SISTEMA .............................................. 27
1.6.3.1 Calor perdido por conducción ................................................................. 27
-
III
1.6.3.2 Calor perdido por convección del vidrio .................................................. 29
1.6.3.3 Calor perdido por radiación del vidrio ..................................................... 29
1.6.4 CANTIDAD DE CALOR NECESARIO PARA CALENTAR Y
EVAPORAR…31
1.6.4.1 Calor necesario para calentar el vidrio .................................................... 31
1.6.4.1.1 Calor total para calentar el vidrio .......................................................... 32
1.6.4.2 Calor necesario para calentar el agua ..................................................... 32
1.6.4.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua ............................. 33
1.6.5 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR SOLAR .............................................. 34
1.7 PURIFICACIÓN DE AGUA MEDIANTE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA........ 35
1.7.1 DOSIFICACIÓN ......................................................................................... 37
CAPITULO 2
DESARROLLO DEL HARDWARE ....................................................................... 38
2.1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ....................... 38
2.1.1 DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DEL DESTILADOR SOLAR .......................... 38
2.1.1.1 Calculo del calor total absorbido por el sistema ...................................... 42
2.1.1.2 Calculo del calor perdido por conducción ................................................ 42
2.1.1.3 Calculo del calor perdido por convección del vidrio ................................. 43
2.1.1.4 Calculo del calor perdido por radiación del vidrio .................................... 43
2.1.1.5 Cantidad de calor necesario para Calentar y Evaporar ........................... 45
2.1.1.5.1 Calor necesario para calentar el vidrio ................................................. 45
-
IV
2.1.1.5.2 Calor necesario para calentar el agua .................................................. 45
2.1.1.5.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua .......................... 46
2.1.1.6 Cantidad de Agua a Destilar ..................................................................... 46
2.1.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COLECTOR CILÍNDRICO
PARABÓLICO (CPC) ............................................................................................ 48
2.1.3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SOPORTE MECÁNICO ..................... 53
2.2 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO................................ 54
2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS A UTILIZAR ........................ 54
2.2.1.1 Servomecanismos ................................................................................... 54
2.2.1.1.1 Motor de Corriente Continua 6R0.959.801.M ....................................... 54
2.2.1.2 Electroválvula .......................................................................................... 55
2.2.1.3 Electrobomba .......................................................................................... 56
2.2.1.4 Sensores de Temperatura ....................................................................... 57
2.2.1.4.1 Sensor de temperatura LM35 ............................................................... 57
2.2.1.4.2 Termistor NTC 5D-20 ........................................................................... 58
2.2.1.5 Sensores de Nivel ................................................................................... 60
2.2.1.6 Luz Led Ultravioleta UV-C ....................................................................... 60
2.2.1.7 Sensor de Luminosidad ........................................................................... 62
2.2.1.8 Sensor de Posición.................................................................................. 63
2.2.2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ........... 64
2.2.2.1 Estimación del Consumo ......................................................................... 64
-
V
2.2.2.2 Radiación Solar promedio del lugar......................................................... 66
2.2.2.2.1 Hora Pico Solar (HPS) .......................................................................... 67
2.2.2.3 Dimensionamiento del Panel Solar ......................................................... 67
2.2.2.4 Dimensionamiento de la Batería ............................................................. 68
2.2.2.5 Dimensionamiento del Regulador de Carga ............................................ 70
2.2.2.6 Dimensionamiento de Cables .................................................................. 71
2.2.3 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS ............................................................. 72
2.2.3.1 Microcontrolador Atmega 16 ................................................................... 72
2.2.3.2 Driver de Motor DC IBT-2 ........................................................................ 72
2.2.3.3 Amplificador Operacional y Acondicionamiento de Señal ....................... 73
2.2.3.3.1 Utilización del Amplificador Operacional LM358 en Prototipo .............. 74
2.2.3.4 Visualizador Lcd ...................................................................................... 76
2.2.4 FUENTES DE ALIMENTACIÓN ................................................................. 76
2.2.4.1 Fuente de alimentación 5Vdc .................................................................. 77
2.3 ENSAMBLAJE DEL PROTOTIPO ................................................................. 78
2.3.1 ENSAMBLAJE DE COMPONENTES MECÁNICOS .................................. 78
2.3.1.1 Soporte Metálico y Colector Cilíndrico Parabólico ................................... 78
2.3.1.2 Ensamblaje del Destilador Solar al Sistema ............................................ 79
2.3.1.3 Acoplamiento del Panel Solar ................................................................. 79
2.3.1.4 Acoplamiento Motor de Giro .................................................................... 80
2.3.1.5 Unión del Tanque Recolector de Agua Purificada ................................... 81
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VI
2.3.1.6 Ubicación de Sensores de Temperatura, Nivel, Luminosidad y Posición82
2.3.1.7 Colocación del Panel de Control ............................................................. 84
CAPITULO 3
DESARROLLO DEL SOFTWARE ........................................................................ 85
3.1 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR ATMEGA 16 ................... 85
3.2 SISTEMAS DE CONTROL IMPLEMENTADOS ........................................... 92
3.2.1 MONITOREO DE CANTIDAD DE LUZ SOLAR ......................................... 92
3.2.1.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 92
3.2.2 CONTROL DE POSICIÓN Y SEGUIMIENTO SOLAR ............................... 93
3.2.2.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 94
3.2.3 CONTROL DE NIVEL DEL DESTILADOR SOLAR .................................... 96
3.2.3.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 96
3.2.4 CONTROL DE NIVEL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ................ 97
3.2.4.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 98
3.2.5 MONITOREO TEMPERATURA LM 35 ...................................................... 99
3.2.5.1 Algoritmo de Control ................................................................................ 99
3.2.6 MONITOREO TEMPERATURA NTC ....................................................... 100
3.2.6.1 Algoritmo de Control .............................................................................. 100
3.3 DESARROLLO DEL HMI Y PROGRAMACIÓN EN LABVIEW ................... 101
3.3.1 ENVÍO Y RECEPCIÓN DE DATOS SERIALMENTE ............................... 104
3.3.1.1 Trama de Recepción ............................................................................. 105
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VII
3.3.1.2 Trama de Envío o Salida ....................................................................... 106
CAPITULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS .............................................................................. 107
4.1 ORIENTACIÓN DEL SISTEMA PURIFICADOR ......................................... 108
4.2 ADQUISICIÓN DE DATOS DE POSICIÓN ................................................. 108
4.2.1 VALIDACIÓN DE DATOS DE POSICIÓN ................................................ 110
4.2.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA POSICIÓN DEL SISTEMA ............ 112
4.3 DATOS DE RADIACIÓN SOLAR EN LA CIUDAD DE QUITO .................... 112
4.4 ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA ....................................... 112
4.4.1 VALIDACIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA ...................................... 118
4.4.1.1 Validación de datos de temperatura en el interior del Destilador Solar . 118
4.4.1.1.1 Análisis de datos ................................................................................ 120
4.4.1.2 Validación de datos de temperatura en Colector Cilíndrico Parabólico
CCP ..................................................................................................................... 120
4.4.1.2.1 Análisis de datos ................................................................................ 121
4.5 FUNCIÓN DE LA LUZ ULTRAVIOLETA UV ............................................... 122
4.6 TOMA DE DATOS DE AGUA PURIFICADA ............................................... 125
4.6.1 SIN UTILIZAR EL COLECTOR CILÍNDRICO PARABÓLICO CCP .......... 125
4.6.2 UTILIZANDO EL COLECTOR CILÍNDRICO PARABÓLICO CCP ........... 126
4.7 CALIDAD DEL AGUA .................................................................................. 127
4.8 ANÁLISIS BACTERIOLÓGICO DEL AGUA ............................................... 128
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VIII
4.9 ANÁLISIS FÍSICO – QUÍMICO DEL AGUA ................................................ 130
CAPITULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 134
5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................ 134
5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................... 135
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................... 137
ANEXOS ............................................................................................................. 141
RESUMEN
-
IX
El sol, fuente de vida que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia,
puede satisfacer todas nuestras necesidades básicas, si la aprovechamos de
forma racional la luz, que continuamente derrama sobre el planeta.
En la actualidad en el Ecuador según las estadísticas del Instituto Nacional de
Estadísticas y Censos (INEC) y el MIDUVI cerca del 15% de la población,
alrededor de 2 millones de personas en nuestro país no acceden al consumo y
uso de agua potable, básicamente sus fuentes de provisión del líquido vital se da
por medio de pozos, ríos, vertientes, carros repartidores y otros. Es menester por
lo tanto aportar científica y tecnológicamente, soluciones que permitan palear ésta
problemática en el Ecuador.
Por lo tanto se propone el desarrollo experimental y sujeto a mejoras, de un
Sistema de Purificación de Agua con Energía limpia y renovable como es la
Energía Solar, por medio de un Concentrador Parabólico Cilíndrico (CCP) el cual
permitirá concentrar elevadas temperaturas hacia un Sistema de destilación Solar,
acompañada de un sistema de filtro a base de luz ultravioleta que elimina
bacterias y virus presentes en aguas contaminadas y no tratadas, que permitirá
obtener agua pura y potable apta para consumo humano, que permita abastecer
del líquido vital a sectores marginales y alejados del Ecuador y en general en
donde se la requiera, teniendo en cuenta que el sistema estará dotado de
supervisión, control y automatización.
Adicionalmente se ha realizado este trabajo de investigación, con la finalidad de
introducirnos en la utilización y desarrollo de las Energías Renovables en nuestro
país, que sea un punto de partida, a futuros proyectos y mejoras, que permitan el
desarrollo de la colectividad y el país.
PRESENTACIÓN
-
X
El presente proyecto se encuentra dividido en 5 capítulos, que describen el
proceso, construcción y validación de un Sistema Purificador de Agua, basado en
energía solar y radiación ultravioleta.
El capítulo 1 muestra una descripción de los fundamentos teóricos que rigen a la
energía solar tanto de captación, como fotovoltaica, así como conceptos y
generalidades sobre la purificación de agua por medio de destilación solar y
radiación ultravioleta.
El capítulo 2 presenta el diseño e implementación tanto del Destilador Solar,
Colector Cilíndrico Parabólico CCP y Estructura Metálica, igualmente brinda
información del Diseño Eléctrico-Electrónico, como es el dimensionamiento e
instalación del Sistema Fotovoltaico que brinda electricidad al prototipo y una
breve descripción de todos los elementos a utilizar.
La explicación mediante diagramas de flujo, programación de algoritmos de
control, desarrollo del HMI interfaz hombre-máquina para control remoto del
sistema desarrollado en Labview se presenta en el capítulo 3.
El capítulo 4 muestra las pruebas y resultados del prototipo purificador de agua,
en estas pruebas se pueden mencionar, la cantidad y calidad de agua, la
temperatura del purificador, el control de posición del sistema, funcionamiento
correcto de la radiación UV, así como los respectivos controles de nivel para los
recipientes de agua contaminada y purificada respectivamente.
En el capítulo 5 se puede observar las conclusiones obtenidas durante la
construcción del proyecto, además varias recomendaciones que permitan mejorar
e incentiven a desarrollar proyectos futuros.
En la parte final se adjuntan los anexos, que contienen planos del diseño
mecánico, datos de radiación solar y hojas de datos de los elementos utilizados.
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1
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Los efectos del cambio climático y la gestión de los recursos hídricos son las
principales causas de la escasez de agua en el mundo. Si a esto le sumamos la
contaminación que sufren numerosas corrientes de aguas, como mares, ríos o
lagos, se está avecinando una catástrofe a nivel mundial.
Miles de personas mueren cada año a causa de enfermedades generadas por el
consumo de agua no potable o por alimentos contaminados. Algunas de estas
enfermedades son el dengue y el paludismo, que afectan sobremanera niños,
embarazadas y ancianos, según estadísticas del departamento de salud de la
ONU alrededor de 30000 a 40000 niños mueren diariamente en el planeta por
causas relacionadas con la ingesta de aguas contaminadas.
En el Ecuador, según estadísticas del INEC y MIDUVI, alrededor del 15% de la
población, aproximadamente 2 millones de habitantes, no dispone de agua
potable, sus principales fuentes de provisión son pozos, ríos, vertientes, carros
repartidores, etc.
Por lo tanto se plantea, como solución el diseño e implementación de un Sistema
Purificador de Agua, basado en Energía y Radicación Solar, que permita la
destilación de aguas contaminadas y su posterior traslado por un filtro de
Radiación Ultravioleta, eliminando de esta manera virus, bacterias, hongos,
levaduras y cualquier tipo de microorganismo, que pudiese estar presente en las
aguas a tratar, comprobando y verificando los resultados obtenidos, realizando
análisis físico - químicos y microbiológicos del agua resultante.
De esta manera se pretende aportar con un equipo completamente efectivo,
innovador y útil para obtener agua purificada y apta para consumo humano, que
sirva a la población del Ecuador como del mundo.
En la actualidad, toda actividad depende de la disponibilidad de petróleo, carbón o
gas natural, y el hecho de que estas fuentes energéticas sean contaminantes y
tengan unas posibilidades limitadas de seguir soportando la demanda del ser
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2
humano y considerando su indiscutible impacto sobre el medio ambiente que
supone su uso masivo y por ende el calentamiento global que está sufriendo
planeta, debido a la capacidad del CO2 para producir el “efecto invernadero”, ha
sido definida por la comunidad científica como mayor amenaza para el medio
ambiente.
Tomando conciencia de estos problemas, las energías renovables, y entre ellas la
energía solar, entran a formar parte activa y cotidiana de la vida, por lo tanto se
hace necesario una breve introducción y conocimiento general sobre la energía
solar, sus características, formas de aprovecharla y sus aplicaciones más
importantes, sin dejar de lado, la descripción del agua sus tipos y formas de
purificación, para tener una idea general del prototipo y sistema purificador que se
detalla en éste proyecto.
1.1 ENERGÍA SOLAR
Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana el Sol.
Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la
luz solar es la parte visible de tal espectro. La energía solar es generada por la
llamada “Fusión Nuclear” que es la fuente de vida de todas las estrellas del
universo.
Esta energía es universal y gratuita, considerada como energía renovable y no
contaminante, llamada también energía limpia y verde, fuente de todo tipo de
energías presente en el planeta, cuya captación es fácil, directa y de gran utilidad.
1.1.1 CONSTANTE SOLAR
Algunos estudios realizados dan a conocer que la variación de la emisión de
energía, a cargo del Sol, es inferior al 1% en un ciclo solar que dura alrededor de
22 años. Dicha radiación emitida por el Sol además de sus condiciones
geométricas con respecto de la Tierra y la combinación de tres factores: la
distancia Tierra-Sol, el diámetro solar y la temperatura del Sol, dan como
resultado que sobre el planeta incida una cantidad de radiación solar
prácticamente constante y a la que se denominó, constante solar, presenta
unidades de energía por unidad de área y por unidad de tiempo [W/m²].
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3
La constante solar es el flujo de energía proveniente del sol que llega por unidad
de tiempo y área, a una superficie perpendicular a la dirección de propagación de
la radiación solar, ubicada a la distancia media de la tierra al sol, fuera de toda
atmosfera. Las mediciones de la constante solar aceptadas por el World Radiation
Center (WRC) establecen un valor de Gsc = 1367 W/m², teniendo en cuenta
además los valores para la constante solar realizadas por la NASA y ASTM en
1971 aceptan un valor de Gsc = 1353 W/m², lo que en conclusión no representa
una variación significativa entre ambos valores. Considerando recientes
mediciones y estadísticas, se ha podido determinar una desviación estándar de
1,6 W/m² y una desviación máxima de 7 W/m² y matemáticamente hablando hay
una diferencia del 1% entre el valor dado por la WRC y la NASA. [1]
Para estudios de ingeniería como es el caso de este trabajo, se considera que la
emisión de energía en el sol es constante.
1.1.2 RADIACIÓN NORMAL ESTRATERRESTRE
Es la radiación solar que incide en el límite de la atmosfera terrestre.
Esta radiación está sujeta a las variaciones geométricas y a las condiciones
físicas del Sol, considerando además que la órbita que describe la Tierra
alrededor del sol no es circular sino es una órbita cuasi elíptica, que, en los
primeros días de enero (3 enero) se encuentre la mínima distancia al sol
(Perihelio) con una radiación solar extraterrestre de 1398 W/m² y para los
primeros días de julio (4 julio) este en la máxima distancia al sol (Afelio) con una
radiación solar extraterrestre de 1310 W/m².
Lo que hace que la radiación extraterrestre sea máxima y mínima
respectivamente como se puede observar más detalladamente en la Figura 1.1.
Considerando que UA (Unidad Astronómica) es una unidad de longitud cuya
equivalencia es: 1UA = 1,495979 x 108 Km.
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4
Figura 1.1. Distancia Mínima y Máxima Tierra – Sol [2]
La ecuación que describe el flujo de energía sobre un plano normal a la radiación
solar extraterrestre a lo largo del año es:
÷ø
öçè
æ +=365
.360cos.033.01.
nGG scon (1.1)
Donde “Gon” es el flujo de la radiación solar extraterrestre, medida en un plano
normal a la radiación cuyas unidades son W/m² y “n” es el número de día del año,
que se da a conocer con exactitud en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Numero de día del año
MES “n” para el i-ésimo día del mes
Enero i
Febrero 31 + i
Marzo 59 + i
Abril 90 + i
Mayo 120 + i
Junio 151 + i
Julio 181 + i
Agosto 212 + i
Septiembre 243 + i
Octubre 273 + i
Noviembre 304 + i
Diciembre 334 + i
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1.1.3 RADIACIÓN SOLAR
Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol, similar a la
de un cuerpo negro que emite energía siguiendo la “Ley de Planck” a una
temperatura aproximada de 6000 ºK. La radiación solar de distribuye desde el
infrarrojo hasta el ultravioleta [3].
La radiación que emite el sol no es la misma que llega a la tierra debido a que
atraviesa la atmosfera terrestre, en donde ciertas ondas ultravioletas cortas son
absorbidas por los gases presentes en ésta principalmente el ozono y otros tipos
de ondas son reflejadas por las nubes.
En su paso a través de la atmosfera, parte de la radiación solar es atenuada por
dispersión y otra parte por absorción, y en función de cómo reciben la radiación
solar objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir los siguientes
tipos de radiación:
1.1.3.1 Radiación Directa
Aquella proveniente desde el Sol, pasa en línea recta a través de la atmosfera
terrestre y a su paso por esta no se difumina, desvía ni presenta reflexiones o
refracciones intermedias, llegando directamente a la superficie terrestre sin
cambio alguno en su trayectoria o dirección [3].
1.1.3.2 Radiación Difusa
Es la radiación que llega a la tierra después de interactuar con la atmosfera, en tal
grado que pierde su dirección original. El desvió que se produce en los rayos
solares, se produce por el choque directo de ciertas moléculas o partículas
contenidas en el aire. Por sus características esta radiación se considera
proveniente de todas direcciones, por ejemplo en un día nublado sólo existe
radiación difusa [3].
1.1.3.3 Radiación Terrestre, Reflejada o “Albedo”
Radiación procedente de reflexiones en el suelo, objetos, cuerpos u otras
superficies.
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El albedo es el porcentaje de radiación que todo tipo de superficie refleja respecto
a la radiación que incide sobre la misma, teniendo en superficies claras valores de
albedo superiores a superficies oscuras.
La influencia del albedo sobre la radiación incidente en un captador de energía
suele ser despreciable, y supone pequeñas ganancias de energía en casos
especiales (superficies claras o brillosas alrededor del sistema o equipo).
1.1.3.4 Radiación Total
La radiación total es la suma de las radiaciones directa, difusa y terrestre, que
inciden sobre una superficie. Cabe tomar en consideración que en ciertas
referencias, consideran como Radiación Global a la suma de las radiaciones
Directa y Difusa [3]. Figura 1.2.
Figura 1.2. Radiación Total [4]
1.1.4 IRRADIANCIA
Para dar a conocer la potencia solar de cualquier radiación solar, se utiliza el
término irradiancia, que representa la rapidez de incidencia de energía radiante
sobre una superficie, por unidad de área, sus unidades W/m2. El símbolo utilizado
para denotarlo es “G”, así pues “Go”, “Gb”, “Gd” representan la irradiancia
extraterrestre, directa y difusa respectivamente. Considerando que la radiación es
un fenómeno que ocurre en el tiempo no es estático.
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1.1.5 IRRADIACIÓN O INSOLACIÓN
Se considera a la Irradiación como la cantidad de energía, por unidad de área,
que incide durante un período de tiempo dado. Las unidades empleadas son
kW.h/m2 o MJ/m2. Se utiliza o denota con “I” la insolación por hora y con “H” la
insolación que se presenta en el período de un día. Considerando que al incluir
los subíndices por ejemplo “H0” o “Ib” se habla de la irradiación extraterrestre en
un día y la irradiación directa en un hora respectivamente [5].
Matemáticamente la irradiación es la integral de finida en un intervalo de tiempo
de la irradiancia es decir:
ò=2
1
).()(
t
t
dttGtI (1.2)
1.1.6 DIRECCIONAMIENTO DE LA RADIACION SOLAR Y SUS
RELACIONES GEOMETRICAS [6]
Además de las condiciones atmosféricas, existen otros parámetros que afectan la
incidencia de la radiación sobre un una superficie captadora solar, entre éstos
están el movimiento aparente del sol a lo largo de un día y en el transcurso de un
año, tomando en consideración que la Tierra es la que realiza el movimiento, uno
de estos alrededor de su propio eje el cual da lugar al día y a la noche y otro
alrededor del sol siguiendo una trayectoria elíptica que da lugar a las estaciones
del año.
El flujo de energía sobre una superficie determinada, no sólo depende de la
irradiancia que exista, sino también de la orientación que tenga dicha superficie
respecto de la dirección de propagación de la radiación. De esta manera una
irradiancia máxima cuando la superficie este en dirección normal a la propagación
de la radiación “de frente”, y mínima cuando se encuentren paralelamente. La
intensidad de radiación de una superficie dependerá del ángulo que forme la
normal de la superficie, respecto de la dirección de propagación de la radiación, a
éste ángulo se le conoce como ángulo de incidencia θ. Por lo tanto la irradiancia
extraterrestre sobre un plano con cualquier inclinación será:
qcos.onot GG = (1.3)
-
8
Se tiene en cuenta que Gon se refiere a la irradiancia extraterrestre medida sobre
un plano normal a la dirección de propagación de la radiación con su definición
matemática citada en la Ec 1.1.
Se considera el movimiento aparente del sol anteriormente descrito el valor del
ángulo θ varía con la fecha y la hora, debido a la inclinación con respecto a la
horizontal y la latitud geográfica del lugar donde se encuentra el plano en
cuestión.
El sistema de coordenadas polares, es el más apropiado para definir e identificar
cada una de las posiciones que adopta el sol en el transcurso del día y año y su
movimiento aparente, los parámetros que debe conocerse son:
Ȉ (phi) Latitud Geográfica, posición angular del lugar donde se encuentra el plano
o colector solar en cuestión, respecto del Ecuador terrestre, positivo hacia el
hemisferio sur y negativo hacia el hemisferio norte -90º ≤ Ȉ ≤ 90º.
δ (delta) Declinación Solar, posición angular del sol al mediodía con respecto al
plano ecuatorial, positivamente en el hemisferio norte, varía entre: -23.45º ≤ δ ≤
23.45º, correspondientes al solsticio de invierno y verano respectivamente.
β (beta) Inclinación de la Superficie, ángulo entre la superficie en consideración
y la horizontal, varía entre: 0º ≤ β ≤ 180º.
ɣ (gamma) Ángulo acimutal de la superficie, es el ángulo que forma la proyección
de la normal a la superficie, respecto del meridiano local. ɣ = 0 corresponde al sur,
valores positivos hacia el Oeste y negativos hacia el Este -180º ≤ β ≤ 180º.
ω (omega) Ángulo horario, es el desplazamiento angular del sol, al este o al
oeste del meridiano local, debido a la rotación de la tierra con una velocidad
angular de 15º por hora, negativo por la mañana y positivo por la tarde. El
mediodía solar corresponde por definición a ω = 0º. Cabe recalcar debido al
posicionamiento que toma el sol al norte en primavera y al sur en otoño, la salida
y la puesta del sol no corresponden, en general a ω = -90º y ω = 90º
respectivamente, esto únicamente sucede en los equinoccios en cualquier latitud
y en el ecuador en cualquier fecha.
-
9
θ (tetha) Ángulo de incidencia, aquel ángulo entre los rayos solares que inciden
sobre la superficie y la normal de la superficie.
Adicionalmente para un estudio mayormente detallado acerca de la trayectoria
solar se define los siguientes ángulos y relaciones geométricas:
θz Ángulo zenital, es el ángulo entre la vertical y la línea solar 0º ≤ θz ≤ 90º.
αs Ángulo de altitud solar, es el complemento del ángulo zenital.
ɣs Angulo acimutal solar, la desviación de la proyección de la radiación directa del
meridiano local. Las consideraciones son iguales al ángulo ɣ.
A continuación se muestra gráficamente los ángulos y relaciones geométricas
antes descritas en la Figura 1.3.
-
10
Figura 1.3. Trayectoria Solar y Relaciones Geométricas Principales [6]
1.2 RECURSO SOLAR EN EL ECUADOR
Ecuador se encuentra ubicado en una región privilegiada en lo referente al
recurso y energía solar, así lo demuestran datos de mediciones acerca de la
radiación solar en el país a lo largo del año, presentados en el Atlas Solar del
Ecuador, que se da a conocer en la Tabla 1.2.
Tabla 1.2. Radiación solar promedio en el año en Ecuador
Radiación Directa
Wh/m²/día
Radiación Difusa
Wh/m²/día
Radiación Global
Wh/m²/día
2543.01 2737.05 4574.99
Considerando que el proyecto será implementado en la ciudad de Quito, los
valores de radiación solar promedio incrementan con respecto al resto del país,
esto se puede observar en la Figura 1.4.
(a) Radiación Directa (b) Radiación Difusa
-
11
(c) Radiación Global
Figura 1.4. Radiación Directa Difusa y Global Promedio Provincia de Pichincha [7]
1.3 CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
El sol es una fuente de energía limpia e inagotable que el hombre la puede
aprovechar para múltiples usos, en toda la superficie terrestre ya sea de forma
directa o indirecta, natural o artificialmente. En la Figura 1.5 se observan las
utilidades de la captación de energía solar.
CAPTACIÓN TERMICA
CAPTACIÓN FOTONICA
PASIVA
ACTIVA
CAPTACIÓN
FOTOVOLTAICA
CAPTACIÓN
FOTOQUÍMICA
ARQUITECTURA SOLAR PASIVA
SOLAR
TÉRMICA
BIOMASA
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
FOTOQUÍMICA
ENERGIA SOLAR
DIRECTA
Figura 1.5. Captación de Energía Solar
El presente tema de estudio aborda, principalmente el tema relacionado con la
Energía Solar Directa, que, gracias a la Captación Térmica Activa, permite
concentrar grandes cantidades de temperaturas y calor, para la evaporación y
futura purificación de agua en el destilador solar mediante un concentrador
cilíndrico solar, y la Captación Fotónica, a través de Paneles Fotovoltaicos que
permiten transformar la Energía Solar en electricidad para la alimentación en
fuentes y sistemas de control del sistema.
1.3.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Se basa en la captación de la energía solar y su transformación en energía
eléctrica por medio de sistemas o módulos fotovoltaicos.
-
12
Un sistema solar fotovoltaico está conformado por paneles solares encargados de
la captación de la radiación solar y un conjunto de dispositivos cuya función es
convertir la energía solar en energía eléctrica para una determinada aplicación.
Los sistemas o instalaciones fotovoltaicas se clasifican en dos grupos: Sistemas
Fotovoltaicos conectados a la red eléctrica y los sistemas aislados de la red
eléctrica, siendo este último el que se ha empleado en este trabajo.
Las instalaciones aisladas de la red eléctrica usan la captación de la energía solar
por medio de los paneles solares, la transforman en energía eléctrica y
posteriormente la almacenan en baterías, las cuales alimentan y cubren pequeñas
cargas y demandas en el mismo lugar donde se generan.
En la Figura 1.6 se muestran los componentes de un sistema fotovoltaico aislado
de la red eléctrica.
Figura 1.6. Sistema Fotovoltaico aislado de la red eléctrica [8]
-
13
Un sistema solar fotovoltaico no siempre consta de todos los componentes
descritos anteriormente, ya que principalmente depende del tipo de cargas y
demandas (AC o DC) para el cual fue diseñado.
1.3.1.1 Paneles Solares
Para la obtención de electricidad a partir de la radiación solar se emplean paneles
solares, los cuales emplean el principio fotovoltaico para hacerse con este fin.
1.3.1.2 Principio Fotovoltaico
Proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en
electricidad. De acuerdo a la teoría física de la Luz, ésta se encuentra formada de
partículas denominadas fotones, que trasportan todo tipo de radiaciones
electromagnéticas emitidas por el sol que al chocar contra la superficie de una
célula fotovoltaica, éstos pueden ser reflejados o absorbidos, si el fotón es
absorbido, la energía de éste se transfiere al electrón de un átomo de la célula
fotovoltaica escapando de su posición normal para pasar a formar parte de una
corriente en un circuito eléctrico generando así electricidad.
1.3.1.3 Celdas Solares
Elemento encargado de transformar la energía solar en electricidad, cada celda
en promedio produce 0,4 a 0,5 V aproximadamente.
Las celdas solares están formadas por materiales semiconductores combinados
con impurezas (dopados), los mismos que permiten una eficiencia aceptable de
conversión de energía luminosa a eléctrica.
En la Figura 1.7 se observa dos capas semiconductoras tipo “p” y tipo “n” que
conforman una celda solar, así como, el efecto fotovoltaico.
-
14
Figura 1.7. a) Composición de una Celda Solar y b) Principio Fotovoltaico [9]
Los materiales comúnmente utilizados en la construcción de celdas solares son:
Silicio, Sulfuro de cadmio, Sulfuro de cobre, Arsénico de Galio, Teluro de Cadmio
y Di Seleniuro de Indio-Cobre.
Las celdas conectadas unas con otras, encapsuladas y montadas sobre una
estructura de soporte, conforman un módulo fotovoltaico o panel solar. Los
módulos están diseñados para suministrar energía eléctrica a un determinado
voltaje, generalmente a 12 o 24 Vdc.
Dependiendo de la carga a alimentar, un módulo puede ser insuficiente, por lo
cual se conectan varios módulos ya sean en paralelo o en serie dependiendo de
los requerimientos de corriente y voltaje respectivamente dando lugar a los
conocidos generadores fotovoltaicos.
Figura 1.8. Celda, Panel y Generador Solar [10]
1.3.1.4 Regulador de Carga
-
15
Es el elemento que regula el paso y circulación de la corriente desde los paneles
hacia la batería. Éste corta el paso de la energía cuando la batería se encuentra
completamente cargada, evitando de esta manera daños o problemas por
sobrecargas. El regulador en todo momento sensa el estado de carga de la
batería con la finalidad de actuar adecuadamente.
Este dispositivo también permite eliminar el retorno de corriente desde las
baterías hacia los paneles solares, mediante diodos de protección.
Figura 1.9. Regulador de Carga del Sistema Fotovoltaico [11]
1.3.1.5 Batería
Elemento encargado de almacenar energía proveniente de los paneles solares,
que permite solventar y ofrecer una disponibilidad de energía de manera uniforme
durante todo momento.
Las baterías mayormente empleadas en sistemas solares fotovoltaicos son las de
ciclo profundo, que almacenan la energía eléctrica proveniente de los paneles por
medio de procesos electroquímicos, además que soportan ciclos de descargas
profundas sin sufrir daño alguno, considerando además que las baterías de ciclo
profundo están diseñadas para proveer una cantidad máxima de corriente durante
un largo periodo de tiempo, su ciclo de vida es de 5 y 8 años de acuerdo al
mantenimiento; además de las características siguientes:
· Permiten una mayor profundidad de descarga y un alto valor de ciclos.
· Permiten una profundidad de descarga del 80%, a niveles de corriente
moderados, de aquí su nombre de ciclo profundo.
-
16
· Mientras más robusta sea la batería, presentará mayor número de ciclos
de carga y descarga.
Figura 1.10. Batería [12]
1.3.1.6 Inversor
La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a
un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con magnitud y frecuencia
requeridas.
Figura 1.11. Inversor [13]
1.3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Se entiende por energía solar térmica, la transformación de la energía radiante del
sol en calor o energía térmica de forma limpia, el cual es utilizado para calentar un
determinado fluido o sistema
Los sistemas de energía solar térmica disponen de elementos denominados
concentradores o colectores solares los cuales pueden ser de baja mediana y alta
temperatura dependiendo de la aplicación para la cual serán desarrollados.
-
17
1.3.2.1 Concentradores Solares [14]
El elemento que permite absorber la energía incidente en el sistema es el
“captador solar”, el cual puede ser entendido como un tipo particular de
intercambiador de calor que intercepta la energía radiante del sol, la transforma
en energía térmica y la transfiere a un fluido (agua, aceite, etc.) circulante por su
interior que actúa como “fluido portador” de la energía térmica.
De forma genérica, un captador solar está constituido en esencia por un
absorbedor que recoge la energía solar, una cubierta transparente y un tubo o
tubos por los que circula el fluido termo-portador.
Figura 1.12. Esquema Básico de un Colector Solar [14]
El absorbedor es el elemento más importante del sistema captador, pues es el
encargado de recibir y absorber primero la radiación solar y transformarla
después en radiación térmica, de forma que por conducción esta energía se
transfiera al fluido circulante.
1.3.2.1.1 Clasificación de los Colectores Solares
Existen muchos tipos de colectores solares térmicos que, aunque en base tengan
el mismo principio, tienen características diferentes. Por ello se pueden clasificar
de varias formas que se describen a continuación:
En función del aprovechamiento solar:
-
18
Ø Estacionarios.- Su funcionamiento se basa en la energía solar global.
Ø Seguidores.- Los cuales requieren de la radiación solar directa, para lo
cual necesitan un sistema de seguimiento solar a lo largo del día, pudiendo
subdividirse estos en “absorbedores tubulares” y “absorbedores puntuales”.
En función de la temperatura del fluido:
Ø Temperatura (30ºC – 100ºC).- Se consigue con colectores solares planos.
Sus aplicaciones están en calentamiento de agua sanitarias, de piscinas,
calefacción, secado, desalinización y destilación. Este tipo de
concentradores requieren de apoyo de energía eléctrica u otros para su
funcionamiento normal y continuo.
Ø Temperatura (100ºC – 400ºC).- Se alcanza con concentradores lineales o
esféricos y se usan en procesos industriales, en refrigeración, procesos
químicos y desalinización.
Ø Temperatura (400ºC – 3000ºC).- Dichas temperaturas se alcanzan
gracias a concentradores puntuales como los discos parabólicos y los
campos de heliostatos o centrales de torre. Su aplicación está en centrales
foto térmicas, fotovoltaicas y fotoquímicas, también en hornos solares para
tratamientos térmicos e investigación de materiales.
En función de la razón de concentración:
La razón de concentración superficial denotada por “C” se define como el
cociente del área de apertura del concentrador entre el área de absorción del
receptor.
absorcióndeÁrea
aperturadeÁreaC =
Colectores no concentradores.- Ideales para aplicaciones de baja
temperatura donde no se requiere concentración, aquí C=1.
-
19
Colectores concentradores.- Se emplean para obtener temperaturas medias
o altas, estos a su vez se pueden subdividir de acuerdo a la geometría del
absorbedor (concentrador lineal o puntual) y la forma de concentración
(reflexión o refracción).
En la Tabla1.3 se muestran los diferentes colectores en función de la razón de
concentración, y el rango de temperatura de trabajo.
Tabla 1.3. Clasificación de los concentradores solares [14]
-
20
1.3.2.1.2 Colector Cilíndrico Parabólico (CCP)
Los CCP´s son captadores concentradores solares de foco lineal, que
transforman la radiación solar directa en energía térmica, gracias al calentamiento
de un fluido de trabajo que puede llegar hasta los 400 ºC en casos muy
favorables. Por tanto, están englobados dentro de los colectores solares de media
temperatura.
Figura 1.13. Diagrama de un CCP [14]
Entre los elementos que conforman un Colector Cilíndrico Parabólico se tiene:
ü El Reflector Cilíndrico Parabólico.- Su objetivo es la de reflejar y concentrar
sobre el Receptor la radiación solar directa incidente sobre la superficie. A
grandes rasgos es un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una
parábola, de forma que concentra sobre su línea focal toda la radiación
reflejada.
ü El tubo de absorción o Receptor.- Es un elemento fundamental en un CCP,
pues el rendimiento global del colector depende en gran parte de la calidad
termodinámica del absorbente. Puede constar de un solo tubo o de dos tubos
-
21
concéntricos. En este último caso, el tubo interior es metálico de elevada
absorbidad (>90%) y de baja emisividad (
-
22
1.4 EL AGUA
El agua es un compuesto químico, formado por dos átomos de hidrógeno (H) y
uno de oxigeno (O), al mismo tiempo que constituye el líquido más abundante en
la Tierra, representa el recurso natural más importante y la base de toda forma de
vida.
El agua puede considerarse un recurso renovable cuando se controla y supervisa
adecuadamente su uso, tratamiento, liberación y circulación, caso contrario es un
recurso no renovable en una localidad determinada.
1.4.1 PURIFICACIÓN DE AGUA
Agua contaminada es aquella que presenta una o varios elementos que lo hacen
indeseable para su consumo, en la eliminación de todos estos elementos consiste
la purificación del agua, utilizando uno o varios métodos que a continuación se
detallan:
Ø Filtración: Tratan el agua pasándola a través de materiales granulares o
porosos (arena, etc.) que retiran y retienen los contaminantes (protozoos,
bacterias y virus).
Ø Sedimentación: Consiste en dejar el agua de un contenedor en reposo,
para que los sólidos que poseen se separen y se dirijan al fondo,
esencialmente la sedimentación se fundamenta en la acción de la
gravedad.
Ø Adsorción: Es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato)
es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente).
Uno de los materiales comúnmente utilizados para este tipo de
procedimientos es el carbón activado que permite eliminar contaminantes
orgánicos del agua y aire.
Ø Destilación: La destilación consiste en evaporar el agua, por medio de
una fuente de energía (sol, vapor, etc.), para luego nuevamente
condesarla y recolectar el destilado.
-
23
Ø Oxidación Biológica: Este procedimiento permite eliminar la materia
orgánica del agua contaminada por medio de organismos denominados
saprofitos que consumen y degradan residuos orgánicos denominados
detritos.
Ø Desinfección: Procedimiento mediante el cual se añaden sustancias
químicas al agua por ejemplo el cloro para eliminar agentes patógenos y
purificarla.
1.5 DESTILACIÓN SOLAR
Proceso físico que consiste en la evaporación del agua debido al aumento de
temperatura en ésta, gracias a la energía recibida por una fuente externa, en este
caso el Sol, el vapor de agua resultante asciende debido a su densidad menor a
la del aire circundante, éste vapor de agua choca con una superficie más fría que
es el vidrio que cubre al destilador solar, produciéndose la condensación y
formación de gotas de agua que se acumulan y deslizan a través de la pendiente
del cobertor de vidrio hasta un canal de recolección del destilado.
Este proceso quita las sales, elimina residuos de hongos, bacterias, virus y demás
contaminantes, obteniendo agua apta para consumir.
1.5.1 DESTILADOR SOLAR
Un destilador solar es un sistema que permite reproducir de manera acelerada
los ciclos naturales de la evaporación y condensación del agua.
Figura 1.15. Destilador Solar [15]
-
24
Un destilador solar está constituido por:
ü Colector Solar
ü Evaporador
ü Cámara de aire
ü Condensador
ü Elementos para la recolección de condensado.
1.5.1.1 Tipos de Destiladores Solares
En la Tabla 1.4 se presentan los diferentes tipos de destiladores solares en base
a su forma.
Tabla 1.4. Tipos de Destiladores Solares
TIPO
DESCRIPCIÓN
IMAGEN
Destilador
Solar de una
Vertiente
Consta por una caja cubierta por un cristal
inclinado. Está dividida en dos
compartimientos, una con fondo de color
negro donde se coloca el agua a destilar y
otra, el receptáculo donde se recoge el
agua destilada.
Destilador
Solar de dos
Vertientes o
tipo Caseta
Consiste en una caseta de material
semitransparente, generalmente vidrio,
que se coloca sobre una bandeja que
contiene agua a destilar. La radiación del
sol evapora el agua, que se condensa en
el panel transparente, se deslizan y
precipitan hacia un depósito obteniendo
agua pura.
-
25
Destilador
Solar de
Invernadero
Son estructuras de invernadero que en su
interior alberga un estanque de agua, de
color negro y de poca profundidad. El
agua evaporada se condensa en las
paredes del invernadero y se desliza hacia
los receptáculos ubicados en la base de
las paredes. Es un modelo de gran
tamaño y capacidad.
Destilador
Solar de
Cascada
Consta de un par de gradas que disponen
de estanques con fondo de color negro,
llenos de agua para destilar, cubiertos por
un vidrio o superficie transparente en
donde se condesa y precipita el agua
purificada, que va hacia los receptáculos
Destilador
Solar esférico
Consta de una esfera de material
transparente, una bandeja con fondo de
color obscuro en la parte central donde se
coloca el agua a destilar y una barredera
en el interior, movida o accionada
mediante un motor que recoge el agua
destilada.
1.6 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL DESTILADOR SOLAR
El Destilador Solar tipo caseta es una de los más difundidos a nivel mundial, y
presenta una rendimiento aproximado del 23%, tiene bajos costos de fabricación y
buenas condiciones de mantenimiento, por lo cual es el seleccionado para la
implementación en el sistema purificador, cuyo análisis termodinámico se detalla
a continuación: [16]
-
26
Figura 1.16. Destilador Solar [17]
Tomando en consideración el principio de conservación de la energía se tiene:
ENERGÍA ENTRA - ENERGÍA SALE = ENERGÍA ALMACENA
1.6.1 CALOR ALMACENADO EN EL INTERIOR POR EL AGUA
El calor almacenado en el interior del Destilador Solar por el agua y por medio de
la ecuación que rige la conservación de la energía [16], se describe por:
)()1(*)1(*' qcqeqcwqrwagGsaq +++---= aa (1.4)
Donde:
:'aq Calor almacenado en interior.
:Gs Radiación solar que incide sobre el destilador.
ga : Factor de reflexión y absorción en el vidrio.
aa : Factor de reflexión y absorción en el agua y fondo del destilador.
:Gs Radiación solar que incide sobre el destilador.
Calor perdido por radiación del agua.
-
27
:qrw Calor perdido por radiación del agua.
:qcw Calor perdido por convección natural.
:qe Calor transferido por evaporación.
:qc Calor perdido por conducción.
1.6.2 CALOR ALMACENADO POR LA CUBIERTA
Se encuentra descrito por la ecuación [16]:
)(*' qcvqrvGsgqeqcwqrwcq +-+++= a (1.5)
Donde:
:'cq Calor almacenado por la cubierta.
:qrv Calor perdido por radiación del vidrio.
:qcv Calor perdido por convección del vidrio.
1.6.3 CALOR ALMACENADO POR EL SISTEMA
La cantidad de calor absorbido por el Destilador Solar viene dado como
consecuencia de la suma del calor almacenado en la cubierta y el calor
almacenado por el agua [16], es decir:
aqcqqt '' +=
)(*)1(*)1(* qcqcvqrvGsgagGsqt ++-+--= aaa (1.6)
Se detalla a continuación cada uno de los términos que se encuentran descritos
en la ecuación anterior.
1.6.3.1 Calor perdido por conducción (qc)
-
28
Es la cantidad de calor que se pierde por conducción a través de la base y de las
paredes del destilador [16], está definida por:
)(* TaTwKbqc -= (1.7)
Donde:
:qc Calor perdido por conducción úû
ùêë
é2m
w
:Kb Resistencia térmica equivalente del aislante úû
ùêë
éKm
w
.2
:Tw Temperatura media del agua [ ]K
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
Para el cálculo de la resistencia equivalente del aislante se emplea la siguiente
ecuación:
hctq
Kb1
Re
1
+= (1.8)
Donde:
:Req Resistencia equivalente de los materiales úû
ùêë
é
w
Km .2
:hct Coeficiente de transferencia de calor convectivo úû
ùêë
éKm
w
.2
Para determinar la resistencia térmica equivalente de las paredes aislantes se
emplea la siguiente ecuación:
-
29
3
3
2
2
1
1Re
K
X
K
X
K
Xq ++= (1.9)
Donde:
:Req Resistencia térmica equivalente úû
ùêë
é
w
Km .2
:3,2,1 XXX Espesores de los materiales [ ]m
:3,2,1 KKK Coeficientes de transferencia de calor por conducción. úû
ùêë
éKm
w
.
Para realizar el cálculo del coeficiente de transferencia de calor convectivo hay
que considerar la velocidad del viento presente en el lugar donde se utilizará el
Destilador Solar como lo indica la siguiente fórmula:
whct 38.2 += (1.10)
Donde:
:hct Coeficiente de transferencia de calor convectivo úû
ùêë
éKm
w
.2
:w Velocidad promedio del viento en el área de influencia úû
ùêë
és
m
1.6.3.2 Calor perdido por convección del vidrio (qcv)
Al existir una diferencia de temperatura en el interior del líquido o un gas, es casi
seguro que se producirá un movimiento en el fluido. Dicho movimiento transfiere
calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección [16].
-
30
Por efectos de la velocidad del viento y a la diferencia de temperatura del vidrio y
el aire existe perdida de calor por el efecto combinado de la conducción y la
convección que está dada por:
)(* TaTvhcvqcv -= (1.11)
Donde:
:qcv Calor perdido por convección del vidrio úû
ùêë
é2m
W
:hcv Coeficiente de transferencia de calor convectivo del vidrio úû
ùêë
éKm
W2
:Tv Temperatura del vidrio [ ]K
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
1.6.3.3 Calor perdido por radiación del vidrio (qrv)
La pérdida de calor por radiación en la superficie del vidrio se calcula mediante la
ecuación basada en la ley de Stefan Boltzman [16]:
)(** 44 TsTvvqrv -= se (1.12)
Donde:
:qrv Calor perdido por radiación del vidrio úû
ùêë
é2m
W
:ve Emitancia del vidrio.
:s Constante de Stefan Boltzman úûù
êë
é42 Km
W
:Tv Temperatura del vidrio [ ]K
:Ts Temperatura del cielo [ ]K
-
31
Se considera el cálculo de la temperatura del cielo la fórmula [16]:
25.0
250
2738.0 úû
ùêë
é -+=Tdp
TaTs (1.13)
Donde:
:Ts Temperatura del cielo [ ]K
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
:Tdp Temperatura de rocío [ ]K
La temperatura de rocío mediante la ecuación [16]:
110)110(*100
8 -+= TaH
Tdp (1.14)
Donde:
:Tdp Temperatura de rocío [ ]K
:H Humedad relativa del ambiente
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
Expresando en función del área de concentración del Destilador Solar, se obtiene
que la capacidad de calor almacenada por el prototipo es:
AqtQT *= (1.15)
Donde:
:QT Calor absorbido por el sistema úûù
êë
é -día
hW
-
32
:A Área del destilador solar [ ]2m
1.6.4 CANTIDAD DE CALOR NECESARIO PARA CALENTAR Y EVAPORAR
Se requiere calcular la cantidad de calor necesaria para calentar el vidrio y el
agua, considerando en esta última la posibilidad de alcanzar su evaporización.
1.6.4.1 Calor necesario para calentar el vidrio (Qv) [16]
El calor necesario para calentar el vidrio viene dado por:
)(** TaTvCpvmvQv -= (1.16)
Donde:
:Qv Calor necesario para calentar el vidrio úûù
êë
é -día
hW
:mv Masa del vidrio [ ]Kg
:Cpv Calor específico del vidrio úû
ùêë
é
KKg
J
.
:Tv Temperatura del vidrio [ ]K
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
La masa del vidrio se calcula por medio de:
EvAvvmv **r= (1.17)
Donde:
:mv Masa del vidrio [ ]Kg
:vr Densidad del vidrio úû
ùêë
é3m
Kg
:Av Área del vidrio [ ]2m
-
33
:Ev Espesor del vidrio [ ]m
1.6.4.1.1 Calor total para calentar el vidrio (Qcv) [16]
Viene dada por la ecuación:
QvAvqcvQcv += * (1.18)
Donde:
:Qv Calor necesario para calentar el vidrio úûù
êë
é -día
hW
:qcv Calor perdido por convección en el vidrio úû
ùêë
é2m
W
:Av Área del vidrio [ ]2m
1.6.4.2 Calor necesario para calentar el agua (Qca) [16]
Se requiere el dato de volumen en el destilador solar, el cual viene dado por las
dimensiones de la bandeja, con lo que se procede a determinar la masa de agua
(ms) que se colocará en el destilador a ser destilada y posteriormente purificada.
Por lo tanto el calor necesario para calentar el agua está determinada por:
)(** TaTwCpmsQca -= (1.19)
Donde:
:Qca Calor necesario para calentar el agua úûù
êë
é -día
hW
:ms Masa de agua [ ]kg
:Cp Calor específico del agua úû
ùêë
é
KKg
J
.
:Tw Temperatura media del agua [ ]K
-
34
:Ta Temperatura ambiente [ ]K
1.6.4.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua (Qev) [16]
Para que exista la evaporación del agua, el sistema debe alcanzar el cambio de
estado de fase, es decir, debe tener cierta energía extra para que el sistema
pueda cumplir con esta función, así se calcula por:
l**msXQev = (1.20)
Donde:
:Qev Calor necesario para evaporar % agua úûù
êë
é -día
hW
:X Fracción o porcentaje de agua a evaporar (todo = 1)
:ms Masa de agua [ ]kg
:l Calor latente de evaporación de agua úû
ùêë
é
Kg
J
Por tanto la cantidad necesaria para calentar el vidrio, calentar el agua de la
bandeja y evaporar cierto porcentaje de la misma viene dada por:
QevQcaQcvQN ++= (1.21)
1.6.5 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR SOLAR [17]
La intensidad de la energía solar que cae sobre el destilador es el parámetro más
importante que afecta la producción de agua del destilador solar.
La eficiencia del destilador solar es la cantidad de energía utilizada en la
vaporización de agua en el destilador sobre la cantidad de incidencia de energía
solar en el destilador. Lo que puede expresarse de la siguiente manera:
%100*)(Gs
QeEficiencia = (1.22)
-
35
Donde:
:Q Energía total almacenada por el sistema
:Gs Radiación solar que incide sobre el destilador
Considerando la energía total almacenada en el sistema como:
QNQTQ += (1.23)
Donde:
:QT Calor absorbido por el sistema
:QN Calor necesario para calentar y evaporar
Debido a estudios y experiencias anteriores se puede determinar que el
rendimiento general de los destiladores solares tipo caseta son alrededor del
23%, con una producción o destilación por m² de alrededor de 3 a 5 litros diarios,
que son los valores que se considerará para el diseño en el presente proyecto.
Además se considera 5 horas de funcionamiento del equipo considerado como
promedio ya que se puede tener días nublados o días soleados por lo tanto se ha
realizado un promedio.
1.7 PURIFICACIÓN DE AGUA MEDIANTE RADIACIÓN
ULTRAVIOLETA
La radiación ultravioleta, llamada también luz UV, es un esterilizador natural. Está
ubicada en una región del espectro electromagnético que se haya ubicada entre
la luz visible y los rayos X, con longitud de onda entre 10nm y 400nm
(nanómetros).
La radiación ultravioleta está constituida de cuatro áreas:
-
36
· UV Vacío: (10 - 200 nm), Ozono.
· UV-C: (200 - 300 nm), Germicida, onda corta.
· UV-B: (280 - 315 nm), Eritema o golpe solar.
· UV-A: (315 – 400 nm), Luz negra, onda larga.
Figura 1.17. Espectro Electromagnético y Rayos UV [18]
La radiación UV-C es generada por el sol, pero no es manejable por el hombre,
por lo que debe ser producida artificialmente. Ella se genera mediante las
lámparas UV, conocidas como germicidas, que presentan una envoltura de
cuarzo puro. La luz UV es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco
fotovoltaico), a través de vapor de mercurio a baja presión, entre los electrodos de
la lámpara, produciendo la mayor parte de su emisión a 253.7 nanómetros, que
resulta letal para los microorganismos, virus y bacterias presentes en el medio a
desinfectar, ya que impacta directamente sobre su ADN.
El ADN, o ácido desoxirribonucleico, es responsables de dirigir las actividades
dentro de todas las células vivas. Todas las células deben tener ADN intacto para
funcionar correctamente. SU estructura es muy similar a una escalera que se ha
torcido de ambos extremos dando como resultado un aspecto espiral.
-
37
Figura 1.18. Microorganismos Expuestos a Luz UV [19]
Cuando los microorganismos son expuestos a una dosis adecuada de radiación
ultravioleta a 253.7nm de longitud de onda (UV-C), el ADN (ácido
desoxirribonucleico) de las células absorben los fotones UV causando una
reacción fotoquímica irreversible, la cual inactiva y destruye las células.
La propiedad que tiene el ADN, presente en el núcleo de las moléculas de todos
los microorganismos (bacteria, virus, hongos y quistes) de absorber la radiación
UV produce el efecto de rompimiento de las cadenas de los aminoácidos de
proteínas, causando una disrupción metabólica afectando su mecanismo
reproductivo y logrando así su inactivación, eliminando sus propiedades para
producir enfermedades y de crecimiento microbiológico. Uno de los principales
beneficios al aplicar luz UV con propósitos de desinfección es que no se utilizan
ningún tipo de químico para ello.
De todos los métodos de desinfección actual, la luz ultravioleta (UV) es el más
eficiente, económico y seguro. Más aún, su acción germicida se realiza en
segundos o en fracciones de éstos, además es ambientalmente el método más
adecuado, utilizado mundialmente a lo largo de varias décadas. La luz UV se
produce naturalmente dentro del espectro electromagnético de las radiaciones
solares en el rango comprendido entre 200 y 300 nanómetros (nm) conocido
como UV-C, el cual resulta letal para los microorganismos.
-
38
1.7.1 DOSIFICACIÓN [20]
Para desinfectar o esterilizar a los microorganismos presentes en el agua a tratar,
es necesario aplicar cierta dosis de radiación ultravioleta. Cuantitativamente esta
dosis se obtiene por el producto entre la intensidad y el tiempo de reacción.
D = I x t [µWseg/cm²] (1.24)
Donde:
D: Dosis
Intensidad (I): Es la cantidad de energía UV por unidad de área medida en micro
watts por centímetro cuadrado.
Tiempo de reacción (t): Es la cantidad de tiempo que el fluido es expuesto a la luz
UV, medido en segundos.
Adicionalmente se debe conocer el flujo de agua con el que se va a trabajar, de
esto dependerá la cantidad de lámparas de radiación UV.
Los estándares de desinfección para luz UV están basado en los estatutos de
1966 del Departamento de salud y Bienestar de Estados Unidos, los cuales
indican que el equipo de desinfección UV debe generar una dosis de al menos
16.000 [µWseg/cm²].
Actualmente los fabricantes aseguran que sus unidades producen una dosis de
entre 16.000 a 300.000 [µWseg/cm²] a diversas transmitancias.
CAPÍTULO 2
DESARROLLO DEL HARDWARE
En este capítulo se detalla todo lo referente al diseño e implementación del
prototipo purificador de agua, comenzando con el Destilador Solar y en base a
esto se diseñará el Colector Cilíndrico Parabólico y su posterior plataforma
-
39
mecánica, así como se detalla el hardware eléctrico - electrónico empleado para
su automatización.
2.1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO
2.1.1 DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DEL DESTILADOR SOLAR
El diseño del Destilador Solar, se basa principalmente de estudios anteriormente
realizados, del cual se han tomado ciertos valores, parámetros o mediciones
como verdaderos, adicionalmente se ha seleccionado el Destilador Solar tipo
caseta por ser uno de los más difundidos a nivel mundial y el cual presenta una
eficiencia aceptable (23%), bajos costos y buenas condiciones de mantenimiento,
adicionalmente la inclinación para la cubierta o vidrios se ha considerado en 30º,
ángulo en el cual las pérdidas por radiación son menores, permite mayor
concentración y acumulación de energía en forma de calor en el interior del
Destilador, además la difusión es menor y permite el deslizamiento de las gotas
de agua formada en la cubierta sin que vuelva a caer en la bandeja y es uno de
los modelas más difundidos a nivel mundial.
El diseño comienza asumiendo un área para el Destilador Solar de 0.5 m² de
superficie, ya que estudios anteriores afirman que por cada m² en un Destilador
se produce alrededor de 3 a 5 litros de agua diariamente, por lo tanto el sistema
descrito en éste proyecto no se enfoca a la cantidad de agua a conseguir, sino de
la calidad y que se obtenga agua purificada y apta para consumo humano, así
que las consideraciones iniciales anteriormente descritas son suficientes para
empezar con la construcción del Destilador Solar.
-
40
Figura 2.1. Destilador Solar [21]
En primer lugar se considera la cantidad de radiación solar existente en este país
específicamente en la ciudad de Quito, donde se implementará el sistema
purificador de agua, en base a los datos recogidos del Atlas Solar del Ecuador [7],
se presenta los datos de radiación solar a continuación.
Tabla 2.1. Cantidad de radiación solar en Quito [kwh/m²/día]
ENERO 4.41
FEBRERO 4.48
MARZO 4.66
ABRIL 4.36
MAYO 4.28
JUNIO 4.14
JULIO 4.31
AGOSTO 4.62
SEPTIEMBRE 4.97
OCTUBRE 4.89
NOVIEMBRE 4.94
DICIEMBRE 4.84
-
41
Para consideraciones de diseño se toma el valor mínimo de Radiación Solar Total
(Gs) de la Tabla 2.1, la cual registra en el mes de junio 4.14 [kwh/m²/día],
teniendo en cuenta que está considerada, tanto la Radiación Directa como la
Radiación Difusa.
Por lo tanto:
Gs = 4140 úû
ùêë
é-
-
díam
hW2
Considerando la ecuación que rige la conservación de energía en un sistema
tenemos:
ENERGIA ENTRA – ENERGIA SALE = ENERGIA QUE SE ALMACENA
Figura 2.2. Destilador Solar [17]
Para poder realizar el balance de energía en el Destilador Solar se tomaran en
cuenta las ecuaciones de transferencia de calor asociada al equipo, descrita en el
capítulo 1.
En la tabla 2.2 se establecen los valores de las constantes utilizadas para esta
etapa de diseño.
-
42
Tabla 2.2. Valores de las constantes utilizadas en el diseño del destilador solar
CONSTANTE DESCRIPCIÓN VALOR ASIGNADO REFERENCIA
Ta Temperatura ambiente [ ]K289 INHAMI [22]
Tv Temperatura del vidrio [ ]K5.308 HUEZO
BAUTISTA
(2012) [16]
Tw Temperatura media del
agua [ ]K328
HUEZO
BAUTISTA
(2012) [16]
X1 Espesor acero inoxidable [ ]m003.0 Lamina de acero disponible
X2 Espesor caucho
(polímero) [ ]m004.0 Retazo de caucho
disponible
X3 Espesor acero inoxidable [ ]m001.0 Lamina de acero disponible
K1
Coeficiente de Conductividad térmica para el Acero inoxidable
úû
ùêë
éKm
W
.36.55
www.miliarium.com
[23]
K2
Coeficiente de Conductividad térmica para caucho (polímero)
úû
ùêë
éKm
W
.16.0
www.miliarium.com
[23]
K3
Coeficiente de Conductividad térmica para el Acero inoxidable
úû
ùêë
éKm
W
.36.55
www.miliarium.com
[23]
w Velocidad del viento
promedio úû
ùêë
és
m2.2
www.weather.com
[24]
Ɛv Emitancia del vidrio 8.0 MILLS
(1995) [25]
σ Constante de Stefan
Boltzmann úû
ùêë
é-42
8106697.5Km
Wx
MILLS
(1995) [25]
ρv Densidad del vidrio úû
ùêë
é3
2500m
Kg
INCOPRERA
(1999) [17]
Ev Espesor del vidrio [ ]m004.0 Mediciones realizadas
-
43
Cpv Calor específico del vidrio úû
ùêë
é
KKg
J
.750
INCOPRERA
(1999) [17]
Cp Calor específico del agua úû
ùêë
é
KKg
J
.4186
INCOPRERA
(1999) [17]
λ Calor latente de
evaporación del agua úû
ùêë
é
Kg
KJ2257
INCOPRERA
(1999) [17]
H Humedad relativa del
lugar 70%
www.weather.com
[26]
ga Factor de reflexión y
absorción en el vidrio 0.1 COOPER [27]
aa Factor de reflexión y
absorción en el agua 0.3 COOPER [27]
2.1.1.1 Calculo del calor total absorbido por el sistema (qt)
Se considera las ecuaciones (1.5) y (1.6) del capítulo 1 para el cálculo del calor
total almacenado o absorbido por el sistema, donde:
aqcqqt '' +=
Resultando finalmente:
)(*)1(*)1(* qcqcvqrvGsgagGsqt ++-+--= aaa
2.1.1.2 Calculo del calor perdido por conducción (qc)
Para el cálculo del calor perdido por conducción a través de las paredes del
equipo por unidad de área, se obtiene mediante las ecuaciones (1.7), (1.8), (1.9),
(1.10), anteriormente descritas en el capítulo anterior:
)(* TaTwKbqc -=
hctq
Kb1
Re
1
+=
-
44
3
3
2
2
1
1Re
K
X
K
X
K
Xq ++=
whct 38.2 +=
Reemplazando datos de la Tabla 2.2 se obtiene:
úû
ùêë
é=
W
Kmq
2
25.0Re úû
ùêë
é=Km
Whct
24.9 úû
ùêë
é=Km
WKb
281.2
Por lo tanto el calor perdido por conducción es:
díam
hWqc
-
-=
295.547
2.1.1.3 Calculo de calor perdido por convección del vidrio (qcv)
Para el cálculo del calor perdido por convección del vidrio se aplica la ecuación
(1.11) donde:
)(* TaTvhcvqcv -=
Considerando: úû
ùêë
é==Km
Whcvhct
24.9
Reemplazando datos que se asumen en la tabla 2.2 el calor perdido por
convección del vidrio es:
díam
hWqcv
-
-=
25.916
2.1.1.4 Calculo del calor perdido por radiación del vidrio (qrv)
Se emplea las ecuaciones (1.12), (1.13), (1.14) del capítulo anterior, para el
cálculo del calor perdido por radiación en el vidrio, descritas en el capítulo
anterior:
)(** 44 TsTvvqrv -= se
-
45
25.0
250
2738.0 úû
ùêë
é -+=Tdp
TaTs
110)110(*100
8 -+= TaH
Tdp
Reemplazando los valores que se asumen en la Tabla 2.2 resulta:
KTdp 51.283= KTs 84.276=
Por lo tanto:
díam
hWqrv
-
-=
205.727
Finalmente el calor absorbido por el sistema (qt) en función de los resultados
obtenidos, se presenta a continuación:
)(*)1(*)1(* qcqcvqrvGsgagGsqt ++-+--= aaa
díam
hWqt
-
-=
27.830
Adicionalmente considerando un tiempo de 5 horas al día que está en
funcionamiento el equipo destilador, ya que en este tiempo se recibe la mayor
cantidad de radiación solar por lo tanto se obtiene:
h
día
díam
hWqt
5
1*7.830
2 -
-=
214.166
m
Wqt =
Se puede obtener la capacidad de calor almacenada por el equipo, se obtiene
mediante la ecuación (1.15):
AbandejaqtQT *=
Área de la bandeja:
Largo: 1.23m Ancho: 0.40m
-
46
Área bandeja = 0.50 m²
Por lo tanto:
WQT 97.83=
2.1.1.5 Cantidad de calor necesario para Calentar y Evaporar
2.1.1.5.1 Calor necesario para calentar el vidrio
En primer lugar se calcula la cantidad de calor que se requiere para calentar el
vidrio, aplicando la ecuación (1.16) y (1.17):
)(** TaTvCpvmvQv -=
EvAvvmv **r=
Área del vidrio
Largo: 1.23 m Ancho: 0.23 m
2284.0 mAv =
La masa del vidrio será:
kgmv 84.2=
La cantidad de calor para el vidrio es:
día
hWQv
-= 54.11
Considerando las 5 horas de funcionamiento:
horas
día
día
hWQv
5
1*54.11
-=
WQv 31.2=
-
47
2.1.1.5.2 Calor necesario para calentar el agua
Para el cálculo del calor necesario para calentar el agua, se considera la ecuación
(1.19):
)(** TaTwCpmsQca -=
Entonces:
kg
WmsQca *07.9=
En función de la masa de agua a destilar (ms).
2.1.1.5.3 Calor necesario para evaporar X porcentaje de agua (Qev)
Para ésta operación se requiere de la ecuación (1.20):
l**msXQev =
X: Fracción de agua a evaporar (todo = 1)
Por lo tanto:
kg
WmsQev *39.125=
En función de la masa de agua a destilar (ms).
2.1.1.6 Cantidad de Agua a Destilar
Finalmente para calentar el vidrio, el agua de la bandeja y evaporar el 100% de
ésta, se realiza en siguiente análisis con la ecuación (1.21):
QevQcaQcvQN ++=
Además por la ecuación (1.18):
QvAvidrioqcvQcv += *
Entonces:
-
48
WQcv 13.23=
Por lo tanto:
msWQN *46.13413.23 +=
La eficiencia de un destilador solar está dada por la ecuación (1.22):
%100*Gs
Qe =
Donde la energía total almacenada es (1.23):
QNQTQ +=
Reemplazando se tiene:
msWQ *46.1342.106 +=
Despejando la masa de agua de la fórmula de la eficiencia se tiene:
hora
kgms 435.0=
Considerando las 5 horas de funcionamiento del equipo, se tiene una destilado
total de 2.18 kg de agua por día, aproximadamente 2.18 litros.
-
49
Figura 2.3. Implementación Destilador Solar
2.1.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COLECTOR CILÍNDRICO
PARABÓLICO (CPC)
Considerando las dimensiones, tanto de la estructura como del Destilador Solar
del Sistema Purificador y adicionalmente aspectos estéticos del mismo, y
considerando matemáticamente a una parábola con eje de simetría el eje y, se
estima y designa las siguientes dimensiones para el Colector Cilíndrico Parabólico
(CPC): longitud 1,12m, longitud del lado curvo 1,50m y una distancia focal o foco
de la de 0.55m. En base a éstas dimensiones se detalla y efectúa los cálculos
siguientes para el diseño completo de la parábola del CPC.
Figura 2.4. Especificaciones Parábola CCP [14]
En primer lugar se considera al origen de coordenadas (0,0) como el vértice de la
parábola y cuyo eje de simetría es el eje Y, adicionalmente el foco tiene una
longitud de 0.55m (55cm), por lo tanto:
La ecuación de la parábola con vértice en origen de coordenadas es:
pyx 42 = (2.1)
-
50
Donde:
p: distancia focal p = 0.55m
Por lo tanto la parábola será:
yx )55.0(*42 =
2.2)(
2xxfy ==
Además considerando las dimensiones dadas para el lado curvo y analizando
matemáticamente se tiene:
Figura 2.5. Lado Curvo Parábola CCP [14]
ò +=b
a
xfS )('1 (2.2)
El lado curvo del Colector Cilíndrico mide 1.50m por lo tanto S será 0.75m, y de la
ecuación planteada anteriormente, se encuentra la altura máxima (ymáx) y
longitud horizontal máxima de la parábola (xmax), a fin de dar mayor detalle, para
la construcción del Colector Cilíndrico Parabólico (CPC).
El límite a = 0, y el límite b desconocido, operando, sustituyendo y despejando b,
se obtiene el valor de la semiabertura (xmax).
2.2
2)('