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XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, 14 -19.11.2011 Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana. Luis Alberto Montoya Portugal. - [email protected] Juan Ernesto Palo Tejada - [email protected] Wilson Ricardo Cabana Hancco. - [email protected] Lourdes Soria Guía - [email protected] Universidad Nacional de San Agustín - Escuela Profesional de Física Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética Resumen En este trabajo se hace una evaluación de un tipo de calentador solar comercializado en la región Arequipa, el calentador tiene el colector con la unidad de almacenamiento de agua integrado, la evaluación se realizo con un banco de pruebas que cumple las exigencias de la Norma Técnica Peruana (NTP 399.400-2001, Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares) construido en la Escuela Profesional de Física de la Universidad Nacional de San Agustín. Se muestra una descripción del banco de pruebas y el calentador solar, se indica la metodología usada y se presentan los resultados de la eficiencia térmica del colector, las perdidas térmicas del tanque de almacenamiento de agua, y la eficiencia térmica de la terma solar. Para el colector se realizo cinco pruebas en tres días de ensayo ( 21/03/2011-23/03/201), donde se obtuvo un factor de remoción de 0,722; una eficiencia óptica (η 0 ) de 60,4% y un coeficiente global de pérdidas de 19,92 W/m 2 ºC Para el tanque de almacenamiento se realizo una prueba el 23/03/2011 y 24/03/201para obtener las perdidas térmicas. Para la eficiencia térmica del calentador solar se realizaron tres días de prueba (28/03/2011-30/03/201), se muestra la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros durante 8 horas de calentamiento del día 29/03/2011 la cual fue de 22x10 6 J (6,14 ), por su parte la energía solar captada por el colector durante esas 8 horas fue de 11,01, Obteniéndose una eficiencia térmica para la terma solar de 55,7% Palabras Clave: Conversión térmica de la energía solar 1. Introducción En la ciudad de Arequipa existen más de 30 empresas que se dedican a la fabricación de termas solares, ninguna de ellas proporciona datos técnicos sobre su rendimiento térmico. Para posibilitar un mejor conocimiento de la eficiencia de los colectores solares de placa plana existentes en nuestro mercado, en el año 2009 en el marco de una investigación para sustentación de tesis en el área de energía solar de la Escuela Profesional de Física de la Universidad Nacional de San Agustín, fue diseñado y construido un banco de pruebas con procedimiento outdoor para determinar la eficiencia de colectores de acuerdo a Norma Técnica Peruana (NTP 399.400-2001, Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares ) La Cooperación Alemana en el marco del Acuerdo de Cooperación - Energerzing Development EnDev Perú, viene promoviendo el uso de calentadores solares en distintas regiones del Perú y para ello se solicito a la universidad San Agustín la evaluación de uno de los calentadores solares que se comercializa en la región, en este articulo se muestran los resultados de dicha evaluación. 2. Modelo matemático 2.1 Eficiencia térmica del colector El parámetro básico que caracteriza al colector solar es su eficiencia, que es la relación entre la energía térmica útil retirada del colector y la energía solar incidente. Esta dependerá del proyecto del colector, tiempo de operación y de factores externos tales como: condiciones meteorológicas y disposición del colector en relación a la tierra (NTP 399.400, 2001), (ASHRAE Standard 93-77,1977). La eficiencia del colector puede ser expresada de dos formas equivalentes: W Q (1)

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XVIII Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XVIII- SPES),Lima, 14 -19.11.2011

Evaluación de un calentador solar de agua de acuerdo a Norma Técnica Peruana.

Luis Alberto Montoya Portugal. - [email protected]

Juan Ernesto Palo Tejada - [email protected]

Wilson Ricardo Cabana Hancco. - [email protected]

Lourdes Soria Guía - [email protected]

Universidad Nacional de San Agustín - Escuela Profesional de Física

Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética

Resumen

En este trabajo se hace una evaluación de un tipo de calentador solar comercializado en la región Arequipa, el

calentador tiene el colector con la unidad de almacenamiento de agua integrado, la evaluación se realizo con un banco

de pruebas que cumple las exigencias de la Norma Técnica Peruana (NTP 399.400-2001, Colectores Solares. Método

de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares) construido en la Escuela Profesional de Física de la

Universidad Nacional de San Agustín.

Se muestra una descripción del banco de pruebas y el calentador solar, se indica la metodología usada y se presentan

los resultados de la eficiencia térmica del colector, las perdidas térmicas del tanque de almacenamiento de agua, y la

eficiencia térmica de la terma solar.

Para el colector se realizo cinco pruebas en tres días de ensayo ( 21/03/2011-23/03/201), donde se obtuvo un factor de

remoción de 0,722; una eficiencia óptica (η0) de 60,4% y un coeficiente global de pérdidas de 19,92 W/m2ºC

Para el tanque de almacenamiento se realizo una prueba el 23/03/2011 y 24/03/201para obtener las perdidas térmicas.

Para la eficiencia térmica del calentador solar se realizaron tres días de prueba (28/03/2011-30/03/201), se muestra la

energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros durante 8 horas de calentamiento del día 29/03/2011 la cual fue

de 22x106 J (6,14 𝑘𝑊ℎ), por su parte la energía solar captada por el colector durante esas 8 horas fue de 11,01𝑘𝑊ℎ,

Obteniéndose una eficiencia térmica para la terma solar de 55,7%

Palabras Clave: Conversión térmica de la energía solar

1. Introducción

En la ciudad de Arequipa existen más de 30 empresas que se dedican a la fabricación de termas solares, ninguna de

ellas proporciona datos técnicos sobre su rendimiento térmico.

Para posibilitar un mejor conocimiento de la eficiencia de los colectores solares de placa plana existentes en nuestro

mercado, en el año 2009 en el marco de una investigación para sustentación de tesis en el área de energía solar de la

Escuela Profesional de Física de la Universidad Nacional de San Agustín, fue diseñado y construido un banco de

pruebas con procedimiento outdoor para determinar la eficiencia de colectores de acuerdo a Norma Técnica Peruana

(NTP 399.400-2001, Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares )

La Cooperación Alemana en el marco del Acuerdo de Cooperación - Energerzing Development – EnDev Perú, viene

promoviendo el uso de calentadores solares en distintas regiones del Perú y para ello se solicito a la universidad San

Agustín la evaluación de uno de los calentadores solares que se comercializa en la región, en este articulo se muestran

los resultados de dicha evaluación.

2. Modelo matemático

2.1 Eficiencia térmica del colector

El parámetro básico que caracteriza al colector solar es su eficiencia, que es la relación entre la energía térmica útil

retirada del colector y la energía solar incidente. Esta dependerá del proyecto del colector, tiempo de operación y de

factores externos tales como: condiciones meteorológicas y disposición del colector en relación a la tierra (NTP

399.400, 2001), (ASHRAE Standard 93-77,1977).

La eficiencia del colector puede ser expresada de dos formas equivalentes:

W

Q (1)

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aTmT

GCA

LUF ' (2)

aTeT

G

LU

RF (3)

)eTsT(pCmQ (4)

La eficiencia experimental es obtenida como:

TG

CA

)eTsT(pCm

(5)

Donde:

Q potencia térmica retirada del colector [W]

F', FR parámetros relacionados a la conductancia térmica entre la placa absorbedora y el agua [-]

Constante que contiene las perdidas ópticas y perdidas por absorción [-]

UL coeficiente total de pérdidas del colector [W/m2C]

GT radiación solar incidente [W/m2]

AC área del colector [m2]

Tm temperatura media del agua en el colector [°C]

Te temperatura del agua en la entrada del colector [°C]

Ts temperatura del agua en la salida del colector [°C]

Ta temperatura ambiente [°C]

m flujo de agua en el colector [L/s]

CP calor especifico del agua [J/kgK]

Los diferentes valores de obtenidos durante los ensayos son representados gráficamente en función de los parámetros

(Te-Ta)/GT

2.2 Factor de remoción del colector (FR)

Se define una cantidad que relaciona la ganancia de energía útil de un colector en función de la temperatura de entrada

del fluido al colector

pm

c

c

pm

C f

FE UL A- exp -1

UL A

C fFR (6)

mf Flujo del fluido

pC Capacidad calorífica del agua

FE factor de eficiencia del colector

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2.3 Factor de eficiencia del colector (FE)

La ganancia de un colector también incluye la energía colectada encima de la región del tubo y la ganancia por unidad

de longitud en dirección del flujo, luego esta será transferida al fluido.

db h D

1 +

C

1 +

F) D) - (w + (D UL

1 w

UL

1

FE (7)

bC Conductividad térmica del soporte del tubo

w separación entre los tubos

D diámetro interno del tubo

F eficiencia de las aletas del colector

dh Coeficiente de transferencia de calor por convección entre el fluido y el ducto.

El factor de remoción del calor FR se define como el cociente entre el calor absorbido por el fluido y el transferido

cuando se considera la placa a la misma temperatura del fluido a la entrada del colector .es decir:

𝐹𝑅 =𝑚 𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒)

𝐴𝑐 𝑆 − 𝑈𝐿 𝑇𝑒 − 𝑇𝑎

𝐹𝑅 =𝑚 𝑐𝑝

𝐴𝑐

1 − 𝑒−

𝐴𝑐𝑈𝑐𝐹.

𝑚 𝑐𝑝

En la tabla 1 se muestran valores típicos de los parámetros característicos: eficiencia óptica (η0) y coeficiente global de

pérdidas (UL) y rango normal de temperaturas de trabajo para distintos tipos de colectores (Cora Placco, Luis Saravia,

Carlos Cadena, 2008)

Tabla 1: Parámetros Característicos de los distintos tipos de colectores solares

Fuente: CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energía Solar)

3. Metodología y Descripción del Monitoreo

3.1 Descripción del banco de pruebas

El banco de pruebas de acuerdo a NTP; está constituido de

Bomba de agua 1/2Hp. 220 AC

Intercambiador de calor tipo aletas de 12VDC

Mangueras para agua caliente de ½”

Tanque de calentamiento de agua de 42L con sistema de calefacción

Tanque para la caída del agua de 78L de altura constante

Estructura metálica

Un colector de placa plana

Tipo de Colector Factor de

Conversión (η)0

Factor de

Pérdidas

Térmicas U(W/m

°C)L

2

Rango de

Temperatura (°C)

Sin Cubierta 0.9 15-25 10 - 40

Cubierta Simple 0.8 7 10 - 60

Cubierta Doble 0.65 5 10 - 80

Superficie Selectiva 0.8 5 10 - 80

Tubos de Vacío 0.7 2 10 -130

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Tablero eléctrico

Está constituido por:

02 contactores de 220v AC

03 relés de 220v AC

01 transformador de 220v AC a 12v AC

01 rectificador de corriente 12v AC a 12v Dc

01 interface para la tarjeta de adquisición de datos

3.2 Sensores y Dataloger

Piranometro kipp zone para medir la radiación global incidente en el plano del colector con una precisión de

± 0.5 W/m2

Anemómetro entre 0 – 40 m/s con integrador 1 .100 minutos , medidor de dirección de viento 0 – 360º

Termistores NTC de 10kΩ para medir la temperatura ambiente , temperatura de salida , entrada y tanque del

colector de placa plana, en unidades relativas ºC, precisión 0.2ºC

Dataloger Graphtec midi logger Gl800 para registrar las medidas de temperaturas, flujo, radiación solar ;

velocidad de viento, sistema de control de temperatura del tanque calefactor, control de intercambiador de

calor

Flujómetro tipo turbina con sensor óptico, señal de frecuencia, de rango 0.01 – 0.07 L/s

\

Figura 1 Fotografía del banco de pruebas

3.3 Descripción de la terma solar

Tabla .2 Especificaciones técnicas del colector solar

DATOS DE COLECTOR SOLAR

Área del panel colector ( ) 1.80

Largo de colector (m) 1.70

Ancho de colector (m) 1.06

Material de la lamina del colector Aluminio

Espesor de lámina de colector (mm.) 0.30

Tipo de doblado de lamina omega

Material de conductos de colector Cobre (tipo “M”)

Diámetro de conductos de colector

(pulgadas)

3/8”

Espesor de conductos de colector (mm.) 0.80

Cantidad de conductos en colector 9

Distancia entre conductos (mm.) 110.00

Tipo de aislamiento de colector Espuma de poliuretano

Espesor de aislante de colector (mm.) 20.00

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Espesor de vidrio (mm.) 3.00

Distancia entre lamina y vidrio (mm.) 25.00

Material de tapa posterior Fibra de vidrio

Tabla 3 Especificaciones técnicas del tanque de almacenamiento

DATOS DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Volumen de tanque interno 120.00

Ancho de tanque (m) 1.04

Material de tanque Resina poliéster reforzado con fibra de vidrio

Material de aislamiento Poliuretano expandido

Espesor de aislamiento (mm.) 50.00

material de protector externo Acero inoxidable y fibra de vidrio

3.4 Procedimiento

Para determinar la curva de eficiencia instantánea y el coeficiente global de pérdidas del colector se ha realizado

una evaluación en laboratorio tal como se detalla a continuación:

Se ha realizado cinco pruebas, en tres días de ensayo. Cada día aproximadamente a las 11:00 am se

iniciaron las pruebas con el colector solar tapado con un cobertor opaco externo ( figura 2-a)

Manteniendo todos los sensores conectados según la norma técnica y el colector solar con un ángulo de

inclinación de 26º en dirección al norte según las recomendaciones de la latitud del lugar, que nos indica

que el ángulo de incidencia debe ser de 16º±10º

Se inyecta agua caliente a temperatura constante al colector (las temperaturas en cada ensayo fueron : 27,9 º

C; 30,4 º C; 33,8 º C; 37,4 º C; 44,6 º C)

Se debe esperar a que el sistema alcance el equilibrio térmico, esto toma aproximadamente entre 30 y 90

minutos.

Pasado este tiempo se regula el flujo a 0.02L/s y se espera 15 min. para que las temperaturas en el sistema

se estabilicen.

Luego se procede a retirar el cobertor externo (figura 2-b) para que la radiación solar incida sobre el

colector de manera que esta contribuye en el aumento de temperatura del agua del colector

Se mantiene el estado anterior hasta que la temperatura del salida del agua del colector sea constante

Durante toda la medición se debe mantener constante el flujo del fluido en 0,02 kg /s .

Todas las mediciones se deben realizar con el cielo totalmente despejado y en las horas de mayor

intensidad de radiación solar

En cada una de las pruebas se ha esperado que el colector alcance condiciones casi estacionarias en la

temperatura, en esta región se ha realizado el análisis de datos para obtener los resultados de las curvas de

eficiencia.

Figura 2 a) Colector con cobertor opaco externo b) Colector sin cobertor externo

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4. RESULTADOS

4.1 Eficiencia Térmica del colector solar

La eficiencia del colector solar es evaluada con los datos experimentales que se obtuvieron en 3 días de medición,

todas la evaluaciones se realizaron en las horas de más alta intensidad de radiación solar.

Se registraron los parámetros del flujo del fluido caloportador , temperatura de entrada y salida al colector,

temperatura ambiente, temperatura del tanque con calefactor para el control de temperatura de entrada, radiación

solar, velocidad de viento; éstos parámetros nos permiten determinar experimentalmente el coeficiente global de

perdidas térmicas UL,y la eficiencia instantánea .Los datos han sido procesados y analizados en 6xcel y origin.

Para el cálculo de la eficiencia y pérdidas de energía en el colector solar se realizo el análisis que se detalla a

continuación:

Lunes 21/03/2011

Temperatura de ingreso al colector 33,8 ºC

11:45 11:48 11:51 11:54 11:57 12:00 12:03

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Te

mp

era

tura

(oC

)

Tiempo (hh:mm.ss)

Temp Tanq

Temp Pan

Temp Ent

Temp Sal

Temp Amb

Grafico 1. Temperatura (ºC) en función del tiempo (horas del día)

En este grafico se observa que entre las 11:55 a 12:01 am el sistema alcanza condiciones casi estacionarias donde

la temperatura de entrada (Te) es 33.8ºC y la temperatura de salida (Ts) es de 43.1ºC. la temperatura ambiente

Ta=19.2ºC. Vemos que la diferencia de temperatura de entrada y salida es de 9.3ºC para el procesamiento se

considera el promedio de los datos en este rango.

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11:45 11:48 11:51 11:54 11:57 12:00 12:03

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Ra

d s

ola

r (W

/m2

)

Tiempo (hh:mm.ss)

Rad solar

Grafico 2. Radiación solar (W/m

2) en función del tiempo (horas del día)

Se observa que la radiación solar es casi constante de 11:49 a 12:01 am donde se obtiene una radiación de 1111.5W/m2

la cual es propicia para determinar la eficiencia.

Realizando el análisis a partir de los datos anteriores se obtiene para la prueba del día lunes 21 de marzo del

2011(temperatura de entrada al colector de 33,8 ºC) una eficiencia instantánea de 39,5%. (ver tabla 4)

El análisis para las otras cuatro pruebas se hacen de manera análoga (los resultados de la medición se muestran en la

tabla 4).

En la tabla 4. se muestran los resultados de las cinco pruebas y el grafico que muestra la eficiencia instantánea del

colector solar

Tabla 4: Resultados de la eficiencia instantánea del colector.

Temperatura de

entrada

Temperatura

ambiente

Radiación

solar (Tent-tamb)/G

Eficiencia

instantánea

]oC

oC W/m

2

oC/W/m

2

27.9 18.8 1103.2 0.0082 0.490

30.4 19.1 1086.8 0.0104 0.458

33.8 19.2 1111.5 0.0131 0.395

37.4 19.2 1099.3 0.0166 0.372

44.6 19.4 1242.8 0.0203 0.313

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0.006 0.009 0.012 0.015 0.018 0.021

0.28

0.32

0.36

0.40

0.44

0.48

0.52

Eficiencia

Linear Fit of Eficiencia

Efic

ien

cia

(Tent-Tamb)/G (oC/W/m

2)

Equation y = a + b*x

Adj. R-Square 0.96695

Value Standard Error

Eficiencia Intercept 0.60354 0.01906

Eficiencia Slope -14.37645 1.32325

Grafico 3. Eficiencia en función de (Te-Ta)/G(m

2K/W)

Según la ecuación de la eficiencia tenemos:

𝜂 = 𝐹𝑅 𝜏𝛼 − 𝑈𝐿(𝑇𝑒 − 𝑇𝑎

𝐺)

FR es el factor de remoción y representa el cociente entre el calor absorbido por el fluido y el trasferido cuando se

considera la placa a la misma temperatura del fluido a la entrada del colector

𝜏=transmitancia de vidrio transparente según (Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991) es 0.88, α =absorbancia del

aluminio según (Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991), es 0.95

Por lo tanto usando los resultados del grafico 3 tenemos

FRUL= - 14,38 (8)

FR 𝜏 α=0.604 (9)

Usando los datos de α= 0.95 y 𝜏=0.88 citados anteriormente y reemplazando en (9) tenemos:

FR . 0.88x0.95 = 0.604

𝐹𝑅 =0.604

0.88𝑥0.95

FR= 0,722

Reemplazando en (8) tenemos:

0.722𝑥𝑈𝐿 = −14.38

𝑈𝐿 =−14,38

0.722

UL=-19,92W/m2ºC

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La eficiencia instantánea máxima del colector solar es de 60.4% y el coeficiente global de perdidas es de UL= -19,92

W/m2ºC, así mismo en la prueba se obtuvo el factor de remoción de 0,722

4.2 Perdidas térmicas del tanque de almacenamiento de agua

Se instalaron tres sensores de temperatura (termocuplas tipo T) en el interior del tanque de almacenamiento de agua de

la terma (parte inferior, parte media y parte superior)

Se cargo el tanque de la terma con agua a una temperatura de 56 ºC a las 15:00 horas del día 23/03/2011 .

Se monitoreo las temperaturas del interior del tanque y la temperatura ambiente desde las 15:00 horas del 23/03/2011

hasta las 10:00 horas del 24/03/2011

Los resultados se muestran en el grafico 4

12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Te

mp

era

tura

(oC

)

Tiempo (hh:mm)

Temp Tanque

Temp Ambiente

Equation y = a + b*x

Adj. R-Square 0.99097

Value

Temperatura Slope 0.834

Equation y = a + b*x

Adj. R-Square 0.79127

Value

Temperatura Slope 0.426

Equation y = a + b*x

Adj. R-Squar 0.99623

Value

Temperatura Slope 6.77

Equation y = a + b*x

Adj. R-Squar 0.99292

Value

Temperatura Slope 2.92

Grafico 4. Temperatura del tanque de almacenamiento y temperatura ambiente (ºC)

en función del tiempo (horas del día)

El promedio de temperatura en el interior del tanque desciende desde 56 ºC (15:00 horas del día 23/03/2011) hasta 42

ºC (07:40 horas del día 24/03/2011), por tanto tiene una velocidad de enfriamiento de 0,83 ºC/hora. A partir de las 7:40

se inicia el calentamiento en el tanque con una velocidad de 6,8 ºC/hora

La temperatura del ambiente desciende desde 19 ºC (15:00 horas del día 23/03/2011) hasta 11,7 ºC (05:40 horas del día

24/03/2011), por tanto tiene una velocidad de enfriamiento de 0,43 ºC/hora. A partir de las 5:40 el ambiente inicia un

calentamiento con una velocidad de 2,92 ºC/hora

4.3 Eficiencia Térmica de la terma solar

Para caracterizar la eficiencia térmica de una terma solar se debe evaluar su rendimiento energético global: La

eficiencia energética (ηE), que se define como la relación entre la energía térmica útil ganada por la terma y la energía

solar disponible ese día (Valera Aníbal, 2007).

𝜂𝐸 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙(𝐸𝑇)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑎(𝐸𝑆)

Para realizar esta prueba se instalaron tres sensores de temperatura (termocupla tipo T) en el interior del tanque de

almacenamiento de agua de la terma (parte inferior, parte media y parte superior).

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Se monitoreo las temperaturas del interior del tanque, la temperatura ambiente y la radiación solar desde las 19:00 horas

del 28/03/2011 hasta las 20:00 horas del 30/03/2011

Los resultados se muestran en el grafico 5 y 6

16:00 00:00 08:00 16:00 00:00 08:00 16:00 00:00

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Te

mp

ta

nq

ue

(oC

)

Tiempo (hh:mm)

Temp tanque

Grafico 5. Temperatura promedio del tanque de almacenamiento (ºC)

en función del tiempo (horas del día)

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Ra

dia

cio

n s

ola

r (W

/m2)

Tiempo (min)

Radiacion solar

Grafico 6. Comportamiento de la radiación solar del día 29/03/2011

En el grafico 5 se observa que el calentamiento del agua en el tanque se inicia a las 07:30 horas del día 29/03/2011 con

una temperatura promedio de 15 ºC el cual se prolonga hasta las 15:30 horas alcanzando una temperatura máxima

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promedio de 59 ºC; por tanto tenemos un incremento en la temperatura de 44 ºC que ocurre en un lapso de 8 horas, esto

nos permite calcular la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros (120 kg):

𝐸𝑇 = 𝑚𝐶Δ𝑇

𝐸𝑇 = 120𝑘𝑔 𝑥 4186𝐽

𝐾𝑔0𝐶 𝑋(440𝐶)

𝐸𝑇 = 22,1𝑥106 𝐽

𝐸𝑇 = 6,14 𝑘𝑊ℎ

Luego como la energía solar por unidad de área recibida entre las 07:30 y las 15:30 horas fue 6.1191kWh/m2 y el área

del colector es 1,80 m2, calculamos la energía solar recibida:

𝐸𝑆 = 𝑒𝑠 𝐴

𝐸𝑆 = (6.1191kWh/m2)𝑥(1,80 𝑚2)

𝐸𝑆 = 11,01𝑘𝑊ℎ

Por tanto la eficiencia de la terma es:

𝜂𝐸 =6,14 𝑘𝑊ℎ

11,01𝑘𝑊ℎ

𝜂𝐸 = 0,557

𝜂𝐸 = 55,7%

También, podemos calcular la velocidad de calentamiento del agua de la terma hallando la pendiente entre las 07:30 y

las 15:30 horas, la cual da un valor de 5,5 ºC/hora

5. CONCLUSIONES

Los valores típicos del factor de remoción para el tipo de colectores como el que se evalúa van de 0,82 a 0,85

(Chasseriaux, J.M., 1990 ); para el caso del colector evaluado se ha obtenido un valor de 0,722 ; esto es debido a un mal

contacto térmico entre la placa absorbedora y los tubos de la rejilla.

Según la tabla 2 los valores típicos de eficiencia óptica (η0) o eficiencia máxima del colector es de 80%. En el colector

evaluado se ha obtenido una eficiencia de 60,4 %, esta diferencia se debe al factor de remoción comentado en el párrafo

anterior, es decir a un deficiente contacto térmico entre la placa y los tubos

El coeficiente global de pérdidas que se obtuvo para el colector es de 19,92 W/m2ºC y según la tabla 2 para un colector

de estas características debe ser aproximadamente 7,0 W/m2ºC, esto se debe a un mal aislamiento térmico en las partes

inferior y laterales del colector, y a un deficiente contacto térmico entre la placa y los tubos

La velocidad de enfriamiento del tanque de almacenamiento de agua entre las 15:00 horas del día 23/03/2011 y las

07:40 horas del día 24/03/2011 fue de 0,83 ºC/hora, la cual está relacionada con la velocidad de enfriamiento del medio

ambiente que fue 0,43 ºC/hora, de los resultados anteriores se observa que hay una relación de 2 a1; como la ley de

conducción de calor depende de la geometría y de los materiales aislantes, además de la diferencia de temperatura entre

el agua del tanque y del medio ambiente, podríamos afirmar que la relación encontrada también sea válida para zonas

donde predomine las perdidas por conducción, sobre todo en horas de la noche donde la velocidad del viento es muy

baja o casi nula.

El proceso de calentamiento del agua en el tanque de almacenamiento ocurre entre las 07:30 horas y las 15:30 horas,

luego de lo cual la temperatura del agua en el colector es menor que de la parte superior del tanque, interrumpiéndose el

proceso termosifón, permaneciendo el agua caliente captada en el tanque y cuya duración depende explícitamente del

aislamiento dispuesto alrededor. La velocidad de calentamiento en este periodo de tiempo fue de 5,5 ºC/hora,

básicamente debido a la buena radiación solar que hubo ese día.

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la energía térmica útil ganada por la terma de 120 litros durante las 8 horas de calentamiento fue de 22x106 J

(6,14 𝑘𝑊ℎ), la cual es comparable con una ducha eléctrica de 2 kW de potencia funcionando durante 3,07 horas

por su parte la energía solar captada por el colector durante las 8 horas fue de 11,01𝑘𝑊ℎ, Obteniéndose una eficiencia

térmica para la terma solar de 55,7%

6. RECOMENDACIONES

En el colector se debe mejorar el contacto térmico entre la placa de aluminio y los tubos de cobre, esto se podría hacer

con abrazaderas metálicas, de esta manera se mejorara el factor de remoción y por tanto la eficiencia máxima del

colector.

Se debe aumentar el espesor del aislante térmico en la parte posterior y laterales del colector, así se disminuirá el

coeficiente global de perdidas UL.

Se debe aumentar el espesor del aislante térmico del tanque de almacenamiento de agua para disminuir las perdidas.

Se debe mejorar la unión de los tubos de cobre del colector con el tanque de almacenamiento, para evitar fugas de agua

debido a la fatiga de los materiales ocasionada por las constantes expansiones y contracciones térmicas.

Agradecimientos: Al Proyecto ENDEV/GIZ Perú por su aporte a la realización de este articulo

7. REFERENCIAS.

ASHRAE Standard 93-77,1977, “Methods of testing to determine the Thermal Performance of solar Collector “

ASHRAE, Ney York, N.Y,

Bannister B. y Whitehead D., 1994, . " Instrumentación, Transductores e Interfaces" Addison Wesley Iberoamerica,

Commission of the European Communities,1980, " Recommendations for European Solar Collector Test Methods ".

U.K.,.

Chasseriaux, J.M., 1990," Conversión térmica de la Radiación Solar”. Bordas, Paris.

Cora Placco, Luis Saravia, Carlos Cadena, 2008, Colectores solares para agua caliente

INENCO, UNSa –CONICET, Argentina

Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991, " Solar Engineering of Thermal Processes ". Wyley, New York,

Linthorst, J.M., 1985, “Natural Convection Suppression in Solar Collector ". EFF, Holland,

NTP 399.400, 2001, Colectores Solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares,

Lima Perú.

Valera Aníbal, 2007, Energía Solar II, Asamblea Nacional de Rectores, Lima Perú.

Zilles, R., 1987, " Comparação Experimental de Testes de Coletores Solares planos com Simulador e com

Radiação Solar". Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, PROMEC,