INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE XALAPA

PROYECTO: EL USO Y APLICACIÓN DE ENERGIA TERMICA

MAESTRA: ZAYDE ISABEL FAJARDO JIMENEZ

INTEGRANTES:

MUNDO FELIPE EDUARDO

GARCIA HERNANDEZ JULIO CESAR

HERRERA AGUILAR ROBERTO CARLOS

ORTIZ LANDA IRVING JESUS

LAGUNES LOPEZ OSCAR

PACHECO DE LA CRUZ ANDRES

DELIMITACIÓN DEL TEMA

El campo en el que se desarrollara esta investigación se enfocara específicamente al comprendido por las zonas rurales de la ciudad de Xalapa y localidades vecinas en las cuales por falta de recursos o bien de fuentes de trabajo no siempre se cuenta con una fuente de combustible propia en este caso en particular gas. Esto ocasiona que la gente de las localidades ya mencionadas tenga que depender de la madera como principal combustible y así, participando en el proceso de deforestación en nuestro país el cual ya es un problema grave.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La energía térmica del sol puede ser utilizada para calentar agua a temperaturas inferiores a los 100ºC o para la calefacción de ambientes. El agua caliente para consumo doméstico ocupa el segundo puesto en el consumo de energía de una vivienda típica.

Este tipo de métodos de energía renovables nos ayudaría al ahorro de energía así también como a no contaminar nuestro medio ambiente que es un gran problema, con este tipo de energías ayudaríamos a econonomizar.

Las tecnologías solares termales de bajas temperaturas, y en especial las tecnologías que no generan electricidad se basan en los principios científicos del efecto invernadero para generar calor. La radiación electromagnética del sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra dentro de un colector y es absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez que la radiación es absorbida por las superficies dentro del colector, la temperatura aumenta. Este incremento en la temperatura puede ser utilizado para calentar agua, secar comida y granos, desalinizar agua o cocinar comida.

El problema es muy grave ya que día adía nosotros dañamos nuestro medio con el gas lp y por la tala de árboles, esto nos ayudaría a reducir la contaminación y no solo en esta zona sino en todo el mundo el problema esta en que tanto nosotros como las grandes empresas y nuestros gobernantes no hacen nada para no seguir dañando a nuestra naturaleza ya que es el medio en donde habitamos y que a nuestros hijos y demás les hará falta, porque día a días se va terminando. Esto se da en todo el mundo pero en este caso solo trataremos solo trataremos en las zonas rurales cercanas a Xalapa y en las zonas de bajos recursos de la misma, principalmente enfocados a la hora de cocinar los alimentos o bien calentar el agua para el aseo personal.

Como ya se mencionó anteriormente el problema que se abordara en este proyecto es el ocasionado por la falta de combustible en las zonas rurales y aledañas a la ciudad de Xalapa y el huso de leña como el principal combustible para calentar el agua destinada para el aseo personal y la cocción de sus alimentos.

La población mayormente afectada en este caso es la que comprende al grupo de desempleados o bien a los que viven en zonas rurales o de pobreza extrema así también como los que por causa de trabajos mal pagados no logran solventar el gasto ocasionado por la compra de combustible comercial, esto se debe a que nuestros gobernantes no apoyan a la población, a demás de que los algunos empleos son muy mal pagados. De este modo se ve afectada toda la población que se encuentra en los alrededores de los bosques, y no solo a ellos sino a todos

los que habitamos este planeta, pues en su búsqueda de combustible participan en la deforestación del país, y no solo del país sino de todo el planeta.

El efecto principal se da con el desgaste de la capa de ozono de ahí se derivan estos efectos que perjudican en todo el mundo, algunos de los efectos se dan cuando hay huracanes, enfermedades de piel, frentes fríos, mas calor, sequedad de agua, que nieve en primavera, principalmente los efectos se dan con el cambio climático que es el que nos a afectado dejando perdida de muertes en todo el planeta.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cómo abordar y enfrentar al problema de falta de combustible y deforestación que afecta al cambio climático?

JUSTIFICACIÓN

Actualmente este tipo de problemática es de suma importancia ya que de manera muy clara que por el hecho de la necesidad de encontrar de una manera rápida y eficiente un sustituto para los combustibles fósiles que a su vez que sirven de motor en este mundo tecnológico y globalizado en el que vivimos también forman parte de nuestra vida como uno de los principales agentes contaminantes que existen en nuestros tiempos, y nos solo buscar un sustituto sino buscar varios par que nuestro problema sea más chico por ejemplo las energías renovables son una de las que en nuestro pies se utilizan poco pero si nosotros junto con las empresas y gobiernos trabajáramos en equipo este país y no solo este país sino en todo el planeta fuera diferente, tal vez un ejemplo para nosotros es Europa en el cual varios países como España es uno de los que producen electricidad por medio de energía eólica es una de las mejores porque no dañan a nuestra naturaleza y que solo saben aprovechar a las corrientes de aire con los molinos de viento.

Los benefiados somos todos ya que seria por una parte ahorro de energía y por la otra menos contaminación a nuestro medio y esto nos beneficia. Así el desarrollo de esta investigación planea brindar algunos sustitutos potencialmente útiles para poder sustituir el uso de leña o bien otro sólidos para producir fuego para cocinar los alimentos o bien para el calentamiento del agua doméstica, y se pudiera hacer lo que a todo nos gusta economizar en cuanto en energía eléctrica como en el gas lp.

Como se podrá observar durante el proceso de desarrollo en esta investigación se podrá observar la importación y el impacto ambiental que ocasionaría una posible solución para el problema anteriormente planteado, así como ayudar alas personas de bajos recursos y a las personas que habitan en zonas rurales y al mimos planeta.

OBJETIVO GENERAL

Investigar y conocer la manera de cómo ayudará a nuestra población y de paso a nuestro planeta reduciendo el efecto invernadero, y esto que a su vez nos es más ayuda para nosotros que para nuestro planeta.

OBJETIVO ESPECIFICO

Conocer la forma de conocer como atrapar, producir, las diferentes formas para crear energía renovable y que a su vez ayudaríamos a toda la población cercana a esta ciudad.

HIPOTESIS

Seguir con el uso de combustibles derivados del petróleo agrava más el problema del cambio climático y que a su vez este nos afecta día a día.

INTRODUCCION

La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía térmica.

Según el enfoque característico de la teoría cinético-molecular, la energía térmica de un cuerpo es la energía resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes partículas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en términos absolutos, pero es posible, sin embargo, determinar sus variaciones. La cantidad de energía térmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto, una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.

Un símil hidráulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía térmica. Se dispone de dos recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso sólo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre sí mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.

En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo semejante, puesto que ésta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí.

La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquéllas no se igualen.Termoeléctricas de Combustibles Fósiles: Producen electricidad mediante la energía calorífica generada por la combustión de diesel, carbón, gas natural, combustóleo y otros aceites pesados.

Un ejemplo interesante es el de una planta generadora de energía, la energía química almacenada en el combustible, se transforma por combustión en energía térmica. La energía térmica cambia el agua líquida a vapor. La energía del vapor es transformada en parte en energía mecánica en la turbina. Esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica en el generador de corriente alterna. Esta última es transferida por los cables eléctricos en varios puntos en donde se usan para diferentes transformaciones. Nuestro entorno está basado económicamente en el suministro eléctrico y está vinculado a la transferencia y transformación de la energía, en la cual sin duda juega un papel clave en la transformación a otras formas previa a su generación y transferencia generalmente a distancias considerables.

Los procesos detallados de la digestión de alimentos es un asunto complicado, pero se realiza una transformación de la energía química localizada en los alimentos a energía térmica para mantener el cuerpo caliente y ene energía mecánica para que el cuerpo realice trabajo moviendo las diferentes partes del mismo como un todo. Hay también alguna transformación en energía eléctrica y otros tipos de energía química que permiten establecer comunicación entre las diferentes partes del cuerpo y facilita la función del sistema nervioso. Aquí de nuevo se involucra transferencia y transformación. Todos los procesos biológicos a través del dominio de los seres vivientes pueden ser interpretados en términos del concepto de energía.

Los vientos y los huracanes constituyen otro ejemplo de la transformación de energía térmica comunicada a la atmósfera a través de energía mecánica; los movimientos resultantes son amplificados por la transferencia de energía mecánica de la tierra en rotación. La energía también juega un papel característico en los terremotos. Cuando una masa de rocas se desliza a lo largo de una falla, la energía potencial es transformada en energía cinética o energía de movimiento, la cual produce cambios en las vecindades. La energía puede llegar a producir graves destrucciones cerca de la superficie y cerca de la fuente. Este fenómeno puede ser detectado a grandes distancias de la fuente por medio de instrumentos sensibles denominados sismógrafos. La propagación por ondas es un ejemplo muy importante de transferencia de energía, lo mismo que la luz y el sonido.

Como un ejemplo de la propagación por ondas es el caso de la energía transferida, que se recibe en cantidades relativamente grandes del sol a través de las ondas emitidas por este cuerpo caliente y luminoso, el cual es responsable por la existencia y mantenimiento de la vida en la tierra.

La tecnología moderna está diseñando continuamente equipos y nuevas formas de transferir y transformar la energía para obtener los requerimientos de una sociedad que aspira cada vez más a una mejor y mayor calidad de vida esta forma de transformación de la energía a ritmos muy rápidos a partir de combustibles fósiles y de la construcción de plantas, las cuales no solamente disminuye las reservas de combustibles sino que también interfieren con el ambiente, generando procesos de alteración. El rápido incremento de la población mundial produce mayores requerimientos de energía.

Capitulo I

¿Que es energia termica?

¿Qué es energía térmica?

Se denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor. Puede ser obtenida de la naturaleza o del sol, mediante una reacción exotérmica, como la combustión de algún combustible; por una reacción nuclear de fisión o de fusión; mediante energía eléctrica por efecto Joule o por efecto termoeléctrico; o por rozamiento, como residuo de otros procesos mecánicos o químicos. Asimismo, es posible aprovechar energía de la naturaleza que se encuentra en forma de energía térmica, como la energía geotérmica o la energía solar fotovoltaica.

La obtención de energía térmica implica un impacto ambiental. La combustión libera dióxido de carbono (CO2) y emisiones contaminantes. La tecnología actual en energía nuclear da lugar a residuos radiactivos que deben ser controlados. Además deben tenerse en cuenta la utilización de terreno de las plantas generadoras de energía y los riesgos de contaminación por accidentes en el uso de los materiales implicados, como los derrames de petróleo o de productos petroquímicos derivados

¿a qué se debe la energía térmica como se transfiere?

La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura.

La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.

La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol.

La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde. Si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy.

La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.

La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La

radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.

La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354 W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).

Según informes de Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.1

Energía proveniente del Sol

Aproximadamente la mitad de la energía proveniente del Sol alcanza la superficie terrestre.

La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de la atmósfera.2 Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio mientras que el resto es absorbida por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre está ocupado principalmente por luz visible y rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta. 3 La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la temperatura de éstas. El aire calentado contiene agua evaporada que asciende de los océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación atmosférica o convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se condensa formando nubes. El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones.  La energía solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C. Para la fotosíntesis de las plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce alimento, madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles.

Flujo Solar Anual y Consumo de energía humano

Solar 3,850,000 EJ 7

Energía eólica 2,250 EJ8

Biomasa 3,000 EJ9

Uso energía primario (2005) 487 EJ10

Electricidad (2005) 56.7 EJ11

Se estima que la energía total que absorben la atmósfera, los océanos y los continentes puede ser de 3.850.000 exajulios por año. En 2002, esta energía en un segundo equivalía al consumo global mundial de energía durante un año. La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa, lo que representa solo el 0,08% de la energía recibida por la Tierra. La cantidad de energía solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energía producida jamás por otras fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas natural.

Rendimiento

Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalina oscilan alrededor del 10%. Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15%. Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70% de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).

También la energía solar termoeléctrica de baja temperatura, con el sistema de nuevo desarrollo, ronda el 50% en sus primeras versiones. Tiene la ventaja que puede funcionar 24 horas al día a base de agua caliente almacenada durante las horas de sol.

Los paneles solares fotovoltaicos tienen, como hemos visto, un rendimiento en torno al 15 % y no producen calor que se pueda reaprovechar -aunque hay líneas de investigación sobre paneles híbridos que permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente. Sin embargo, son muy apropiados para instalaciones sencillas en azoteas y de autoabastecimiento-proyectos de electrificación rural en zonas que no cuentan con red eléctrica-, aunque su precio es todavía alto. Para incentivar el desarrollo de la tecnología con miras a alcanzar la paridad -igualar el precio de obtención de la energía al de otras fuentes más económicas en la actualidad-, existen primas a la producción, que garantizan un precio fijo de compra por parte de la red eléctrica. Es el caso de Alemania, Italia o España.

También se estudia obtener energía de la fotosíntesis de algas y plantas, con un rendimiento del 3%.

Según un estudio publicado en 2007 por el World Energy Council, para el año 2100 el 70% de la energía consumida será de origen solar.14 Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.15

Energía fototérmicaArtículo principal: Energía solar térmica

Los Sistemas fototérmicos convierten la radiación solar en calor y lo transfieren a un fluido de trabajo. El calor se usa entonces para calentar edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad, secar granos o destruir desechos peligrosos. Los Colectores Térmicos Solares se dividen en tres categorías:

Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65º C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor a 60º C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.

Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300º C. En esta categoría se tienen a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.

Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas mayores a los 500º C y se usan para generar electricidad y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas.

Capitulo II

Usos y aplicaciones de la energía térmica

Aplicaciones

La energía térmica posee un sinfín de aplicaciones pero se emplea principalmente para abastecer a los sistemas de calefacción y para proveer agua caliente a los sistemas sanitarios; los equipos domésticos de alta tecnología cuentan con un desarrollo fiable y económico, pueden funcionar a base de energía solar o de otras fuentes. En el primer caso no debemos depender únicamente de los días soleados ya que los equipos actuales cuentan con depósito y un sistema energético auxiliar en donde se almacena toda la energía recogida durante días lo que nos permite utilizarla luego durante la noche.

La cocina es otro de los lugares en donde se utiliza la energía térmica, siempre y cuando nos refiramos a las cocinas solares; en ellas se pueden cocinar la mayoría de los platos que haríamos con un horno convencional con la ventaja de que en una cocina solar obtenemos un plato de manera ecológica. El único inconveniente de estos dispositivos es que necesita de un período de tiempo mucho más extenso para que los alimentos alcancen las temperaturas de cocción. La energía térmica no se ha explotado convenientemente aún pero, de acuerdo a varios entendidos, este proceso no demorará mucho tiempo; son muchas las naciones que han presentado planes y proyectos para incursionar en este recurso aprovechando sus beneficios al máximo. Seguramente, en pocos años, encontraremos muchos más hornos y radiadores solares que hoy en día

Según la forma de recoger la radiación solar podremos obtener energía térmica o transformarla en electricidad, dependiendo de la tecnología utilizada en cada caso. El calor se logra mediante los captadores solares térmicos, mientras que la electricidad, por lo general, se consigue

a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación.

A día de hoy la mayor parte de los captadores solares instalados en el mundo tienen como finalidad la producción de agua caliente para uso doméstico. A esta aplicación se destinan los esfuerzos de la mayoría de los mercados nacionales importantes, aunque el tipo y el tamaño de las instalaciones, así como el porcentaje total de la demanda que cubre, varía en función de la zona del mundo a la que hagamos referencia.

El aporte de energía solar en sistemas de calefacción es el segundo en importancia; una aplicación que resulta especialmente interesante en países fríos y que se utiliza cada vez con mayor frecuencia tanto para viviendas familiares como para todo tipo de instalaciones colectivas.

Se trata de una opción cada vez más valorada en países como China, Australia, Nueva Zelanda o Europa, donde se entiende la edificación desde una perspectiva global en la que la energía solar puede ofrecer soluciones integradas en muy diversos ámbitos, y la calefacción constituye siempre un potencial muy atractivo.

Finalmente entre las aplicaciones de la energía solar térmica en el mundo cabe también destacar la climatización del agua para piscinas. Esta aplicación sigue teniendo gran importancia en países como Estados Unidos, Canadá, Australia y Austria, aunque en los últimos años ha perdido Energía Térmica en parte de su mercado, después de un periodo en el que se han registrado fuertes crecimientos.

Por lo que respecta al reparto de la energía solar térmica por países, el mercado mundial continua bajo el dominio de China. Se calcula que aproximadamente el 40% de los captadores solares colocados en el mundo se encuentran en este país. Después de alcanzar una gran aceptación en pequeños municipios durante las décadas de los años 80 y 90, la energía solar térmica en la República Popular China ha penetrado con fuerza en ciudades de medio y gran tamaño como Shangai o Tianjin. Hoy, 10 millones de familias disponen de agua caliente gracias al Sol, lo que supone un ahorro de 6,3 millones de toneladas de carbón al año, que evita la emisión de más de 13 millones de toneladas de CO2.

A China le siguen Japón, Turquía, Alemania e Israel con altos índices de crecimiento en los últimos años. Entre ellos, llama especialmente la atención el desarrollo de la energía solar en Israel, donde alrededor del 85% de las viviendas están equipadas con captadores solares térmicos, como resultado de una ley de hace 20 años que requiere que todos los edificios de menos de 20 metros de altura deban estar dotados de sistemas solares térmicos en los tejados.

Más espectacular si cabe resulta el caso de Chipre. El país que recientemente se ha incorporado a la Unión Europea es el que más cantidad de energía solar térmica aporta por habitante en el mundo, con 431 kWth (kW térmico) por cada 1.000 habitantes. En este país más del 90% de los edificios construidos están equipados con captadores solares térmicos, lo que representa más del doble de la capacidad instalada por habitante en otros países europeos con gran tradición solar, como Grecia o Austria.

USOS DE LA ENERGIA TERMICA

Los sistemas de captación de la energía calorífica del sol, Son los llamados colectores térmicos. Por medio del calor recogido en los colectores podemos calentar agua a media y baja temperatura para poder disponer de ella en utilidades tanto domésticas como industriales, de ocio, etc.

Dentro de este apartado hay tres grandes tipos de aplicaciones:

- A.C.S. o agua caliente sanitaria.

- Calefacción por suelo radiante

- Climatización de piscinas

- Calentamiento en aplicaciones industriales

- Frío solar (producción de frío mediante máquinas de absorción para uso industrial o climatización de edificios)

- Secadero

- Desaladoras

- Arquitectura bioclimática

- Conversión termodinámica: centrales solares

- Cocinas solares

Capiulo III

Tipos de energías alternativas

Tipos de energías alternativas

Comprender los principios de la termodinámica ha permitido a los seres humanos la posibilidad aprovechar las fuentes naturales de calor para crear a la energía térmica y energías alternativas a partir de una gran variedad de fuentes.

Otras fuentes de energía térmica

El sol, el océano y las fuentes geotérmicas, como géiseres y volcanes, pueden ser fuentes de energía térmica. Como seres humanos intentamos convertir las formas sostenibles de energía alternativa, ya que los recursos de combustibles fósiles a partir de los derivados del petróleo se están agotando, debemos enfocar nuestra atención en mejorar los métodos de aprovechamiento de la energía térmica en la actividad de alimentación humana.

La energía solar térmica es una de las formas más utilizadas de energía térmica. Aunque la recolección de energía solar sólo está disponible cuando el sol es visible en el cielo, los científicos han desarrollado muchas formas de almacenar y utilizar la potencia absorbida por los dispositivos solares.

En un pequeño nivel, una persona puede calentar su piscina mediante la colocación de sistemas colectores de baja temperatura en el interior o alrededor del agua. Al absorber la luz solar y su distribución en el agua, se aumenta la temperatura durante el día e incluso después de la puesta del sol. Los paneles solares, piscinas de evaporación, y otros sistemas avanzados pueden realizar esta función en un nivel mucho más extendido, creando suficiente energía almacenada para ejecutar una fábrica o suficiente energía solar térmica para una ciudad.

La Tierra está construida alrededor de un núcleo fundido de calor increíble que disminuye considerablemente a medida que alcanza la superficie o el nivel de la corteza. Sin embargo, mediante el aprovechamiento del calor generado por debajo de la superficie del planeta, los seres humanos pueden extraer enormes cantidades de energía.

La forma más sencilla de hacerlo es a través de fuentes de energía geotérmica, como géiseres, o en los límites de las placas tectónicas. Los pozos geotérmicos bombean energía en forma de agua caliente o vapor que se puede convertir en energía utilizable, o simplemente la pueden utilizar directamente.

La energía térmica es una fuerza impresionante que está empezando a ser plenamente comprendida. Mediante la creación de nuevos dispositivos y métodos para concentrar, almacenar y transportar la energía térmica natural, los seres humanos pueden reducir la dependencia de formas no sostenibles de energía.

Gracias a la potencia de calor, los baños térmicos, el agua hervida, y las ciudades térmicamente potencia son posibles.

Clases de energía:

 Las energías están divididas en las que se pueden renovar y las que no: 

Energía renovable:

También llamada energía alternativa o blanda, este término engloba una serie de fuentes que en teoría no se agotan con el paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a otras tradicionales y producirán un impacto ambiental mínimo, pero que en sentido estricto ni son renovables: hidráulica, solar, eólica, maremotriz y de la biomasa.

Energía no renovable:

Este término engloba una serie de fuentes que se encuentran en cantidades limitadas, sus reservas disminuyen, hasta desaparecer, al consumirlas: carbón, petróleo, gas natural, energía nuclear y energía geotérmica.

Fuentes de energía:

a) Fuentes de energía renovable:

a.1) Energía hidráulica o hidroeléctrica:

Tiene a favor el gran desarrollo de su tecnología y su elevado rendimiento de conversión. Entre sus desventajas hay que mencionar la carestía del transporte (las centrales están lejos de los consumidores) y los efectos negativos sobre el entorno (erosión del suelo, alteración del régimen de los ríos). En la actualidad solo se utiliza el 17% del potencial hidroeléctrico mundial, cifra que podría llegar a 32% en el año 2000.

Energía solar:

La energía solar que recibe el hombre durante un cierto tiempo representa unas10000 veces el consumo actual del hombre en ese mismo tiempo. Esta energía es cara y difícil de captar , concentrar y conservar. Su forma de aplicación más interesante es la de la calefacción domestica.

 Energía eólica:

Utiliza el viento, es poco interesante. Serían necesarios un millar de motores eólicos con unas palas y alturas determinadas para conseguir una energía eléctrica de 100 MW. Este tipo de energía puede servir, como de hecho lo hace, para extraer el agua de los pozos, aunque su desarrollo viene condicionado por las sujeciones de la explotación y las molestias (ruidos).

 Energía biomásica:

Puede ser utilizada de dos formas: aprovechando directamente la leña y la madera como combustible o transformando química o biológicamente ciertas especies de vegetales en materiales combustibles.

Energía mareomotriz:

Aprovecha el movimiento de las mareas. Se estima que, a nivel mundial se podría totalizar un potencial energético de un orden de 60000 a 70000 MW.

Energía no renovable:

Energía geotérmica:

Se basa en el calor que sale de las profundidades de la Tierra, que transmite por conducción hasta su superficie. La geometría de alta energía utiliza yacimientos de distintos tipos.

Energía nuclear:

Explota la fisión de los núcleos pesados de uranio235 o de plutonio 239. Esta forma de energía presenta según sus partidarios, algunas ventajas:

1. Es fiable

2. El precio del kilovatio es competitivo.

3. Permite una seguridad de provisión.

 Carbón:

(Lignito y huya principalmente) fue muy abundante a principio de siglo, pero perdió supremacía a principios de los sesenta.

Gas natural:

Mezcla de gases combustibles que se encuentran en el subsuelo, con frecuencia acompañando al petróleo.

Se conduce desde los yacimientos hasta la costa por medio de gasoductos, se licúa y se transporta en buques metaneros.

Se utiliza como combustible industrial, para usos domésticos como materia prima en la industria química.

Es un combustible de gran poder calorífico, de combustión fácilmente regulable, y produce escasa contaminación.

Petróleo:

Líquido de aspecto oleso y de color oscuro, menos denso que el agua, formado por la mezcla compleja de hidrocarburos líquidos, sólidos y gaseosos en disolución y pequeñas cantidades de compuestos que contienen oxigeno, nitrógeno y azufre.

Probablemente, su origen es la acumulación de restos de seres vivos marinos que vivieron hace aproximadamente500 millones de años.

Se extrae mediante pozos que se perforan en la tierra hasta que se alcanzan las bolsas petrolíferas.

El crudo extraído en los campos petrolíferos no es utilizable como fuente de energía, por que se somete en las refinerías de petróleo a una serie de operaciones, obteniéndose: propano, butano y otros gases combustibles, gasolina, gasóleo, fuer, lubricantes, asfalto, etc. 

Capitulo IV

Posibles soluciones ambientales.

Medidas a nivel mundial:

-Limitar la contaminación de las centrales térmicas.

-Disminuir los gases de los tubos de escape de los automóviles. En muchos países se están introduciendo catalizadores de tres vías, que se acoplan a los tubos de escape y eliminan 90% de los óxidos de nitrógeno y también otros contaminantes.

-Restringir el uso de automóviles, fomentando la utilización del transporte público utilizando formas alternativas de transporte público y utilizando formas alternativas de transporte, como la bicicleta.

-Ahorrar energía en las viviendas y fábricas, e investigar y aplicar formas alternativas de energía, como la solar y la eólica.

-Aumentar las regulaciones sobre la producción de contaminación y controlar que se cumplan estas normas.

Medidas en el ámbito individual:

-Usa el coche lo menos posible: ve al colegio caminando en bicicleta o utilizando un medio de transporte público.

-Si la calefacción de tu casa es de carbón, consigue que tus padres la cambien por una que queme combustible sin humo.

-España va retrasada con respecto a muchos países en la eliminación de la contaminación causante de la lluvia ácida. Solidarízate con las campañas ecologistas. Escribe al presidente del Gobierno para pedirle una mayor protección del medio ambiente.

 A nivel mundial:

Para disminuir los niveles de dióxido de carbono hay que quemar menos combustible fósil. Esto se puede conseguir si utilizamos energías alternativas (energías renovables, que ya se explican anteriormente).

Otra forma de reducir el nivel de dióxido de carbono es deteniendo la deforestación, o plantando árboles que transforman el dióxido de carbono del aire. 

Capitulo V

Desarrollo del calentador solar

La transformación directa de la energía solar es bastante antigua. Así como mediante una lupa es posible calentar un papel con la radiación solar hasta hacerlo arder, se pueden usar espejos adecuados para focalizar la radiación solar en recipientes con agua y calentarla. También es posible calentar agua mediante sistemas llamados colectores, es decir, grandes depósitos de agua que se calientan por radiación solar. El agua caliente se puede utilizar para uso doméstico directo, para calefacción o para generación de energía eléctrica.

La   radiación   solar   está   constituida   por   una   superposición   de   ondas   electromagnéticas   cuya longitud de onda están comprendidas entre 0,25 micras y 4 micras. Cuanto menor es la longitud de onda mayor es la energía asociada a la onda.

Longitud de ondas(micras) % de la energía total recibida

Naturaleza de la radiación

0.25 a 0.4 1 a 3 % Ultravioleta

0.4 a 0.75 40 a 42 % Visible

0.75 a 2.5 55 a 59 % Infrarrojo

Tabla extraída del libro “El calentador solar de agua” de Cabirol, Pelissou y Roux

Los rayos infrarrojos calientan la materia en cuanto entran en contacto con ella, lo mismo que los ultravioletas, pero estos últimos son mucho menos en cantidad.

La cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre en menos de dos semanas, es equivalente a la de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles. Se estima que un total de 1,5 x 1015 megawatt por año, aproximadamente 2500 veces la energía generada por el hombre por medio de todas las formas convencionales, evitando los problemas de radiación que ellas provocan.

La energía solar tiene dos desventajas:

1. Es una energía muy difusa, es decir que la cantidad que llega a la Tierra por unidad de tiempo y por unidad de área es muy pequeña, lo que obliga a recogerla y concentrarla.

2. Es intermitente, ya que el Sol está disponible solamente durante el día y frecuentemente es oscurecido por las nubes, lo cual obliga a almacenar su energía para poder disponer de ella en forma continuada.

Capitulo VI

El calentador solar de agua

El calentador solar de agua

Aunque los sistemas investigados tienen grandes diferencias entre sí, todos poseen tres partes fundamentales:

Colector

Capta la energía solar y la transfiere al agua (es la parte más importante).

Acumulador

Allí es donde se deposita el agua caliente, para conservarla con la menor pérdida posible.

Sistema de caños

Poseen la función de transportar el agua fría y el agua caliente a través de los elementos que forman el sistema.

Diferentes tipos de colectores

Los colectores solares se clasifican según el grado de concentración de la energía solar captada.

Índice de concentración = Área de captación del colector / Área de recepción del colector

Se pueden clasificar en colectores planos (índice de concentración igual a 1) y colectores de concentración (índice de concentración mayor que 1)

Colector plano

Consiste en un panel metálico plano que presenta una superficie absorbente de radiaciones solares. Se coloca sobre una estructura protectora (caja de madera o chapa galvanizada). En la parte superior se coloca una lámina de vidrio y por la parte inferior y los laterales se coloca material aislante.

Colector solar plano

Básicamente los colectores planos están formados por:

Cubierta transparente Placa o aletas de metal

Tubos

Caja

Aislante térmico

La cubierta transparente (generalmente vidrio) es la encargada de producir un efecto invernadero dentro del colector, porque permite la entrada de la radiación solar incidente (de onda corta) impidiendo la salida de la energía de la placa al calentarse (de onda larga).

Las placas o aletas de metal generalmente son de una aleación de cobre ya que este material ofrece buena transmisión de calor, durabilidad y de fácil trabajo. Su función es aumentar la superficie de absorción de calor.

Los pequeños tubos es por donde circula el agua mientras se calienta. Suelen estar soldados sobre una placa metálica negra o en su defecto tienen aletas soldadas sobre sus bordes.

La caja es el soporte de todos los demás componentes. Suele ser de chapa galvanizada, ya que este material es económico y resistente a los fenómenos climáticos.

Colectores de concentración

En estos tipos de colectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una línea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.

El índice de concentración varía según las características constructivas, puede ir desde 2 hasta 1000 o más.

Estos colectores deben instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de precisión.

Concentración lineal alcanzan temperaturas de 200ºc a 300ºc

Concentración puntual alcanzan temperaturas de más de 300ºc

En los tres colectores se eligió utilizar el colector solar plano por las siguientes razones:

Su eficiencia es la necesaria para las necesidades Su costo es mucho menor

No necesita mantenimiento

No utilizan energía extra (como lo hacen los de concentración para seguir el movimiento del sol).

Su construcción es más simple.

Además los colectores planos, aparte de utilizar las radiaciones directas, aprovechan las radiaciones difusas, aumentando su eficiencia en un 10% al 20%. Los colectores de concentración no pueden utilizar las radiaciones difusas porque salen del foco calculado.

Sistema directo e indirecto

Sistema directo

El agua se calienta en el colector y se envía al depósito de almacenamiento. Ésta se ve reemplazada en el colector por agua fría que luego se calienta y así sucesivamente.

Sistema indirecto

El agua caliente procedente del colector puede también circular por un intercambiador de calor en el interior del depósito: al entrar en contacto con el agua fría del depósito cede sus calorías a través de la pared del intercambiador y vuelve a calentarse en el colector.

El sistema empleado en los tres colectores es un sistema directo, puesto que su construcción resulta más sencilla y su costo es menor. Pero se reconoce que un sistema indirecto es más eficiente porque la sustancia que circula por el interior puede ser otra diferente del agua, con mejores propiedades, como ser mejor captación del calor o incorporar anticongelante para que no se congele el agua que se encuentra dentro de los tubos finos de cobre.

Sistemas de termosifón o por bomba

Sistema de termosifón o pasivo

El principio de este sistema se basa en que al calentarse el agua que se encuentra en el colector, esta adquiere una menor densidad, siendo menos pesada que el agua fría a igual volumen. Así el agua caliente recibe una presión del agua fría, capaz de vencer la resistencia del circuito, y empuja a la primera a volver al colector.

Su única desventaja es que el colector debe encontrarse próximo y por debajo del tanque de almacenamiento (mínimo 40cm).

Sistema por bomba o Activo

Para este sistema se acude a una bomba que hace que el agua circule a través del colector y nuevamente hacia el acumulador.

El sistema elegido fue el termosifón puesto que es menos complicado, es menos costoso, no necesita mantenimiento y no utiliza energía extra para su funcionamiento. Por otra parte tiene la desventaja de que el acumulador está condicionado a colocarse sobre el colector.

Capituo VII

Construccion del calentador de agua

Construcción del primer colector

Para el armado del absorbedor (radiador) se utilizó cobre y una de sus aleaciones: bronce fosforado (81% cobre, 18,5% estaño y 0,5% fósforo), porque posee una gran capacidad de transmisión del calor, además de ser muy fáciles de trabajar.

1) Se procedió al corte y aplanamiento de 6 tubos finos de cobre de un diámetro interior de 5 mm. Quedaron así los tubos finos de cobre de un largo de 50 cm con una abertura de 2,5 mm (lo recomendable es entre 2mm y 4mm). Esta abertura no debe ser ni demasiado estrecha para provocar una resistencia al paso del agua ni demasiado ancha para permitir el aumento del caudal del agua, la cual no podría ser calentada adecuadamente.

2) Luego a los tubos finos de cobre se les soldó a lo largo una placa de bronce fosforado (una de cada lado) para aumentar la superficie de absorción del calor.

Cabe mencionar que la soldadura, en este caso de estaño, debe estar bien hecha para permitir un mejor flujo de calor de las placas hacia el tubo fino de cobre.

3) Los extremos de los tubos finos de cobre se unieron a los dos tubos de cobre colectores. Para lograr esto, primero se debe agujerear, con una mecha, el tubo colector, tantas veces como pequeños tubos existan. Luego se introducen los extremos de los pequeños tubos y se suelda todo alrededor. El tubo inferior es el enlace entre la cañería de agua fría y los pequeños tubos de cobre, mientras que el colector superior es el enlace entre los pequeños tubos de cobre y la cañería de agua caliente.

4) El absorbedor (radiador) quedó de la siguiente manera:

Luego se lo pintó de un tono mate para evitar la reflexión y de negro ya que todos los cuerpos oscuros absorben más calor.

5) Este absorbedor se montó en una caja de madera de 84 cm de ancho, por 84 cm de largo, por 7 cm de altura, la cual en la parte inferior y laterales se encontraba revestida de aislante, en este caso telgopor de 2 cm de espesor.

La caja debe tener los dos orificios necesarios para realizar las conexiones adecuadas a los tubos de polipropileno, como se indica en el esquema:

6) En el siguiente esquema se muestra cómo se debe conectar el conjunto de caños de polipropileno con el colector y el acumulador. Se utilizaron caños de polipropileno porque su uso es muy común en todo tipo de instalaciones de agua. Además están revestidos con un aislante térmico para evitar las pérdidas de calor del agua durante su recorrido.

7) El acumulador del colector experimental tiene una capacidad de 5 litros y está parcialmente aislado con telgopor de 2cm de espesor. La mayoría de las pérdidas de calor se producen aquí, 1ºC cada 8 minutos aproximadamente.

8) Después se coloca una lámina de vidrio sobre la caja de madera para aprovechar el efecto invernadero. Este efecto se produce de la siguiente forma:

El vidrio, como todo cuerpo transparente, tiene la propiedad de dejar pasar las radiaciones de la luz solar y parte de ellas (las radiaciones infrarrojas) quedan atrapadas entre el vidrio y el absorbedor

De esta manera los rayos solares pasan casi en su totalidad a través del vidrio e inciden sobre el absorbedor. Éste aumenta su temperatura y comienza a emitir radiaciones, parte es retenida por el aislante, y otra parte incide sobre el vidrio. Estas son “absorbidas” por este, que llega a temperaturas entre los 30ºC y 50ºC. Al calentarse el vidrio éste también comienza a emitir radiaciones por ambas caras, las radiaciones emitidas por la cara exterior significan pérdidas de calor, pero las radiaciones emitidas por la cara interior vuelven a incidir sobre el absorbente. En el siguiente esquema se muestran las pérdidas del efecto invernadero

Gráfico extraído del libro “El calentador solar de agua” de Cabirol, Pelissou y Roux

9) Por último se coloca un termómetro con tres sensores (LM 35) para medir las temperaturas del agua de entrada, del interior del colector y del agua de salida.

Correcciones de posibles fallas.

En un principio las 2 uniones entre los caños colectores y los de polipropileno se había realizado introduciendo el de polipropileno dentro del de cobre y sellado con pegamento. Pero luego de un tiempo y a causa de los diferentes coeficientes de dilatación, las uniones se desprendieron. Para solucionarlo se debieron roscar ambos caños.

Varios sensores de temperatura (LM35) se quemaron porque sus patas entraron en cortocircuito debido al incorrecto aislamiento de los mismos.

Construcción del segundo colector

El segundo colector construido tiene un tamaño de 1,70 m de ancho 0,80 m de largo y 0,10 m de alto. Tiene una capacidad de 15 litros. El objetivo de su construcción es demostrar que es posible construir colectores para satisfacer mayores demandas de agua. Además este colector no tiene un costo elevado dado que está construido con viejos materiales de un refrigerador.

El radiador de este colector está formado por dos viejos radiadores de heladera. A estos se les cortó en cada una de sus curvas como se muestra en el siguiente gráfico:

Luego se introdujeron los pequeños caños de los radiadores en unos agujeros previamente perforados en los caños colectores, y se los soldó todo a su alrededor

El radiador es colocado en una vieja puerta de heladera, para no solo aprovechar su estructura sino también su aislamiento

Se conectan los caños del radiador con los del acumulador quedando conformado el colector de la siguiente manera:

Construcción del tercer colector

El tercer colector es de una construcción muy sencilla. Tiene una capacidad de un litro. Sus medidas son 50 cm por 50 cm. El objetivo de la construcción de este colector es lograr un pequeño suministro de agua caliente, pero de una forma más rápida. Además, gracias a su fácil manejo, se pudo probar en él gran cantidad de

variables de construcción y extraer conclusiones propias sobre que método es mejor.

En un principio este colector se construyó utilizando una caja de madera la cual luego fue reemplazada por una caja hecha íntegramente en chapa. Este cambio no afectó el rendimiento del colector solamente se mejoró su estructura ya que la chapa no se deteriora tanto con las condiciones climáticas exteriores.

Antes la superficie de absorción de la energía solar estaba dada únicamente por los pequeños caños por donde circula el agua, es decir que no tenían soldadas aletas, ni estaban soldadas a una placa. Su rendimiento no era satisfactorio. Luego se les soldó una plancha de zinc para aumentar la superficie de absorción, quedando los tubos debajo de la placa. Al realizar las pruebas se pudo comprobar que el rendimiento había aumentado notablemente. Mas adelante se dio vuelta el radiador es decir que ahora los tubos estaban sobre la plancha de zinc. Este cambio aumentó el rendimiento en un porcentaje poco significativo. Este aumento se debe a que las radiaciones solares incidían directamente sobre los tubos y no debían atravesar la placa de zinc y las soldaduras.

En este colector a diferencia de los anteriores los caños de circulación del agua se encuentran en su interior. Si bien es una ventaja estructural, puede hacer fallar el sistema de termosifón ya que el efecto invernadero que se produce en el interior del colector puede afectar la diferencia de temperatura necesaria entre el caño que transporta el agua fría de entrada y el radiador.

En este colector también se intentó reemplazar la lámina de vidrio por un plástico flexible similar al utilizado para envolver alimentos. Los resultados no fueron exitosos dado el plástico no pudo hacer correctamente el efecto invernadero. Además su colocación es más difícil dado que debe quedar sin arrugas. Por otro lado el viento y la lluvia son condiciones a las que este material no está preparado para vencer.

La experimentación más asombrosa fue realizarle un vacío al colector. De esta forma el radiador que se encuentra dentro del colector está completamente aislado y su eficiencia aumenta asombrosamente. Para dar un ejemplo el colector sin vacío lograba, en primavera, calentar el agua a 72 ºC en una hora en cambio realizado el vacío podía lograr que el agua llegara a los 70 ºC en solo 20 minutos. El principal inconveniente de realizar un vacio es que se aumenta la presión ejercida sobre el radiador y las soldaduras tienden a fallar si no se encuentran reforzadas.

Otras de las mejoras que se puede realizar es un arenado de la superficie del radiador. De esta manera se evita que la superficie del colector sea lisa y provoque la reflexión de los rayos solares. Esta experiencia no se pudo realizar debido a la falta de elementos necesarios para realizarla.

Al igual que en los casos anteriores el colector fue pintado de un color negro mate y debidamente aislado en su interior. En este caso se utilizó “mexpol”, un aislante fino de plástico con una cubierta delgada de aluminio. El “mexpol” es utilizado para el aislamiento de techos, en nuestro caso cumple una función de aislante y además la capa de aluminio que tiene en su superficie cumple la función de reflejar las radiaciones que atravesaron el absorbedor nuevamente hacia él.

El aislamiento del acumulador se realizó sobre los laterales y parte superior del mismo con telgopor.

Capitulo VIII

Insumos necesarios

Insumos necesarios

Para la construcción y prueba de los colectores se necesitaron diferentes elementos:

Herramientas para la construcción Materiales para la construcción

Elementos para la medición

Herramientas

Terraja: para roscar los caños de PVC Plegadora: doblar la chapa galvanizada a 90º para hacer la caja

Soldadores

Guillotina: para cortar la chapa galvanizada

Sensitiva: sacar rebarbas y cortar los caños

Sierra circular: para cortar las maderas utilizadas en la caja del primer colector

Lijadora de banda: para lijar las maderas antes mencionadas

Soldadores

Materiales

Vidrio Lamina de zinc: utilizada en el tercer colector como placa absorvedora de

calor

Bronce fosforado: utilizado para las aletas del radiador en el primer colector

Telgopor: es el aislante del primer colector

Lana de vidrio: es el aislante del segundo colector

Mexpol (aislante para techos): aislante del tercer colector

Caños de cobre

Estaño: para realizar las soldaduras del primer colector

·  Bronce: para realizar las soldaduras del sgundo colector

·  Materiales reciclados de una viejo refrigerador comercial: para extraer del mismo el radiador y la puerta.

Elementos de medición:

Los elementos de medición de temperatura utilizados fueron unicamente dos:

Termómetro digital (sensores LM35) Termómetro de mercurio

Capitulo IX

Montaje de los colectores solares

Montaje de los colectores solares

Existen muchas formas de montaje de los colectores sobre techo plano, techo inclinado, balcón, jardín, etc. Pero se debe tener en cuenta el incremento de carga originado por el emplazamiento de los paneles y el acumulador (teniendo en cuenta el agua en su interior). Además de las condiciones de sobrecarga como ser el viento, nieve, sismos, etc.

La separación entre los colectores debe ser como se indica en el siguiente esquema:

El ángulo alfa debe ser menor de 20º, para que otro objeto no produzca una sombra sobre él.

Los colectores deben colocarse sobre el techo de manera que no retengan el agua de lluvia.

Posibles formas de montaje de colectores solares

 

Orientación e inclinación de los colectores

Los colectores solares deben tener una orientación e inclinación adecuada para poder recibir los rayos solares en forma perpendicular.

La orientación en el hemisferio sur debe ser siempre hacia el Norte tratando de no desviarse más de 20º.

Las inclinaciones varían según la latitud del lugar y la época del año. Los cálculos para obtener el ángulo de inclinación son los siguientes:

En invierno se le debe sumar a la latitud del lugar 10º

En verano se le debe restar a la latitud del lugar 20º

Si se quisiera dejar fijo durante todo el año se debe multiplicar la latitud del lugar por 0.9

Teniendo en cuenta esto, sí la latitud del lugar es de 38,5º los resultados son los siguientes:

En verano 18,5º En invierno 48,5º

Todo el año 34,65º

Conexión de los paneles

Los paneles se pueden conectar entre sí de tres formas: en serie, en paralelo o mixto.

En la conexión en serie el agua atraviesa todos los colectores para realizar un ciclo, adquiriendo mayor temperatura. Los inconvenientes que se presentan son que el agua debe vencer una resistencia mayor para atravesar los circuitos. Además en cada colector la temperatura del agua iría en aumento hasta llegar al último colector donde se producirían muchas pérdidas de calor.

La conexión en paralelo es mucho más efectiva puesto que la resistencia al paso del agua es mucho menor. Incluso si un colector dejara de funcionar los demás no se verían afectados.

Conclusión

Luego de realizar las pruebas y analizarlas se ha llegado a la conclusión de que la hipótesis ha sido corroborada, porque:

con el primer colector se logró un suministro de agua caliente de 5 litros y en el segundo de 15 litros. En ambos casos la cantidad era suficiente para satisfacer las necesidades planteadas. En el caso del tercer colector la cantidad de agua caliente brindada no era suficiente porque solo es un litro. Pero de todas formas la construcción de este colector solo perseguía fines de experimentación de diferentes materiales.

Además en todos los casos la temperatura del agua superaba los 50 ºC. En verano la superaba ampliamente y en invierno la superaba por 5 ºC o 10 ºC. Se debe aclarar que en los días de lluvia o extremadamente nublados no se lograba la misma temperatura porque las nubes absorben la mayor parte de las radiaciones solares.

Por otra parte los tres colectores no presentan un costo elevado dado que están construidos con materiales en desuso. De esta forma se está realizando un reciclaje de estos elementos.

Una vez elegidas las características del colector que más se adaptan a las necesidades, la construcción del mismo no resulta complicada.

Para construir el colector se necesitaron una serie de herramientas, mencionadas en el desarrollo, que son comunes en la mayoría de los talleres. Además se debieron adquirir los conocimientos mínimos sobre el uso de las mismas, fundamentalmente en las operaciones de soldadura.

Estos sistemas no revisten peligro ya que no utilizan ningún tipo de combustible inflamable, como lo hacen los sistemas convencionales.

Tampoco producen algún tipo de contaminación ya que utilizan una energía limpia e inagotable.

Mediante este proyecto se pudo comprobar que los colectores solares tienen una serie de ventajas y desventajas:

Las ventajas de los tres colectores son las siguientes

Buena temperatura del agua de salida Tarda poco tiempo en calentar el agua

Los costos son bajos

No producen contaminación

No consumen ningún tipo de energía no renovable

Su montaje es sencillo

Necesitan un mantenimiento mínimo

Su construcción no es complicada

Los inconvenientes detectados en los tres colectores construidos son:

El primer inconveniente es propio de la energía solar. El problema es que esta energía es intermitente: no está presente de noche y las variaciones atmosféricas (lluvia, nubes, nieve, neblina) afectan su rendimiento

Como la energía solar no es constante es necesario que los acumuladores se encuentren debidamente aislados para poder proporcionar un suministro constante de agua caliente.

Los tres sistemas están condicionados a que el acumulador se instale por arriba del colector ya que esto es una condición indispensable para el funcionamiento del efecto del termosifón.

Los tres colectores fueron construidos con un sistema abierto por lo cual se encuentran expuestos a la corrosión. Como se explicó anteriormente este defecto puede ser solucionado empleando un sistema indirecto.

También se pudo comprobar que resulta más eficiente calentar grandes volúmenes de agua a temperaturas medias que calentar pequeños volúmenes de agua a altas temperaturas. Esto se debe a que las aislaciones no son 100% perfectas ya que a mayor temperatura del agua aumentará la diferencia térmica entre esta y el medio. Es por ello que se debe utilizar conjuntamente con los sistemas convencionales para que estos últimos eleven la temperatura final del agua a la requerida, sin consumir tanta energía.

Otro inconveniente es la inversión inicial que pocas personas se atreven a realizar. Para ello es necesario brindar la suficiente información para demostrar que la inversión inicial se amortiza a mediano plazo, y luego genera una zona de ahorro que se extiende por el resto de la vida útil de estos sistemas, que va de 15 a 20 años.

Capitulo X

Aplicaciones de los colectores solares para calentar agua

Aplicaciones de los colectores solares para calentar agua

Los usos que se les pueden dar a los colectores solares son principalmente estos cuatro:

como sistema complementario en el hogar, para calentar aguas de piscinas,

para calefacción,

para precalentamiento de agua para usos industriales.

Se debe ser muy claro en que estos sistemas no pretenden reemplazan los métodos tradicionales sino integrarse a ellos, para lograr un ahorro de las energías no renovables y generar así un beneficio ecológico y económico para el usuario.

Calentamiento de agua para uso hogareño (complementado con los sistemas convencionales)

Esquema:

El anterior esquema muestra la forma de implementar un calentador solar de agua intercalado entre el tanque de agua domiciliario y los sistemas más convencionales de calentamiento de la misma (termotanque, calefón)

Cálculos de rendimiento

(Fórmulas y datos extraído del libro “Energía solar” de Quadri Néstor)

Para calcular la superficie de paneles solares a colocar en una vivienda se debe utilizar la siguiente fórmula:

 

Dónde:

Cd: caudal diario de agua a calentar (l/día)

ts: temperatura de salida del agua del tanque (ºC)

te: temperatura de entrada del agua de la red al tanque (ºC)

It: surge de la radiación proyectada, por el sol por metro cuadrado, sobre la superficie inclinada del colector, en función de las horas de asoleamiento y la latitud correspondiente.

n: es el rendimiento del colector que es igual a

te : temperatura del agua de entrada (ºC)

ts: temperatura del agua de salida (ºC)

ta: temperatura del aire exterior

i: intensidad de radiación solar promedio sobre el área del colector (watt/metro cuadrado)

Para resolver el cálculo de la superficie de colectores necesarios se debe tener en cuenta que:

una persona normal consume 50 litros de agua caliente diarios, la temperatura a la cual se desea llegar es normalmente 50 ºC (mejor punto

de equilibrio entre temperatura y rendimiento),

la temperatura del agua de entrada oscila entre 10 ºC y 15 ºC

Para los cálculos prácticos el valor de n suele estimarse entre 0,5 ºC m²/W o 1 ºC m²/W

Es conveniente agregar siempre un 20% más de superficie de colector para igualar las pérdidas de calor que se producen en el acumulador y el circuito que transporta el agua.

Calentamiento de agua para piscinas

Aunque realizar un cálculo de este tipo es complicado se puede tener como referencia, que si se colocan tantos metros cuadrados de colector como el 50% de la superficie de la piscina, el agua de la misma incrementaría su temperatura en 8 ºC. Además se debe tener en cuenta que el sol incidirá directamente sobre ella y de noche se podría recubrir para reducir las pérdidas.

Precalentamiento de agua para usos industriales

Mediante una gran cantidad de colectores se puede lograr un precalentamiento de agua para usos industriales. Aunque en la industria se necesitan temperaturas más altas de las que puede brindar el colector, este precalentamiento que se le puede brindar, permitiría ahorrar energías convencionales.

Recordemos que: es más eficiente calentar grandes volúmenes de agua a temperaturas medias que calentar pequeños volúmenes de agua a altas temperaturas.

Calefacción de hogares

Mediante la conexión de la salida del acumulador a una serie de radiadores se puede lograr que el agua caliente circule a través de ellos dentro del hogar. La temperatura necesaria que debe tener el agua oscila entre los 40ºC a 60ºC.

Bibliografía:

 

-Libro de física y química de 3º eso, editorial Mc Graw Hill.

-Enciclopedia en carta 98.

-Ecolección Tierraviva “El efecto invernadero” editorial sm.

-Ecolección Tierraviva “La lluvia ácida” editorial sm.

-Ecolección Tierraviva “La capa de ozono” editorial sm.

-www.textoscientificos.com

-www.mundoverde.com