Captacion de Energía Solar por medio de Colectores

Combustin

Prctica: Energa Solar Energas no Convencionales

ENERGA SOLAR

I. PRESENTACIN

El agua caliente constituye un consumo energtico importante en una casa teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios de medida de este consumo. En general se considera que un consumo medio tpico es del orden de los 40 litros por da y persona. En los pases en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del consumo de energa de un hogar, este porcentaje es mayor que en los pases desarrollados, donde el consumo de energa para producir agua caliente sanitaria (ACS) se supone del 26% del consumo total de la vivienda. Pero, en general, a nivel mundial, se ha convertido en el segundo uso energtico domstico en importancia despus de la calefaccin y la refrigeracin. Por esta razn, el calentamiento de agua mediante energa solar, ms all de ser una alternativa ecolgica, se ha convertido en una tecnologa econmicamente atractiva y competitiva en muchos pases.

En los ltimos aos se est produciendo un aumento notable de instalaciones de energa solar trmica en el mundo; los avances tecnolgicos permitieron la fabricacin de sistemas de mejor calidad y a menor costo y la sociedad est entendiendo la necesidad de sustituir los combustibles fsiles.

Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y transferir energa solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energa solar, puede ser utilizada para calentar agua, para sistemas de calefaccin o para climatizacin de piscinas.

Desde su primera invencin, hace 120 aos, se han desarrollado diversas formas de colectores solares trmicos, que van de los colectores planos a los colectores parablicos y helistatos. Se estima que en todo el mundo, el rea instalada de colectores solares supera los 58 x 106m2. En Per el uso de colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros pases como los europeos y China.

Para calentar agua a temperatura media, para calefaccin de espacios y para procesos industriales, las aplicaciones ms utilizadas son los colectores planos, en los cuales el rea de la superficie absorbedora es la misma que el rea total del colector; o tubulares, en los que el absorbedor se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vaco. Estos ltimos pueden incluir, ya sea dentro o fuera del tubo, espejos cilindro-parablicos para centrar la energa solar en el absorbedor.

Temperaturas de 40 a 70 C son alcanzadas fcilmente por los colectores planos; el uso de superficies selectivas y reflectores junto a la retencin de calor, hace que los colectores de tubos de vaco alcancen temperaturas significativamente ms elevadas.

Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicacin prevista y de acuerdo al clima del lugar en el cul va a estar emplazado. Un colector diseado para aplicaciones en las que se necesitan fluidos a alta temperatura no resulta ms eficiente cuando operan a bajas temperaturas.

II. OBJETIVOS

Aprovechar la Energa Solar como fuente de energa, utilizando el principio de la transferencia de calor.

Calcular la eficiencia del sistema de tuberas de PVC en cuanto a la transferencia de calor.

III. MARCO TERICO

Captacin de energa solar

Para cualquiera de las aplicaciones de la energa solar la parte principal del sistema es el COLECTOR - el artefacto que capta energa solar y la convierte en energa til - sea en forma calrica o elctrica.

Para la conversin de energa solar en energa elctrica se utilizan las CELDAS SOLARES proveniente de los materiales semiconductores -tipo silicio principalmente. Se usan en relojes, calculadores y hasta en naves espaciales etc. Debido al requerimiento de inversin inicial y complejidad de fabricacin, muy pocos pases del mundo estn fabricando las celdas solares.

Por otro lado la energa solar puede ser transferida en calor empleando captadores sencillos, los cuales pueden fabricar fcilmente y con los materiales disponibles en el mercado local. Existen dos tipos de captadores o colectores:

tipos Planos (Fig. 1) y tipos Concentradores (Fig. 2 y 3).

0- Rayos Solares

1- Cobertor(es)

2- Caja Exterior

3- Lamina metlica

4- Dos tubos horizontales,

Varios tubos verticales

5- Aislante Trmico

6- Entrada del fluido frio

7- Salida del fluido caliente

8- Aislante TrmicoFig. 1a. Componentes de un colector plano

1) Colector plano: puede dar temperaturas entre 50-200C, con una eficiencia promedio entre 40 al 60%.

La Figura 1a muestra el principio bsico de uno de los ms comunes diseos de colectores solares planos. Es esencialmente una placa metlica (que puede ser de acero, hierro galvanizado, aluminio o preferiblemente de cobre) pintada de color negro mate, con el fin de absorber al mximo la radiacin directa (proveniente de disco solar) y tambin la difusa (proveniente de cielo). La radiacin solar despus de ser absorbida es transformada en energa trmica. Sin embargo, como el ambiente se encuentra a una temperatura inferior a la de la placa, sta placa comienza a perder la radiacin, aunque slo en la regin del infrarrojo. Para reducir las prdidas de energa en la parte posterior y laterales, la placa est encerrada en una caja (de madera o metlica etc.) bien aislada al fondo y lateralmente (usando lana de vidrio, estereofn, poliuretano o cscara de arroz, aserrn etc.). Para reducir las prdidas de energa por la parte superior, la fachada del colector est cubierta con una o ms lminas de vidrio o de plstico transparente, permitiendo que penetre la luz solar pero evitando el escape de la radiacin infrarroja emitida de la placa caliente. Por lo tanto aire dentro de la caja alcanza alta temperatura. Despus el calor neto absorbido por la placa es transferido a varios tubos de metal, verticales separados por una distancia de 10-15 cm entre ellas, y unidos estrechamente a la placa, por los que el fluido se hace circular. Dichos tubos se colocan longitudinalmente de manera que el fluido (aire o agua) fro entre por la parte baja y salga, una vez caliente, por la alta, debido a su menor densidad.

Fig. 1b. Colector Solar del tipo plano.

2) Colectores concentradores: son de tipo parablico (Fig. 2a) capaz de dar temperaturas entre 500-2000 C o tipo cilndrico (Fig. 3a) el cual puede generar temperaturas entre 200 a 500 C, ambos con una eficiencia de 30- 50%

0- Rayos Solares

1- Reflector

2- Rayos Reflejados

3- Recipiente metlico

4- Entrada del fluido fro

5- Salida del fluido caliente

Fig. 2: Colectores Parablicos (A) y Cilndrico (B)

Esto tipos de colectores usan en su confeccin materiales altamente reflectivos, tales como papel aluminio, un espejo o acero inoxidable etc. Aqu solo la componente directa de la radiacin solar que cae sobre la superficie reflectora es reflejada concentrndose los rayos en un nico punto (en colectores parablicos o de tipo lupa) o en una lnea (en colectores cilndricos).

Fig. 3 Colectores- Parablico (A) y Cilndrico (B).

En los focos se colocan un tubo metlico, la parte exterior es pintada de negro.

De nuevo para disminuir la prdida de energa, el tubo negro sta rodeado por un cobertor de vidrio (preferiblemente bajo vaco pero no indispensable). El calor neto recolectado aqu es transferido al fluido que circula dentro del tubo (en el caso colector cilndrico) o un recipiente (en el caso de colector parablico).

Debido a que existen algunas limitaciones como: la vida del material de reflexin y refraccin, cantidad de la radiacin difusa en un determinado lugar, etc.

Los colectores concentradores son preferidos para aplicaciones donde se necesita alta temperatura o especficamente donde no se puede usar los colectores planos.

En otro lado por sus costos, fcil de fabricar y usar, los colectores planos son ms recomendables para las mayoras de las aplicaciones.

Conceptos importantes y ecuaciones para calcular la energa solar

Flujo:

Se llama flujo de "algo" (materia, energa), la cantidad de ese "algo" que pasa a travs de una superficie, por unidad de rea y por unidad de tiempo. Por tanto, el flujo luminoso, que es un flujo de energa, tiene unidades de energa por unidad de rea y por unidad de tiempo, por ejemplo, Js-1m-2, equivalentes a Wm-2.

Constante Solar:

La radiacin emitida por el Sol, junto con sus condiciones geomtricas respecto de la Tierra, dan por resultado que, sobre la atmsfera terrestre, incide una cantidad de radiacin solar casi constante. Esto ha dado lugar a la definicin de la llamada constante solar.

La constante solar, Gsc, es el flujo de energa proveniente del Sol, que incide sobre una superficie perpendicular a la direccin de propagacin de la radiacin solar, ubicada a la distancia media de la Tierra al Sol, fuera de la atmsfera.

El valor comnmente aceptado para Gsc ha variado en los ltimos aos, segn las tcnicas de medicin que se han empleado, lo cual no indica que haya variado en s la magnitud de la energa que se recibe del Sol. Nosotros usaremos el valor:

Estos valores fueron aceptados por la NASA (1971) y por la ASTM.

Radiacin extraterrestre normal

Como se mencion, la radiacin extraterrestre que incide sobre la Tierra est sujeta a las variaciones geomtricas y a las condiciones fsicas del propio Sol.

La ecuacin que describe el flujo de energa sobre un plano normal a la radiacin solar extraterrestre, a lo largo del ao es:

Donde:

Gon = flujo de radiacin extraterrestre, medida en un plano normal a la radiacin en un da

Gsc = constante solar

n = # de da

Tabla N1: Ecuaciones para convertir el da del mes, en el nmero de da del ao.

Mes

"n" para el i-simo da 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

En la ecuacin anterior, as como en el resto del curso, las normas para los subndices son como sigue: el subndice "sc" se usa para la constante solar (del ingls solar constant); el subndice "o" se usa para la radiacin extraterrestre, esto es, fuera de la atmsfera.

Por ltimo, el subndice "n" se utiliza para la radiacin medida en un plano normal a la direccin de propagacin de la radiacin. De esta forma, el subndice "on" se utiliza para la radiacin extraterrestre observada en un plano normal a la radiacin.

Tipos de radiacin

La radiacin solar sufre ciertas transformaciones al incidir sobre la atmsfera, de modo que es necesario manejar algunos conceptos especficos para los diversos tipos de radiacin. Las siguientes definiciones ayudan a aclarar estos conceptos.

Se conoce como radiacin directa, la que se recibe directamente del Sol, sin sufrir ninguna dispersin atmosfrica. La radiacin extraterrestre es, por tanto, radiacin directa. Generalmente se usa el subndice "b" para indicar radiacin directa, por el trmino que se utiliza en ingls: beam (haz, rayo).

La radiacin difusa es la que se recibe del Sol, despus de ser desviada por dispersin atmosfrica. Es radiacin difusa la que se recibe a travs de las nubes, as como la que proviene del cielo azul. Suele utilizarse el subndice "d" para la radiacin difusa.

Por otro lado, se conoce como radiacin terrestre la que proviene de objetos terrestres, por ejemplo, la que refleja una pared blanca, un charco o un lago, etc.

Se conoce como radiacin total, la suma de las radiaciones directa, difusa y terrestre que se reciben sobre una superficie. Por ejemplo, sobre una pared o una ventana, incide la radiacin directa del Sol, la difundida por las nubes y por el cielo y, adems, puede entrar la luz reflejada por algn otro objeto frente a la pared o ventana. Un caso particular, pero de mucho inters prctico en el estudio de la energa solar, es el medir la radiacin total sobre una superficie horizontal "viendo" hacia arriba. En este caso puede considerarse que no existe radiacin terrestre y se conoce tambin como radiacin global. Por tanto, la radiacin global es la suma de la directa ms la difusa.

Para expresar la potencia solar y en general, de cualquier radiacin se utiliza el trmino irradiancia. La irradiancia, W m-2, es la rapidez de incidencia de energa radiante sobre una superficie, por unidad de rea. Generalmente se usa el smbolo G para la irradiancia, junto con los subndices adecuados: Go, Gb, Gd, para la irradiancia extraterrestre, directa, difusa, etc. Ntese que la irradiancia tiene la virtud de indicar muy claramente que la radiacin es un fenmeno que transcurre en el tiempo, que "va de pasada", que no es esttico. Es energa que incide instantneamente sobre una superficie

Cuando incide la radiacin sobre un plano, durante un tiempo determinado, puede hablarse entonces de que incidi una cierta cantidad de energa. La cantidad de energa, por unidad de rea, que incide durante un perodo de tiempo dado, recibe el nombre de irradiacin, J m-2, y no es otra cosa que la integral de la irradiancia durante el perodo en cuestin. Generalmente se usa el smbolo "I" para la insolacin por hora, mientras que "H" se usa para la insolacin en el perodo de un da. Se aplican los mismos subndices, por ejemplo: Ho simboliza la irradiacin extraterrestre en un da; Id simboliza la irradiacin difusa en una hora, etc.

De acuerdo con lo anterior, la relacin entre la irradiacin y la irradiancia est dada por la expresin:

en donde la irradiacin se est calculando desde el tiempo t1 hasta el tiempo t2 y la irradiancia se considera funcin del tiempo.

Clculo de la irradiancia directa sobre una superficie

Consideremos por ahora el clculo de la radiacin directa sobre una superficie. El flujo de energa sobre una superficie determinada depende no slo de la irradiancia que exista, sino tambin de la orientacin que tenga la superficie en cuestin respecto de la direccin de propagacin de la radiacin. La irradiancia ser mxima sobre un plano que est en posicin normal a la direccin de propagacin de la radiacin (es decir, que le d "de frente" o "de cara"). En cambio, ser mnima si el plano es paralelo a la radiacin (es decir "de canto"). La intensidad de radiacin sobre la superficie depender pues, del ngulo que forme la normal de la superficie, respecto de la direccin de propagacin de la radiacin. Este ngulo se conoce con el nombre de ngulo de incidencia.

Entonces, la irradiancia incidente sobre la superficie ser:

en donde GT se refiere a la irradiancia sobre un plano con cualquier inclinacin (de "tilted") y Gn se refiere a la irradiancia medida sobre un plano normal a la direccin de propagacin de la radiacin.

Si se conoce la irradiancia normal, por ejemplo, la constante solar Gsc es una irradiancia normal y se conoce el ngulo , mediante la ecuacin anterior se puede calcular la irradiancia sobre un plano con cualquier inclinacin. Como el Sol describe un movimiento aparente a lo largo del da (de oriente a poniente), y otro a lo largo del ao (de sur a norte y viceversa), el valor del ngulo vara con la fecha y la hora, adems de hacerlo con la orientacin del plano, su inclinacin respecto de la horizontal y la latitud geogrfica del lugar donde se encuentre el plano en cuestin.

Mediante el uso de trigonometra esfrica podemos calcular las coordenadas horizontales a partir de las coordenadas horarias, obtenemos la siguiente ecuacin que nos proporciona el valor del ngulo mediante el valor del coseno de :

En donde:

(Phi) = latitud geogrfica:

Lugar de ubicacin del plano en cuestin respecto al ecuador:

Tiene valores positivos en el hemisferio norte y valores negativos en el hemisferio sur

Esta entre este intervalo: -90 90

(Delta) = declinacin solar:

Posicin angular del Sol al medioda solar, respecto del plano del ecuador, positivo hacia el norte

Solucin de Cooper para la declinacin solar:

(Gamma) = Acimut de la superficie

ngulo que forma la normal a la superficie, respecto del meridiano local. = 0 corresponde al sur.

Hacia el este se consideran valores negativos y hacia el oeste positivo.

Por ejemplo, una ventana que "ve" al poniente, tiene = 90, mientras que una hacia el norte, tiene = 180.

(Beta) = Inclinacin del plano receptor

Pendiente o inclinacin del plano sobre el cual incide la radiacin respecto de la horizontal.

En el intervalo 0 90, la superficie "ve" hacia arriba, mientras que en el intervalo 90 180, la superficie "ve" hacia abajo.

Ejm: una azotea horizontal tendra = 0, mientras que para una pared vertical, = 90.

(Omega) = ngulo horario

Desplazamiento angular del sol al este u oeste del meridiano local

Tiene valores negativos en la maana y valores positivos en la tarde

Un giro completo queda dividido en un dia, 360/24 h que es lo mismo que 15/ hora

Para hacer la conversin se hace uso de la hora solar y no de la hora civil.

Ejemplos:

El medio dia solar, 12 h: = 0

10 h: = -30

16 h: = 60

* Angulo Cenital

Para una superficie horizontal, en donde z representa el ngulo de la posicin del Sol respecto de la vertical (que es la normal al plano en cuestin), se le conoce con el nombre de ngulo cenital. Por lo tanto cuando no se tiene una elevacin (4) nos queda:

* Conversin de hora civil a hora solar:

En la mayora de los clculos solares se requiere la hora solar, mientras que los relojes indican la hora civil. La hora solar es la que indica un reloj de Sol, el medioda (12:00 hrs.) corresponde exactamente al paso del Sol por el meridiano. Como en la prctica esto hara que lugares relativamente cercanos tuvieran horas distintas, se han establecido los husos horarios. Esto hace que en muchas ciudades la hora solar sea diferente, pero la hora civil es la misma, existiendo una diferencia entre ellas, dada por la ecuacin:

Donde:

Lst = longitud geogrfica del meridiano de referencia o meridiano estndar.

Lloc = longitud geogrfica del meridiano local.

Otra correccin necesaria est dada por el hecho de que el Sol se adelanta y se atrasa respecto de la hora solar media, debido a dos efectos astronmicamente bien conocidos y estudiados: la excentricidad de la rbita terrestre y la inclinacin del eje polar de la Tierra respecto de la rbita. Esto da lugar a otra correccin que se conoce como la ecuacin del tiempo, que est dada por la expresin:

Donde:

Entonces, la ecuacin para convertir de hora civil a hora solar queda:

FIg 4: Husos horarios mundiales

Finalmente en la ecuacin (3) podemos hacer unos cambios por las variables que nos interesan quedndonos asi:

Donde:

Go = irradiancia directa sobre cualquier superficie, dada en W m-2 o J m-2s-1

Por ltimo, si integramos la ecuacin (10) desde un tiempo inicial t1 hasta un tiempo final t2 con ngulos horarios 1 y 2, respectivamente

Obtendremos una expresin para calcular la irradiacin incidente en un plano horizontal, Io, en J m-2, es:

Calculando la Radiacin Global

La atmsfera ejerce un efecto de redistribucin de la radiacin que recibe del Sol. Por ejemplo, en un da muy despejado, una parte relativamente pequea se convierte en radiacin difusa, mientras que la mayor parte permanece como directa. La radiacin difusa, en un da despejado, es la que proviene del cielo azul. En cambio, en un da nublado, la redistribucin de la radiacin es mucho ms notable. Las nubes densas tienen un albedo (fraccin de energa reflejada) muy alto, lo cual hace que, en un da densamente nublado, una gran parte de la radiacin solar se refleje al espacio exterior. Adems, la energa que logra pasar a travs de las nubes, es nicamente radiacin difusa.

Es muy difcil desarrollar modelos para predecir con precisin la presencia de nubes (posicin, densidad, etc.). Existen modelos para prediccin de "das promedio" en cierta fecha, pero no para fechas especficas. Por otro lado, desde el punto de vista del aprovechamiento de la energa solar, no es interesante la prediccin para fechas especficas, pese a que para los meteorlogos ste sea un reto interesantsimo.

En cambio, existe una diversidad de modelos para estimar la radiacin solar para das despejados. Bsicamente, estos modelos aplican un factor de transmitancia a la radiacin extraterrestre.

Para estimar la irradiancia directa sobre una superficie en una atmsfera clara, se usa Gcb, dado por la ecuacin:

Para perodos de tiempo, es posible tambin usar el mismo factor de transmitancia para estimar la irradiacin en un da despejado:

Como puede suponerse ahora, el problema consiste en el clculo o la estimacin de la transmitancia atmosfrica para la radiacin directa, b y para la difusa, d. Existen varios modelos para ello. Nosotros utilizaremos el que se conoce como "modelo de Hottel" (1976). Este modelo expresa la transmitancia atmosfrica, en funcin del ngulo (mayor transmitancia en direccin vertical, menor hacia el horizonte), de la altura sobre el nivel del mar (mayor transmitancia a mayor altura) y del tipo de clima. El modelo de Hottel es de la forma:

en donde ao, a1 y k son parmetros ajustados empricamente. Para el clculo de estas cantidades, que viene siendo la correccin por altura y tipo de clima, se usan las ecuaciones:

donde A es la altura sobre el nivel del mar, en kilmetros. Los valores de las diversas r estn dadas en la siguiente tabla, para diversos tipos de clima.

Tabla N2: Factores de correccin para algunos tipos de climas.

Tipo de clima

ro

r1

rk

1 Tropical

0,95

0,98

1,02

2 Verano, latitud media

0,97

0,99

1,02

3 Verano, sub-rtico

0,99

0,99

1,01

4 Invierno, latitud media

1,03

1,01

1,00

La radiacin difusa es ms difcil de modelar con precisin, pero afortunadamente es menor, desde el punto de vista energtico. Generalmente se supone que la radiacin difusa proviene homogneamente de todo el cielo, esto es, no tiene una direccin preferencial. Para una superficie la transmitancia a la radiacin difusa est dada por:

Entonces, la transmitancia a la radiacin directa, obtenida anteriormente, se substituye en sta, para obtener Gcd. La irradiancia difusa estar dada por la ecuacin:

o, para un intervalo de tiempo,

y la irradiancia e irradiacin total estarn dadas por las ecuaciones:

IV. MATERIALES Y MTODOS

Para sistema de tuberasMateriales.4 sistemas de tuberas de PVC.Soportes de fierro.Flujo de agua.Termmetro.Cronmetro.Cinta tefln.Probetas de 50 mL.Regla.Las caractersticas de los colectores usados son:COLECTOR SOLARMaterial: PVCColor: negro (2) y plomo (2)N tubos9N codos9Longitud (cm)52Longitud (cm)6.5dimetro (pulg)0.5dimetro (pulg)0.5Lequiv = 5.265 mLa capacidad de cada colector es: =La capacidad total del circuito es:MtodoPara llevar a cabo el presente laboratorio, se ha de realizar los siguientes pasos:Armar el circuitoDe manera adecuada, se arm el circuito, uniendo los cuatro sistemas de tuberas a travs de un tubo, el cual en la parte inicial estaba conectado a una llave. Cada colector solar en la parte final, tambin tena una llave para evitar la salida del agua y lograr almacenarla por el tiempo que sea necesario.Nota: las tuberas se encuentran con un ngulo de inclinacin determinado, el cual vari tres veces (3 estaciones). Por lo tanto, se repite todo el procedimiento, cada vez que ocurra esta variacin.Medir el caudal del circuitoPara esto, se abri tanto la llave del tanque para permitir la entrada del fluido de agua a las tuberas, as tambin como una de las llaves de salida de una de las tuberas, de la cual se tom un volumen determinado en un intervalo de tiempo. As pues se pudo determinar el caudal: Q = V / t. Determinar la temperatura de entrada y salida tras realizar un ciclo continuo y un ciclo batch.Para ciclo continuo: tomar la temperatura de entrada y salida del agua al circuito a cada tubera cuando se tiene ambas llaves abiertas.Para ciclo batch: tomar la temperatura de entrada del agua al circuito, y despus de 30 minutos, tomar la temperatura de salida del agua en cada tubera.Registrar el ngulo de inclinacinSe midi esta altura para luego poder hallar el ngulode inclinacin de las tuberas. Las alturas fueron tres como se observa en la figura de la derecha, las cuales en los resultados las llamaremos estaciones.Registrar el ngulo de incidenciaSe midi la longitud de un objeto, en este caso, un tubo y tambin la longitud que proyecta sobre el piso; para luego poder hallar el ngulo de incidencia respectivo.

V. RESULTADOS

Para sistema de tuberas

Determinando los ngulos:

ngulo de inclinacin de la tubera

ngulo de incidencia

Hallando :

Hallando :

Se trabaj con 3 ngulos de inclinaciones diferentes de las tuberas.

Tabla N3: Determinacin de los diferentes ngulos de inclinacin e incidencia.

Inclinacin

ngulo de inclinacin de la tubera

ngulo de incidencia

y (cm)

h (cm)

Angulo

Altura (cm)

Longitud proyectada (cm)

Angulo

1

44

53

56.12

85

26.5

72.68

2

34

53

39.90

35.5

5

81.98

3

24.3

53

27.29

35.5

9

75.77

5.1 Realizar un balance de energa sobre los sistemas de tuberas, para determinar la cantidad de calor transferido.

En el experimento se asumir a =0, puesto que consideraremos despreciable este dato. Con lo que la ecuacin (4) nos resultar:

Ordenando:

Reemplazando (26) en la ecuacin (12):

Nos resulta:

La ecuacin (28) ser la que se usar para el clculo de la irradiacin sobre nuestro sistema.

Algunos Datos para los clculos:

Da de la experimentacin: mircoles 2 de noviembre (Tabla N1)

Latitud del Laboratorio de Catlisis: 8 6 49.38 SUR (fuente: Google Earth)

Declinacin Solar :

Altura A del Laboratorio de Catlisis: 0.0025 km (fuente: Google Earth)

ngulo horario :

INCLIN

Hora Civil (h, min)

Hora Solar (h, min, seg)

Hora solar (h)

()

Hora de inicio de ensayo

1

11:05

10h, 59, 54

10.9983

-15.0255

2

11:40

11h, 34, 54

11.5817

-6.2745

3

12:20

12h, 14, 54

12.2483

3.7245

Hora final de ensayo

1

11:35

11h, 29, 54

11.4983

-7.5255

2

12:10

12h, 04, 54

12.0817

1.2255

3

12:50

12h, 44, 54

12.7483

11.2245

Calculamos el primer factor:

Multiplicamos el primer factor de la ecuacin por lo correspondiente y finalmente hallamos los valores de las irradiaciones (J.m-2):

Ahora para calcular la radiacin directa y difusa captada por nuestro calentador de agua usaremos el mtodo de Hottel con el cual se asumir un da despejado ya que es casi imposible determinar con exactitud este tipo de radiaciones por la dificultad que suponen los diversos factores meteorolgicos.

Para la ciudad de Trujillo se trabajar con los factores de correccin para un clima tropical.

Calcularemos el coseno del ngulo cenital al tiempo de inicio para cada inclinacin del colector en la que se trabajo:

Calculamos las respectivas transmitancias directa y difusa para cada caso:

En funcin del ngulo de Cos = - 0.1610



INCLINACIONES

Io (J/m2)

b

d

Icb (J/m2)

Icd (J/m2)

Ic (J/m2)

1

1618403.361

0.8021

0.0353

1298121.336

57129.6386

1355250.975

2

2089727.849

0.4852

0.1284

1013935.952

268321.0558

1282257.008

3

2314979.310

0.4480

0.1393

1037110.731

322476.6179

1359587.349

Debido a que solo la mitad de la superficie de la tubera est expuesta a la radiacin solar, el rea de contacto est definida por la frmula:

S = rea de contacto

Lc = Longitud de la circunferencia

L = longitud de la tubera

Para calcular el calor terico recibido debemos multiplicar la radiacin calculada para el correspondiente tiempo en cada colector por el rea expuesta.

Para la primera inclinacin:

Para la segunda inclinacin:

Para la tercera inclinacin:

Asumiendo un valor de densidad del agua de 1000 kg/m3 calcularemos la masa de agua mediante el volumen calculado:

Tomando el calor especfico del agua Ce = 1 Kcal/Kg reemplazamos los valores en la siguiente ecuacin:

Donde T es la variacin de temperatura correspondiente.

Color de la tubera

T (K)

Q real (Kcal)

1

2

3

1

2

3

NEGRA 1

2.0

1.0

4.0

1.3340

0.6670

2.6680

PLOMA 1

1.0

1.0

1.0

0.6670

0.6670

0.6670

NEGRA 2

1.0

1.5

1.0

0.6670

1.0005

0.6670

PLOMA 2

0.5

0.5

2.5

0.3335

0.3335

1.6675

5.2 Calcular la eficiencia de calor transferido a travs de las tuberas de PVC.

Finalmente hallamos la eficiencia x medio de la siguiente ecuacin:

Color de la tubera

Q teorico (Kcal)

Q real (Kcal)

(%)

1

2

3

1

2

3

1

2

3

NEGRA

34.0108

32.1790

34.1197

1.3340

0.6670

2.6680

4.92

2.07

8.29

PLOMA

0.6670

0.6670

0.6670

1.96

2.07

2.07

NEGRA

0.6670

1.0005

0.6670

1.96

3.11

2.07

PLOMA

0.3335

0.3335

1.6675

0.98

1.04

5.18

5.3 Elaborar un cuadro resumen, de forma individual para cada ciclo, con los valores de calor transferido a los sistemas de tuberas, a diferentes ngulos de inclinacin.

COLOR TUBERIA

NEGRA 1

PLOMA 1

NEGRA 2

PLOMA 2

INCLINACIONES

CALOR TRANSFERIDO CICLO BATCH (Kcal)

1

1.3340

0.6670

0.6670

0.3335

2

0.6670

0.6670

1.0005

0.3335

3

2.6680

0.6670

0.6670

1.6675

NOTA:

No se trabajo con el sistema continuo puesto que no se registro ningn cambio de temperatura en el agua al pasar por el sistema

IV. MATERIALES Y MTODOS

Para colectores solares

Materiales.2 Colectores solares (plano y parablico)Flujo de agua.Termmetro.Cronmetro.Cinta tefln.Probetas de 50 mL.Regla.Las caractersticas de los colectores usados son:COLECTOR SOLAR PLANOCOLECTOR SOLAR PARABLICOMaterial: PVCMaterial: PVCdimetro (pulg) = 0.5dimetro (pulg) = 0.5Lequiv = 4,.785 mLequiv = 2.1 mLa capacidad de cada colector es: =Colector plano Colector parablico MtodoPara llevar a cabo el presente laboratorio, se ha de realizar los siguientes pasos:Armar el circuitoDe manera adecuada, se arm el circuito, conectando el colector solar a la tubera de entrada que tena una llave para controlar el flujo del agua. Cada colector solar en la parte final, tambin tena una llave para lograr almacenar el agua por el tiempo que sea necesario (en caso de un ciclo batch).Nota: los colectores, como se puede observar en las figuras, se encuentran con un ngulo de inclinacin determinado.Medir el caudal del circuito Se abri tanto la llave del tanque para permitir la entrada del fluido al colector, as tambin la llave de salida del colector, se tom un volumen determinado en un intervalo de tiempo. As pues se pudo determinar el caudal: Q = V / t. Determinar la temperatura de entrada y salida tras realizar un ciclo continuo y un ciclo batch.Para ciclo continuo: tomar la temperatura de entrada y salida del agua al colector cuando se tiene ambas llaves abiertas.Para ciclo batch: tomar la temperatura de entrada del agua al colector, y despus de 20 minutos, tomar la temperatura de salida del agua del mismo.Registrar el ngulo de inclinacinSe midi la altura entre el colector y la horizontal, para luego poder hallar el ngulo de inclinacin de cada colector. Registrar el ngulo de incidenciaSe midi la longitud de un objeto, en este caso, un muro y tambin la longitud que proyecta sobre el piso; para luego poder hallar el ngulo de incidencia respectivo.

V. RESULTADOS


a) Colector plano

Caudal:

1. Q2 = 250 mL / 1,5 s

2. Q3 = 215 mL / 1,25 s

3. Q4 = 230 mL / 1,15 s

Qprom = 231.7 mL / s

Para flujo continuo:

Temperatura de entrada al colector (en el tanque) Te = 29 C

Temperatura de salida del colector Ts = 30 C

Para flujo batch:

Temperatura de entrada al colector (en el tanque) Te = 28 C

Temperatura de salida del colector (despus de 20 minutos) Ts = 52 C

ngulo de inclinacin del colector plano:

Altura= 35 cm

Hipotenusa =63,3 cm

ngulo de incidencia:

Longitud proyectada= 28 cm

Altura real = 70 cm

b) Colector parablico

Caudal:

4. Q1 = 227 mL / 1,15 s

5. Q2 = 245 mL / 1,65 s

6. Q3 = 270 mL / 1,57 s

Qprom = 247.3 mL / s

Para flujo continuo:

Temperatura de entrada al colector (en el tanque) Te = 23,5 C

Temperatura de salida del colector Ts = 24 C

Para flujo batch:

Temperatura de entrada al colector (en el tanque) Te = 23,5 C

Temperatura de salida del colector (despus de 20 minutos) Ts = 46 C

ngulo de inclinacin del colector plano:

Altura= 34 cm

Hipotenusa = 100 cm

ngulo de incidencia:

Longitud proyectada= 8,3 cm

Altura real = 70 cm

5.1 Realizar un balance de energa sobre los sistemas de tuberas, para determinar la cantidad de calor transferido.

Algunos Datos para los clculos:

Da de la experimentacin: viernes 4 de noviembre (Tabla N1)

Latitud del Laboratorio de Catlisis: 8 6 49.38 SUR (fuente: Google Earth)

Declinacion Solar :

Altura A del Laboratorio de Catlisis: 0.0025 km (fuente: Google Earth)

ngulo horario :

Hora

Tipo

Hora Civil (h, min)

Hora Solar (h, min, seg)

Hora solar (h)

()

Hora inicio de ensayo

PLANO

10:25

10h, 20, 06

10.3350

1=-24.9750

PARAB

11:15

11h, 10, 06

11.1683

1=-12.4755

Hora final de ensayo

PLANO

10:45

10h, 40, 06

10.6683

2=-19.9755

PARAB

11:35

11h, 30, 06

11.5017

2= -7.4745

33.57

19.87

Ahora reemplazamos los valores encontrados en la ecuacin (28):

Calculamos el primer factor:

Multiplicamos el primer factor de la ecuacin por lo correspondiente y finalmente hallamos los valores de las irradiaciones (J.m-2):

Ahora para calcular la radiacin directa y difusa captada por nuestros calentadores de agua usaremos el mtodo de Hottel con el cual se asumir un da despejado ya que es casi imposible determinar con exactitud este tipo de radiaciones por la dificultad que suponen los diversos factores meteorolgicos.

Para la ciudad de Trujillo se trabajar con los factores de correccin para un clima tropical.

Calcularemos el coseno del ngulo cenital al tiempo de inicio para cada inclinacin del colector en la que se trabajo:

PLANO

PARABOLICO

Calculamos las respectivas transmitancias directa y difusa para cada caso:

En funcin del ngulo de Cos = 0.8361 (PARA EL PLANO)

En funcin del ngulo de Cos = 0.9591 (PARA EL COLECTOR PARABOLICO)

INCLINACIONES

Io (J/m2)

b

d

Icb (J/m2)

Icd (J/m2)

Ic (J/m2)

PLANO

0.3313

0.1736

464495.2600

243393.8338

707889.0938

PARABOLICO

0.3364

0.1721

537293.6311

274875.8440

812169.4751

Para colector plano:

Debido a que nuestro colector plano consista en una tubera de cobre encerrada en una caja negra con una base o superficie plstica en la parte inferior, se considerar la superficie total de la tubera como si estuviera expuesta toda la superficie a la radiacin solar, esto para acercar mas a la realidad el calculo. Esta rea de contacto est definida por la frmula:

S = rea de contacto

Lc = Longitud de la circunferencia

L = longitud de la tubera

Para colector parablico:

Puesto que la superficie de la parbola es la que recibe todos los rayos del Sol y el tubo, por encontrarse en el foco, es el que concentra toda esta energa; entonces, se considerar que el rea de captacin es la superficie parablica del colector solar.

Por lo tanto, la frmula ser la siguiente:

S = rea de contacto

La = Longitud del arco parablico

L = Largo del colector parablico

Para calcular el calor terico recibido debemos multiplicar la radiacin calculada para el correspondiente tiempo en cada colector por el rea expuesta.

Para el colector plano:




Para el colector parablico:




5.2 Calcular la eficiencia de calor transferido a travs de las tuberas de PVC.

Finalmente hallamos la eficiencia x medio de la siguiente ecuacin:



5.3 Elaborar un cuadro resumen, de forma individual para cada ciclo, con los valores de calor transferido a los sistemas de tuberas, a diferentes ngulos de inclinacin.

Para ciclo batch:

Tipo de colector

Qtransferido (Kcal)

Plano

14.5464

Parablico

5.985

Para ciclo continuo:





Tipo de colector

Qtransferido (Kcal)

Plano

0.6061

Parablico

0.133

VI. DISCUSIN DE RESULTADOS

6.1 Analizar y discutir el fenmeno de transferencia de calor ocurrido sobre los sistemas de tuberas, a ciclo continuo y ciclo batch.


COLOR TUBERIA

NEGRA 1

PLOMA 1

NEGRA 2

PLOMA 2

INCLINACIONES

CALOR TRANSFERIDO CICLO BATCH (Kcal)

1

1.3340

0.6670

0.6670

0.3335

2

0.6670

0.6670

1.0005

0.3335

3

2.6680

0.6670

0.6670

1.6675

Independientemente del tipo de inclinacin, se observa que en las tuberas de color negro, los calores obtenidos fueron mayores a los obtenidos en las de color plomo; a excepcin de la tubera negra 2.

El mayor valor de calor obtenido fue de 2.668 Kcal, el cual se obtuvo en la primera tubera negra con el menor ngulo de inclinacin de la tubera (27.29).

La variacin de calor transferido obtenidos en las tuberas de color plomo con respecto a cada inclinacin es mnima, ya que los valores se mantienen constantes.


Para ciclo batch:

Tipo de colector

Qtransferido (Kcal)

Plano

14.5464

Parablico

5.985

Para ciclo continuo:

Tipo de colector

Qtransferido (Kcal)

Plano

0.6061

Parablico

0.133

Para ambos, tanto en el ciclo batch como en el continuo, el calor transferido en el colector plano fue mayor que el del colector parablico.

6.2 Comparar y discutir los cuadros resmenes, sobre los valores de calor transferido obtenidos de forma experimental; discutiendo la variacin entre las eficiencias de transferencia de calor sobre las tuberas, as como sus razones.


Color de la tubera

(%)

1

2

3

NEGRA

4.92

2.07

8.29

PLOMA

1.96

2.07

2.07

NEGRA

1.96

3.11

2.07

PLOMA

0.98

1.04

5.18

AQU


Colector plano:

Colector parablico:

A partir de los resultados obtenidos durante la prctica de energa solar, obtenemos que el colector plano ha alcanzado una mayor eficiencia de transferencia de calor, con una eficiencia del 45%, en comparacin con el colector parablico, que ha obtenido un valor mnimo de 5,7% de eficiencia.

6.3 Determinar posibles causas de error, identificando los problemas que surgen durante el desarrollo de la prctica.

Como las tuberas de PVC no tienen ningn tipo de proteccin externa; estn propensas a varios factores medio ambientales como es el viento, que favorecen a disipar el calor y a disminuir la eficiencia del proceso.

A condiciones normales el colector parablico llega temperaturas mayores de absorcin de radiacin solar; sin embargo los resultados obtenidos no demuestran lo contraria; tal vez una de las posibles causas de ello; es que los colectores solares parablicos solo suelen utilizar la radiacin directa que llegas, mas no la difusa.

Una de las ventajas que presenta el colector plano es la presencia del vidrio cobertor; en comparacin de las tuberas plomas y negras trabajadas en la primera prctica de energa solar; es que el vidrio aparte de proteger al sistema (colector plano) de factores ambientales como el viento, tambin permite disminuir las perdidas por conveccin en la superficie del medio. Este vidrio es transparente a longitudes de onda corta provenientes desde el sol, pero es opaco a las longitudes de onda larga emitidas por la superficie de absorcin, con lo cual disminuye al mnimo las perdidas por radiacin.

VII. RECOMENDACIONES

Para lograr mejores eficiencias en los resultados de la prctica de energa solar; lo mejor sera realizarla durante el medioda, cuando el sol est en su cenit; como ya se ha observado en la prctica los valores absorbidos por las tuberas fueron ms eficientes cerca a las 12 am.

Para una mejor comparacin de las eficiencias de las tuberas en funcin a los diferentes ngulos de inclinacin; seria realizar de manera simultnea el proceso de exposicin de las tuberas al sol; pues al tener que esperar media hora para recin pasar al siguiente ngulo de inclinacin; la radiacin que llega no es la misma.

Tener cuidado del estado del colector solar plano; pues, las zonas posteriores y laterales del colector deben estar muy bien aisladas del medio externo para reducir las prdidas por conduccin y lograr mayores eficiencia de la cantidad de energa transferida al liquido.

VIII. BIBLIOGRAFA

TECNOLOGIA SOLAR. M. Ibez Plana, J. Polo, J. Rosell. Grupo Mundi-Prensa. Espaa. 2004

DOCUMENTOS PDF: Notas sobre el curso de Energa Solar. Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Occidente. Juan H. Villalobos, D. Gudio Ayala. Mxico. Febrero de 1995. Disponible en: http://www.solartronic.com/download/curso_iteso.pdf Fecha de visita 15-11-11 (en lnea)

DOCUMENTOS PDF: Determinacin de radiacin solar horaria para das claros mediante planilla de clculo. V. Passamai. INENCO. Facultad de Ciencias Exactas. Disponible en: http://www.unsa.edu.ar/~passamai/passam2.pdf Fecha de visita 15-11-11 (en lnea)

DOCUMENTOS PDF: Estudio terico y experimental de colector solar parablico para generacin de energa. Universidad de Chile. Disponible en: http://www.centroenergia.cl/literatura/memorias_tesis/Memoria_Jorge%20Quinteros.pdf. Fecha de visita 24-11-11 (en lnea)

DOCUMENTOS PPT: Movimientos de la tierra, movimiento aparente del sol, determinacin de la hora y de las coordenadas geogrficas. Alfonso Calera Belmonte, Antonio J. Barbero. Departamento de Fsica Aplicada de la UCLM. Disponible en: http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Teoria/FA0405%20Tema01%20Mov%20Tierra.ppt Fecha de visita 29-11-11 (en lnea)

DOCUMENTOS PDF: Radiacin Solar Disponible en: http://www.ies-def.upm.es/ISF/programa_2002_0303/4_RadSolar.pdf Fecha de visita 2-12-11 (en lnea)

Ing. AmbientalPgina 39

Captacion de Energía Solar por medio de Colectores

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