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    12/26/2015

    Avance 2 | Hctor Azcar, Jorge Morn, Catalina Muoz, SebastinSandoval.

    GESTINENERGTICAII

    ESTUDIO DE COLECTORES SOLARES PARA USODOMSTICO.

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    Resumen ejecutivo

    En el presente informe se detallan todos los aspectos referentes a laimplementacin de colectores solares trmicos en el cual se busca determinarpotencial de los colectores solares en trmicos financieros, energticos y

    ambientales. Este estudio tiene lugar en la ciudad de Valparaso, 5ta Regin deChile.

    Para esto se analizarn los diferentes colectores que existen en la actualidad y asdeterminar el colector solar ms apropiado para esta ubicacin geogrfica y suinclinacin necesaria para maximizar la fraccin solar.

    Adems, se buscar fomentar el uso de las energas limpias y sustentablesbasndose en datos reales que demuestren todos los beneficios que trae laejecucin de un proyecto como el que aqu se presenta.

    Se explicar por qu se ha elegido un colector plano como el ms indicado dadalas condiciones la ciudad de Valparaso, y de la condiciones tambin de los gastosimplicados.

    Se detallar adems los favorables indicadores econmicos que se obtienen,desde el VAN sobre los 2,6 millones de pesos hasta un Payback de tan solo 1,3aos.

    A continuacin se muestra el anlisis detallado de cada factor relevante de esteimportante proyecto energtico que pretende ser un impulso al uso masificado delas ERNC

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    Introduccin

    La energa solar es una energa renovable producida por el sol, la cual estransmitida mediante ondas electromagnticas y generadas de forma continua porreacciones nucleares de fusin. Esta radiacin solar ha sido aprovechada por el

    ser humano desde la antigedad, mediante diferentes tipos de tecnologas quehan ido evolucionando a travs del tiempo.

    Es importante notar que la cantidad de energa solar que puede recogersedepende de la orientacin del dispositivo receptor. Esta radiacin solar varasegn la localizacin geogrfica, esto se puede apreciar fcilmente en la ZonaNorte, en donde se puede encontrar uno de los niveles de radiacin ms altos delmundo.

    Por otro lado, Chile presenta un alto grado de criticidad en materia Energtica. Unalto grado de dependencia energtica exterior y un alza notable en el consumo

    son razones suficientes para buscar alternativas en Energas Renovables NoConvencionales (ERNC).

    Por lo tanto, se analizar la instalacin de colectores para la captacin deradiacin solar. Para esto, a continuacin se mostrarn y analizarn los distintostipos de colectores.

    Bsicamente, es posible clasificar los colectores en:

    Colectores Solares Planos

    Estos colectores se componen frecuentemente de cuatro elementos principales: lacubierta transparente (generalmente de vidrio), la placa captadora (superficie queabsorbe luz solar), el aislante y la carcasa (contenedor de todos los elementosanteriores).

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    Con respecto a la cubierta transparente, es la encargada de dejar pasar laradiacin solar y evitar que el calor emitido por la placa captadora de se vaya delsistema. Adems de reducir las prdidas por conveccin. Gracias a esta cubiertade vidrio o plstico se logra el efecto invernadero, aumentando la eficiencia delcolector.

    Por otra parte, la Placa captadora tiene como funcin absorber de la forma mseficiente la radiacin solar y transformarla en energa trmica utilizable mediantesu transferencia al fluido caloportador.

    Su tercera parte, el aislamiento es quien protege y evita las prdidas trmicashacia el exterior. Generalmente resisten altas temperaturas sin deteriorarse,desprender pocos vapores al descomponer el calor, soportar humedad y nodegradarse por envejecimiento u otro fenmeno a las temperaturas usuales detrabajo. Los materiales ms usados son lana de vidrio, poliestireno expandido yespuma rgida de poliuretano.

    Finalmente, la Carcasa es la encargada de proteger y soportar los elementos queconstituyen el colector solar, adems de servir de enlace con el edificio por mediode soportes. Esta debe poseer rigidez y resistencia estructural que asegure laestabilidad, resistencia a los elementos de fijacin mecnica y qumica,Resistencia a la intemperie y efectos corrosivos.

    Colectores Parbolicos compuestos estacionarios

    Tienen la capacidad de reflejar a la placa absorbedora toda la radiacin incidentedentro de los lmites de ancho. Adems, pueden aceptar la radiacin entrante en

    un amplio rango de ngulos, aprovechando las reflexiones internas. Al serestacionario se recibir slo en las horas en que el sol est en el ngulo ptimo.

    Colectores de tubo

    Consiste en un tubo errado por ambos extremos, en cuyo interior hay un fluido auna presin adecuada para que se evapore y condense en un rango adecuado detemperatura. Al aplicar calor en un extremo, este lquido se evapora y se desplazahacia el otro lado, ligeramente ms fro, condensndose y transfirindole calor. Adiferencia de los colectores planos, la idea de este colector consiste en evitarprdidas por conveccin, mientras que los tubos al estar aislados, se reducen lasprdidas en torno a un 5%. Al comparar con los paneles planos suponen un 35%de reduccin de prdidas, lo cual implica que el rendimiento aumenta de formasignificativa.

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    Colectores de concentracin rastreadores de sol

    Este tipo de colectores poseen un dispositivo ptico entre la superficieabsorbedora y la fuente de radiacin, para concentrar una alta cantidad deradiacin en un rea pequea de absorcin, facilitando el suministro de altastemperaturas al fluido. Debido al movimiento del sol en el cielo, estos colectoresdeben seguir el movimiento del sol mediante dos posibles mtodos:

    1. Rastreando el azimut y la altura, por lo que permite seguir de forma exactaal sol.

    2. Generar un movimiento que siga al sol en sentido Norte-Sur u Oriente-Poniente.

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    Modelo Hottel-Whillier

    Se realizaron estudios especficos acerca del comportamiento trmico de loscolectores solares y su base terica sobre la cual se han basado en posterioresinvestigaciones.

    Bsicamente el modelo consiste en absorber radiacin solar que logra atravesar lacubierta transparente del colector, calentando el fluido circulante en los ductos. Alcomenzar, la radiacin al pasar por la cubierta se transmite y segn lo visto enctedra corresponde al factor que representa lo transmitido y absorbido.Similar al caso del ducto donde se absorbe cierta parte de la radiacin Por lotanto, el valor absorbido corresponde a A*I (1). Considerando la partereflejada, la cual corresponde en el modelo a: (Ti-Ta)*Ul*A (2).Utilizando los resultados obtenidos en (1) y (2) se obtiene la mxima energautilizable:

    En donde Fr corresponde al collector heat removal factor.

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    A continuacin se describirn algunos sistemas para comprender de mejor manerael funcionamiento de los colectores lo que permite adaptarlos a los requerimientosy situaciones individuales:

    Principio pasivo: El agua caliente sube por s misma (gracias a la diferenciade densidad). Por lo tanto, no requiere ninguna bomba, pero el tanque deagua debe ser colocado arriba del panel solar para captar y guardar el aguacaliente.

    Principio activo: Fundamentalmente difiere del anterior, al usar una bombapara mover el agua caliente. Tiene la ventaja que se puede colocar eltanque en cualquier lugar, por ejemplo en el stano, mientras los panelesson montados en el techo.

    Principio directo: En este caso el agua de uso fluye directamente por elsistema y es calentada sin otro intermedio. No conviene dependiendo de lalocalizacin geogrfica, si es que la temperatura es menor al punto decongelamiento, ocasionando que los tubos puedan romperse. En estoscasos se usan los sistemas indirectos.

    Principio indirecto: En este, el lquido que fluye por los paneles es tratadosimilarmente al agua en los radiadores de los carros con anticongelantes(por ejemplo glicol). No potable y venenoso para el consumo, esto requiereseparar el lquido que pasa por los paneles del agua potable con unintercambiador de calor, normalmente dentro del tanque de agua.

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    lcance

    Con la implementacin de colectores solares trmicos se pretende mediante elpresente proyecto determinar el verdadero potencial de los colectores solares enel mbito de ahorro monetario, energtico y de reduccin de emisiones en la Zona

    Central de Chile (Valparaso, V Regin).

    Con lo anterior, se buscar el colector solar ms apropiado para esta ubicacingeogrfica y su inclinacin necesaria para maximizar la fraccin solar.

    Adems, se buscar concientizar a la poblacin sobre el uso de EnergasRenovables No Convencionales, lo cual adems de reducir costos a las familiaspermitir reducir de manera considerable las emisiones de carbono. En cuanto amateria de factibilidad econmica, se mostrar el tiempo en el cual se recuperarel capital invertido contrastndolo con el caso base.

    Fuentes:http://www.lth.se/fileadmin/ht/Kurser/MVK160/Project_08/Fabio.pdf

    http://www.lth.se/fileadmin/ht/Kurser/MVK160/Project_08/Fabio.pdfhttp://www.lth.se/fileadmin/ht/Kurser/MVK160/Project_08/Fabio.pdf
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    Formulacin del diseo

    El proyecto se sita en la comuna de Valparaso, en el cerro Placeres (latitud 33),en una casa habitada por 4 personas, con consumo de agua caliente sanitariacalentada por calefont mediante red de gas natural. Se estudiar el colector plano

    con vidriado, por su eficiencia, disponibilidad y costo.

    Para que el consumo de agua caliente produzca el efecto deseado es necesarioque se realice a una determinada temperatura que vara segn la aplicacin y elusuario. Normalmente casi todo el gasto de agua caliente se produce entre los 35y 45C, siendo utilizada el agua menos caliente para el lavado de manos y la mscaliente para la limpieza en fregaderos. Una temperatura de hasta 38C, es msque suficiente no slo para la higiene sino para la sensacin de comodidad. Por lotanto se considerar una temperatura de 45 C.

    Primero es imprescindible saber una estimacin del consumo real de agua caliente

    sanitaria, que en promedio en chile es de entre 40 y 50 L/d. En este proyecto seconsiderar un uso de 50 L/d.

    Adems gracias a la base de datos de RetScreen, se puede obtener los datos detemperatura y radiacin de la ciudad de Valparaso durante todos los meses delao.

    Mes

    Radiacin solar

    diaria - horizontal

    kWh/m/d

    Enero 6,10Febrero 4,99

    Marzo 4,03

    Abril 2,82

    Mayo 1,84

    Junio 1,42

    Julio 1,79

    Agosto 2,50

    Setiembre 3,55

    Octubre 4,43

    Noviembre 5,54

    Diciembre 6,09

    Anual 3,75

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    Como se puede observar del grfico, la disponibilidad del recurso es ms alta enlos meses de Enero y Diciembre con 6,1y 6,09 [kWh/m/d] respectivamente,coincidiendo adems con los meses en donde hay menor demanda de ACS, y los3 meses ms bajos, que estn inferior a los 2,5 [kWh/m/d], son Mayo, Junio yJulio.

    La inclinacin utilizada para maximizar la radiacin durante el ao es de 33, quees la latitud de la ubicacin geogrfica, adems en invierno deber tener unainclinacin de 43-45 y en verano de 20-23, la orientacin del panel solar debeser al norte, aunque las diferencias no son tan relevantes. Con estas medidas se

    maximiza la radiacin, y hace ms eficiente el sistema instalado.Proceso del sistema solar trmico:

    Circuito primario: El colector recibe la radiacin del sol y esto permite lacirculacin del fluido a travs de los tubos o caeras que recogen la energatrmica y la transportan hasta el intercambiador.

    Circuito secundario: recoge en el intercambiador la energa captada por elcircuito primario y la transfiere al depsito de acumulacin.

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    Radiacin Solar diaria

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    Circuito de consumo: transporta agua potable de consumo y comprende desde laacometida de agua fra, pasando por los sistemas de acumulacin y de apoyo,hasta la red de distribucin que alimenta a los puntos de consumo.Estos son los 3 circuitos bsicos del sistema, pero es posible reducir los costoseliminando algunas partes de este proceso. Una opcin es quitar el sistema de

    intercambiador y bomba, creando un proceso directo, en el cual el agua calientepasa del circuito 1 al 3 (directo al consumo), sin embargo se puede perdereficiencia y bajar el rendimiento esperado de los equipos.

    Para este proyecto se selecciona un sistema indirecto con un tanque acumulador,este es conectado al calefont de la casa, el que segn los antecedentespreliminares existe y es el nico medio para ACS. La circulacin del agua ser porefecto termosifn para as evitar la instalacin de una bomba, ya que al tratarse deuna casa las prdidas generadas sern despreciadas.

    El colector de placa plana disponible en la pgina webwww.esol.cl,tiene un valorde $200.000 y sus caractersticas tcnicas son las siguientes:

    Considerando el peso para la simulacin realizada en la pginawww.pullmancargo.cl, el costo de transporte sera de $12.700.

    rea bruta por colector solar m 2,01

    rea de captacin de colector solar m 1,86

    Coeficiente Fr (tau alfa) 0,72

    Coeficiente Fr UL (W/m)/C 5,08

    Peso Kg 48

    http://www.esol.cl/http://www.esol.cl/http://www.esol.cl/http://www.pullmancargo.cl/http://www.pullmancargo.cl/http://www.pullmancargo.cl/http://www.esol.cl/
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    Se considerar un 15% de contingencias, ya que al ser un proyecto de menorescala, no existe un riesgo tan alto en el desarrollo de este.Se pretende disminuir la temperatura de 55C a 45C, como una medida deeficiencia energtica, ahorrando un 24% de energa con respecto al caso base.

    Aspectos tericos:El flujo neto de calor se expresa con el modelo de Hottel-Whillier:

    Donde la potencia absorbida por el colector depende de la transmisin del vidrio,la absorcin de la placa del colector, el rea de la placa, la radiacin incidente, y latemperatura entrante y ambiente del sistema.De la potencia absorbida por la placa solo una parte es transferida al fluido, elfluido es almacenado en un depsito que contiene una cantidad m de masa, por lotanto, la potencia til es:

    Consecuentemente el balance trmico vendra dado por la expresin:

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    nlisis financiero

    Los principales indicadores financieros para el caso propuesto son los siguientes: VAN: CLP 2.615.282

    TIR: 81,6%

    Payback: 1,3

    Costo Reduccin de GEI: CLP 394.027

    Se observa que la instalacin del colector solar para uso domstico resultatotalmente favorable en cuanto a los dos indicadores ms importante y msusados a la hora de realizar una evaluacin de un proyecto; estos son VAN y TIR.

    El VAN tiene un valor de 2.5615.282 pesos, lo que hace a la implementacin delcolector solar una tarea muy conveniente en relacin a la tasa de descuento del 12% que se consider. En tanto, el TIR resulta ser un 81,6%, lo que significa unaltsimo valor de TIR siendo una muestra de lo muy rentable que resulta la

    implementacin de este proyecto energtico debido a que como muestra estendice, los flujos de caja anuales llevan el van a cero a una tasa de 81,6%, tal tasaresulta casi imposible de encontrar en algn instrumento financiero del mercado.

    Por su parte, el payback viene a reafirmar las bondades de los colectores solares,debido a que solo es de 1,3 aos la recuperacin de la inversin. Considerandolos 15 aos de vida til del colector se concluye que gran parte del periodo en queusa ste se usa se presentan solo ganancia financiera para el hogar.

    Finalmente se observa que el costo de reduccin de gases de efecto invernaderoes 394.027 pesos, esto refleja naturalmente un esfuerzo financiero por reduccin

    los gases contaminantes lo que contrastado con los otros indicadores representaun perjuicio econmico insignificante para la familia que har uso del colector.

    En sntesis, el anlisis financiero de este proyecto energtico ilustra su enormeatractivo para los hogares de Valparaso ya que tanto VAN, TIR y Paybackmejoran sus valores. Esto acompaado de su aporte a generar una energa mslimpia y sostenible hace que los colectores solares se transformen en unaalternativa muy efectiva en el fomento del uso de ENRC.

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    Conclusiones

    En primera instancia es posible notar una gran diferencia respecto de lainstalacin de colectores solares dependiendo de su ubicacin geogrfica, peroms all de la ubicacin un factor de gran importancia para el mximo rendimiento

    del colector es su inclinacin. Se hace esencial a la hora de instalar un colectorsolar estudiar la inclinacin ptima para obtener la mayor cantidad de beneficiosen trminos de aprovechamiento de la radiacin, es decir, para alcanzar su mayorrendimiento posible.

    Al momento de elegir el colector solar a utilizar en un proyecto es importante teneren consideracin factores tales como el tamao y las necesidades del proyecto,como tambin el presupuesto. En el caso de este proyecto, el cual consiste en usodomstico, se eligieron colectores planos vidriados, los cuales son capaces decalentar el agua a la temperatura deseada para una casa y su precio esconveniente.

    Una vez evaluado el proyecto propuesto, analizado el funcionamiento de este y

    considerado tanto el ahorro en cuanto a energa y costos como la inversin

    necesaria para materializar esta clase de proyectos, se puede ver quefinancieramente hablando el proyecto es rentable, presentando VAN positivo, un

    payback relativamente bajo (1 ao) y grandes expectativas con respecto a la tasade descuento mxima que se le puede exigir a esta inversin.

    Por otro lado, dado que la energa producida por el colector cae dentro de la

    categora de energa renovable no convencional y es amigable con el ambiente se

    considera que es importante que se cree conciencia de la utilidad de esta

    tecnologa y avanzar es los estudios energticos a nivel pas.

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    Bibliografa

    Colector Plano:http://www.esol.cl/files/Colector_plano_FP3G.pdf

    Sistemas Solares Trmicos, Guia de Diseo e Instalacin. MINENERGIA / GEF/ PNUD / CDT, 2010.

    http://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdf

    Apuntes Gestin Energtica II,sg.usm.cl

    http://www.esol.cl/files/Colector_plano_FP3G.pdfhttp://www.esol.cl/files/Colector_plano_FP3G.pdfhttp://www.esol.cl/files/Colector_plano_FP3G.pdfhttp://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdfhttp://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdfhttp://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdfhttp://www.sg.usm.cl/http://www.sg.usm.cl/http://www.sg.usm.cl/http://www.sg.usm.cl/http://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdfhttp://www.programasolar.cl/images/pdfs/MANUAL/gua%20de%20diseo%20y%20montaje%20de%20sst%20para%20acs.pdfhttp://www.esol.cl/files/Colector_plano_FP3G.pdf