Prototipo de calentador solar compacto para aprovechar la radiación solar en Luanda, Angola

Resumen

Las tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar consisten en la conversión de la radiación solar en calor, produciendo un aumento de la temperatura. Este calor suele transmitirse y transformarse de diversos modos, dando lugar a la serie de tecnologías solares térmicas que conocemos en la actualidad. La investigación está encaminada a realizar pruebas experimentales para lograr el aprovechamiento de la radiación solar a través de un calentador solar compacto. Con la construcción del prototipo se puede apreciar que los resultados coinciden que el mayor calentamiento esta dado alrededor de las 12.00 horas con un ángulo de 18 grados, teniendo una eficiencia el colector de 33.0 %.El costo de fabricación es relativamente barato por lo que es factible su construcción. Con la implementación del mismo se lograra mejorar las condiciones de vida de los habitantes, contribuyendo de esta forma al ahorro de energía y disminuir la contaminación ambiental.

Palabras claves: Energía, calentador, ahorro, medioambiente

Abstrat

Thetechnologies for the usesolarinvolvesconversion of solarradiation into heat, producing a temperature increase. This heatis usually transmittedandtransformedin various ways, leading to a series ofsolarthermal technologieswe knowtoday.The researchis aimed atexperimental trialsto achieve theutilization of solarradiation througha compactsolar heater.With the constructionof theprototype can beseen that theresults agreethat the greatestwarming isgivenaround12.00at an angle of18 degrees, with an efficiencycollector33.0% .Themanufacturing costisrelatively cheapfor what itisfeasibleconstruction.With the implementationof itwas achievedto improvethe living conditionsof the inhabitants, thereby helpingto save energyandreduce pollution.

Keywords: Energy, water heater, saving, environment

Introducción

El sol es la fuente principal de vida en la tierra, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si se aprende cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente llega a la superficie del planeta. La energía solar está contenida en la radiación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos en forma térmica o eléctrica, para su consumo posterior en donde se lo requiera. El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía útil es el panel solar, pudiendo ser de dos clases: captadores solares térmicos y módulos fotovoltaicos. Las tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar en la conversión de la radiación solar (fotones) en calor, produciendo un aumento de la temperatura conocido como efecto foto-térmico. Este calor suele transferirse y transformarse de muy diversos modos, dando ligar a la serie de tecnologías solares que conocemos en la actualidad.

La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que pueden ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad.( International Energy Agency (2011)

Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas según cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural.

En 2011, la Agencia Internacional de la Energía se expresó así: "El desarrollo de tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable y, aún más importante, independientemente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida excesiva de los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De esta manera, los costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones; deben ser realizadas de forma sabia y deben ser ampliamente difundidas". (International Energy Agency (2011)

La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de la atmósfera (Bullis, Kevin 2006).Aproximadamente el 30 % regresa al espacio, mientras que las nubes, los océanos y las masas terrestres absorben la restante. El espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre lo ocupa principalmente la luz visible y los rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta.

La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. En condiciones de radiación aceptables, la potencia equivale aproximadamente a 1000 W/m² en la superficie terrestre. Esta potencia se denomina irradiancia. Nótese que en términos globales prácticamente toda la radiación recibida es remitida al espacio (de lo contrario se produciría un calentamiento abrupto). Sin embargo, existe una diferencia notable entre la radiación recibida y la emitida. (Langley, Research 2007)

La radiación es aprovechable en sus componentes directos y difusos, o en la suma de ambos. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La bóveda celeste diurna emite la radiación difusa debido 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 1366 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).

La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la temperatura de éstas. El aire calentado es el que 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. (Langley, Research 2007) La energía solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C. (Edwin,Cartlidge 2008) 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. (Bullis, Kevin 2006)

Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol (energía solar) para calentar alguna sustancia, como puede ser agua, aceite, salmuera, glicol o incluso aire. Su uso más común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domésticos como hoteles y otras industrias.

En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tal disminución puede llegar a ser de hasta 50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad. Aunque muchos países en vías de desarrollo cuentan con climas muy propicios para el uso de estos sistemas, su uso no está extendido totalmente. En varios países desarrollados las normativas estatales obligan a utilizar estos sistemas en viviendas de nueva construcción. Los calentadores tienen una elevada eficiencia para captar la energía solar. Dependiendo de la tecnología y materiales implementados, pueden llegar a alcanzar eficiencias del 98%. La cantidad de energía que el sol vierte diariamente sobre la tierra es diez mil veces mayor a la que se consume por día en todo el planeta.

Es conocido, el alto índice de contaminación que acarrea consigo la transformación de la energía proveniente del petróleo y de costos menores de la energía hidráulica, por la alta generación de gases contaminantes en el primer caso, de sedimentación, de rendimientos y escases de agua en el segundo; mientras que con la utilización del recurso solar en el calentamiento del agua para uso sanitario, no conlleva contaminación de ninguna naturaleza, con la característica de que la energía solar es casi completamente gratuita y abundante. La cantidad de energía que el sol vierte diariamente sobre la tierra es diez mil veces mayor a la que se consume por día en todo el planeta.

La investigación está basada en el aprovechamiento de la radiación solar para el calentamiento del agua en los hogares y diferentes instalaciones, definiendo en nuestra investigación como:

Problema:

Insuficiente aprovechamiento de la radiación solar para el calentamiento del agua en los hogares e industrias.

Hipótesis:

Con la implementación de calentadores solares compacto es posible aprovechar la radiación solar en el calentamiento del agua de los hogares e industrias.

Objetivo

Construir un prototipo de calentador solar compacto para aprovechar la radiación solar en el calentamiento del agua de los hogares e industrias.

Con la instalación de un sistema adecuado a nuestras necesidades, se puede satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua caliente en nuestros domicilios, sin tener que pagar combustible, pues el empleo de la energía solar es prácticamente gratis. Aunque el costo inicial de un calentador solar de agua es mayor que el de un calentador tradicional, con los ahorros que se obtienen por dejar de consumir gas y/o electricidad, se puede recuperar la inversión en un plazo razonable. La puesta en marcha de este producto, ayudará a disminuir el calentamiento global, el uso de gases o combustibles costosos, las concentraciones actuales de combustibles o gases, los gastos monetarios en servicios domésticos, se tendrá un mayor aprovechamiento de un recurso prácticamente inagotable, y que mantendrá el agua a una temperatura constante en cualquier temporada del año.

Por estas consideraciones técnicas, sociales, económicas y ambientales se justifica plenamente la realización del prototipo de calentador solar de agua para aprovechar la radiación solar, que aportará una solución parcial a los problemas de contaminación del ambiente y traerá consigo beneficios para la comunidad.

Construcción del prototipo de calentador solar

Para la construcción del cuerpo del prototipo de calentador solar compacto, se utilizó una lámina de aluminio de una espesura de 3 mm, con las siguientes dimensiones: Ancho 60 cm y largo 100 cm. (Ver figura 1)

Fig 1 Lamina de aluminio

La lámina para la elaboración del cuerpo es doblada como una semicircunferencia con radio 35 cm.(ver figura 2)

Fig 2. Cuerpo del prototipo de calentador solar compacto

Para la elaboración de los laterales se realizó con una misma chapa,con las siguientes dimensiones(Ver figura 3 )

Figura 3 Laterales de calentador

Para lograr retener el calor en el calentador se elabora un aislante con varias capas de materiales (amianto, cartón, polietileno). Ver figura 4y figura 5.

Figura 4 Diferentes capas de para la elaboración del aislante

Figura 5 Aislante elaborado

Para lograr el proceso de transferencia de calor por radiación se forro el aislante con un papel de aluminio. (Ver Figura 6).El mismo tiene la función de disminuir las pérdidas de calor.

Figura 6 Aislante con un papel de aluminio

El colector es elaborado con un tubo de acero de diámetro 13 cm y largo de 58 cm, y dos tubos de 20 cm de largo y 2 cm de diámetro, el mismo es pintado de color negro, con el objetivo que adsorba la mayor cantidad de energía que sobre el incida. Figura 7

Figura 7 Colector solar compacto

Con el objetivo de lograr la entrada de la luz solar se utiliza un cristal de las siguientes dimensiones (ver figura 8 ) el mismo impide que entre al calentador el agua de lluvia o u otros materiales, así como lograr el efecto invernadero dentro del calentador. El mismo posee un área de Ac=0.46 m2.

Figura 8 Vidrio utilizado para el calentador solar

La base permite la colocación del cuerpo del calentador, la misma permite girarlo hasta obtener el ángulo óptimo de mayor radiación solar, para la construcción del mismo se utilizaron angulares quedando de la siguiente forma. (Ver figura 9)

Figura 9 Base del prototipo calentador solar compacto

El proceso de ensamblaje del prototipo de calentador solar realizado en el taller de la facultad de ingeniería de la UAN, quedo elaborado de la siguiente forma, (ver figura 10 )

Figura 10. Imágenes del calentador compacto ensamblado

La instalación del equipo se propone que sea de la siguiente forma, un tanque de agua fría, seguidamente pasa a través de una tubería de entrada al calentador solar compacto dondese le eleva la temperatura y seguidamente va a una tubería de salida que puede ir al consumo o a un reservatorio.(ver figura 11 )

Figura 11 La instalación del equipo

Resultados

Con el objetivo de verificar el funcionamiento del prototipo construido se determinan algunos indicadores que demuestren su funcionamiento, en el país Angola, provincia Luanda, específicamente en el distrito Kilamba Kiaxi. Para determinar los grados de calentamiento de la temperatura fueron realizadas en varios momentos del día.

Procedimiento: se usó un termómetro digital para determinarla temperatura del agua a la entrada y a la salida del calentador. Se realizaron varias mediciones por un periodo de 2 meses teniendo como resultado promedio los siguientes valores reflejados en la tabla 1 y grafico 1, la temperatura ambiente promedio fue de 28.5 C

Tabela 1 Resultado promedio das temperaturas

Grafico 1 Comportamiento de la temperatura con respecto al tiempo en un día

Como se pude apreciar la en la tabla 1 y el grafico 1 la temperatura mayores están en el periodo de las 12 horas en el día. Además se realizaron diferentes variaciones de ángulo para determinar el mayor aprovechamiento de la radiación solar, percatándonos que la mayor concentración de calor está dada en 18 grados con respecto a la horizontal, coincidiendo este estudio de con a Base de Dados PVGIS-helioclim a inclinação óptima para Luanda é de 18 °.

Mediante el grafico 1 se puede apreciar como en las primeras horas del día existe un incremento de la temperatura hasta alcanzar el máximo de temperatura de 69.1 C, para un ángulo de inclinación de 18 grados. Según los datos determinados ponemos ver que la temperatura se eleva hasta 40 C, lo que representa significativo, además el calentador compacto en días nublados logro captar la radiación difusa, permitiendo mantener la temperatura relativamente constante con los días soleados.

Radiación horaria al día

Con el objetivo de determinar la cantidad de kwh/m2 día que cae sobre el colector cada día se calcula la radiación total horaria para las temperaturas promedios determinadas y los ángulos establecidos, los datos calculados aparecen en la tabla 2, y en el grafico 2.

Tabla 2 Resultados de la radiación horaria al día

Grafico 2 Comportamiento de la radiación total horaria con respecto al tiempo en un día.

Como se puede apreciar en la tabla y el grafico anterior la temperatura es directamente proporcional a la radiación total horaria, coincidiendo los mismos horarios donde la temperatura es mayor en el periodo de las 12 horas, y con la inclinación de 18 grados.

El cálculo realizado de la radiación total permite definir que para el ángulo de 18 grados es mayor la concentración de esta teniendo como el mayor valor el de 6643,00kwh/m2 día, siendo este valor cercano al dado por la Base de Dados PVGIS-helioclim, que está definido como 6650 kwh/m2 día.

Energía útil ganada por el colector

El colector es el que permite la captación de la energía útil que puede ser utilizada para el calentamiento del agua, los resultados se encuentran en la tabla 3 y el grafico 3. Para el cálculo de la energía útil fue partiendo de la inclinación de 18 grados por ser la más óptima.

Tabla 3 Resultados del cálculo de Energía útil

Grafico 3 Comportamiento de la Energía útil con respeto al tiempo

Eficiencia del colector

Con el objetivo de conocer el funcionamiento del calentador de agua prototipo construido se procedió al cálculo de la eficiencia del colector, arribando a el valor de ?=53.0 %. Como se puede apreciar la eficiencia del calentador compacto construido está acorde a las estadísticas de estos.

Ventajas y beneficios de los calentadores solares compactos

Los beneficios del uso de los calentadores solares de agua los podemos clasificar en dos: económicos y ambientales.

Económicos.-Con la instalación de un sistema adecuado a nuestras necesidades, podemos satisfacer la mayor parte de los requerimientos de agua caliente de los hogares, sin tener que pagar combustible, pues utilizar así el sol no nos cuesta. Aunque existan gastos iníciales, con los ahorros que se obtienen por dejar de consumir gas, podemos recuperar nuestra inversión en un plazo razonable.

Ambientales.-El uso de los calentadores solares permite mejorar en forma importante nuestro entorno ambiental. Los problemas de la contaminación en las zonas urbanas no sólo son provocados por los combustibles utilizados en el transporte y en la industria, sino también por el uso de gas en millones de hogares, lo cual contribuye en conjunto al deterioro de la calidad del aire y la emisión de gases de efecto invernadero.

Las ventajas de construir este tipo de enotecnia son múltiples:

• Se usa la energía del sol que es limpia, infinita y gratis.

• Los materiales usados son baratos

• Es una tecnología a favor del medio ambiente.

• No produce ruido ni contaminación.

Los calentadores solares son ecotecnias muy fáciles de hacer y utilizan materiales fáciles de conseguir, su uso permite tener una ahorro económico, se mejora el ambiente al reducir el consumo de biocombustibles fósiles hasta en un 80% y mejora la calidad de vida.

Conclusiones

• La energía solar es una fuente inagotable, por lo que el aprovechamiento de la radiación solar constituye una vía de solución para disminuir los consumos energéticos del país.

• El prototipo de calentador solar diseñado permite elevar la temperatura del agua a través del proceso de radiación solar alcanzando una eficiencia de 69 %.

• Los mejores parámetros para alcanzar la mayor temperatura en el prototipo de calentador construido están dados a las 12.00 horas con un ángulo de 18 grados.

• El prototipo propuesto permite disminuir los consumos energéticos y de la contaminación ambiental.

• La implementación de estos calentadores compactos en el distrito KilambaKiaxi mejorara las condiciones de vida de la población y de las instituciones del mismo

Recomendaciones

• Construir a una mayor escala el calentador solar compacto para verificar su funcionamiento.

• Generalizar la experiencia a del calentador solar a toda la provincia y el país.

Bibliografía

• Abdel- Khalik, S,I,Heat. (1976). Removal Factor for a FlatPlate Solar Collector with a Serpentine Tube. Solar Energy, 18(1): 59-65.

• Altuzarra Herrera, G. (1983). Resistencia de materiales, Volumen 2. La Habana: Editorial Pueblo y Educación. Bergues, C. (2009). Algunos aspectos de los cambios tecnológicos en secadores solares cubanos. Rev. Tecnología Química, (2).

• Bérriz Pérez, L. (1976). Desarrollo de un prototipo de calentador solar de agua, en informe del ININTEF.

• Bérriz Pérez, L. (1999). Cuando el sol seca plantas medicinales. Energía y tú, (7 jul.-sep.): 4-8. Bérriz Pérez, L. (1999). Secadores solares. Energía y tú, (6 abr.-jun.): 21-24.

• Bérriz Pérez, L. (1999).Los recursos naturales. Energía y tú, (5 ene.-mar.): 14-16. Bérriz Pérez, L. (2000). El calentador solar. Energía y tú, (11 jul.-sep): 4-9.

• Bérriz Pérez, L. (2003). Secador solar de madera. Energía y tú, (24 oct.-dic.): 4-6. Bérriz Pérez, L. (2006). El calentador solar y el ahorro de energía. Energía y tú, (33 enero-marzo): 4-6.

• Bérriz Pérez, L.; Álvarez González, M.; Vázquez Hernández, L. (1998). El verano: una solución tropical. Energía y tú, (1 ene.-mar): 4-6. Bérriz Pérez, L.; Álvarez González, M. (1999). Las cocinas solares: ventajas y desventajas. Energía y tú, (8 oct.-dic.): 19-24.

• Bérriz Pérez, L., Álvarez González, M. (2008). Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares. La Habana: Editorial CUBASOLAR.

• Bérriz Pérez, L.; Henríquez Pérez, B. (1999). El horario de verano. Energía y tú, (6 abr.-jun.): 11-15.

• Bhardwaj, R.K., et al. (1967). Performance of a Flat-Plate Solar Collector.Solar Energy, 11(3-4): 160-162.

Autor:

René Medina Suarez

Coautores:

Felipe Pérez Meléndez

Yanetzy Medina Suarez