Modelo De Simulacion De Una Proceso Termico De La Radiacion Solar En Colectores De Estanque

Ing. MSc. Edgar Tapia TerrazasIng. MSc. Edgar Tapia Terrazas 11

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRESFACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICAMAESTRIA EN CIENCIAS DE LA

INGENIERIA MECANICA

““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN N DE UN PROCESO TERMICO DE LA PROCESO TERMICO DE LA

RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN N SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUECOLECTORES DE ESTANQUE””

Ing. Ing. MScMSc. Edgar Tapia Terrazas. Edgar Tapia Terrazas

La Paz, septiembre de 2005La Paz, septiembre de 2005


““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO DE LA N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIRADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””

El uso y explotación de las energías no renovables es limitado, la investigación

se orienta hacia el uso de lasEnergías Renovables

Obtener una tecnologíapropia para la evaluación de

colectores solares endiseño y eficiencia.

Esta es una propuesta científicadestinada a orientar e impulsar

futuras investigaciones.



El sol es un gigantesco reactor nuclear.El sol es un gigantesco reactor nuclear.

De la enorme cantidad de energDe la enorme cantidad de energíía que emitea que emiteconstantemente el Sol, una parte llega a laconstantemente el Sol, una parte llega a la

atmatmóósfera terrestre en forma de Radiacisfera terrestre en forma de Radiacióón Solar. n Solar.

La energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme, varía de acuerdo

la hora del día, por la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol



Una energUna energíía garantizada para losa garantizada para losprpróóximos 6.000 millones de aximos 6.000 millones de añños.os.

ConversiConversióón en energn en energíía ta téérmicarmica

Un colector solar es un intercambiador de energUn colector solar es un intercambiador de energííaaque transforma la energque transforma la energíía radiante del Sol en calor. a radiante del Sol en calor.



Transferencia de energTransferencia de energíía de una a de una fuente radiante (Sol), hacia un fluido (agua).fuente radiante (Sol), hacia un fluido (agua).

Colector diseColector diseññado, de baja temperatura, utilizadoado, de baja temperatura, utilizadoen aplicaciones donde se requiere que la energen aplicaciones donde se requiere que la energíía a

sea liberada a bajas temperaturas.sea liberada a bajas temperaturas.



Concentra la Concentra la radiaciradiacióón solarn solar

No necesitan No necesitan mantenimientomantenimiento

Son mecSon mecáánicamente nicamente de construccide construccióónn

mmáás simples simple

VENTAJAS:VENTAJAS:

No requieren No requieren movimiento continuomovimiento continuo



MediciMedicióón n de temperaturas de temperaturas

(que son componentes(que son componentesdel proceso tdel proceso téérmico).rmico).

CuantificaciCuantificacióón de parn de paráámetros metros ttéérmicos para el calorrmicos para el calory las temperaturas.y las temperaturas.

FormulaciFormulacióón de ecuacin de ecuacióón n caractercaracteríística del proceso tstica del proceso téérmico rmico

para optimizar el disepara optimizar el diseñño o del colector solar. del colector solar.

Trazo de curvas de rendimiento.Trazo de curvas de rendimiento.



•• El presente trabajo aprovecha una disciplina que estudia las El presente trabajo aprovecha una disciplina que estudia las energenergíías renovables, de cas renovables, de cóómo llega la energmo llega la energíía solar a la Tierra y su a solar a la Tierra y su aprovechamiento. Para ello es necesario desarrollar tecnologaprovechamiento. Para ello es necesario desarrollar tecnologíías, as, para sacarle el mayor provecho de la radiacipara sacarle el mayor provecho de la radiacióón.n.

Diversas etapas de cDiversas etapas de cáálculolculo

Toma de datos experimentales de temperaturas internas en el

tanque de almacenamiento.

Uso de datos de radiación solar y temperatura ambiente

Cálculo del calor almacenado en el tanque

Rendimiento del colectorRendimiento del colector

Cálculo de rendimiento del colector y su ecuación

característica.



El prototipo se trata de un colector deEl prototipo se trata de un colector deuso domuso domééstico, que muy bien puedestico, que muy bien puede

usarse en el usarse en el áárea rural.rea rural.

Y el lY el líímite,mite, comprende hastacomprende hasta lala verificaciverificacióónnde lade la EstabilidadEstabilidad oo InestabilidadInestabilidad deldel proceso proceso



•• Variables que influencian en la capacidad Variables que influencian en la capacidad del colector.del colector.

Rendimiento del Colector solar

Radiación solar

Temperatura Ambiente

Capacidad de almacenamiento

de energíaIncremento detemperatura



COLECTOR SOLARCOLECTOR SOLAR

Energía radiante Energía térmica

T

n

Iq

=η

[ ]

21

mctUF

tTUIFqTLR

TLTRn

+

Δ−=

τα


( )∑ Δ−=

d

nn

n IT

BAη


EcuaciEcuacióón caractern caracteríística:stica:



•• Sensores de temperaturaSensores de temperatura•• Circuito conversor analCircuito conversor analóógico/digitalgico/digital•• Software de almacenamiento de datosSoftware de almacenamiento de datos



••Software de almacenamiento de datosSoftware de almacenamiento de datos



MEDICIMEDICIÓÓN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CN DE DATOS PARA EL EXPERIMENTO Y CÁÁLCULOS RESULTANTESLCULOS RESULTANTES

08:00 09:40 11:20 13:00 14:40 16:20 18:00

0

200

400

600

800

1000

Rad

iaci

ón s

olar

w/m

2

t tiempo

RADIACIÓN SOLAR DEL 28 DE ABRIL DE 2005

08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

Rad

iaci

ón s

olar

w/m

2

t tiempo

RADIACIÓN SOLAR AJUSTADA




08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:004

6

8

10

12

14

16

18

20

Tem

pera

tura

Am

bien

te T

a

t tiempo

Temperatura Ambiente 28 de Abril de 2005

08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

10

12

14

16

18

20

Tem

pera

tura

am

bien

te

t tiempo

TEMPERATURA AMBIENTE, AJUSTADA




10:06:2011:13:0012:19:4013:26:2014:33:0015:39:4016:46:2017:53:0018:59:40101520253035404550556065707580859095

100

Tem

pera

tura

den

tro d

el ta

nque

t tiempo08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:000

510

15

20

2530

35

40

4550

55

60

6570

75

Tem

pera

tura

t tiempo

TEMPERATURA DENTRO DEL TANQUE DEL COLECTOR

1

2

34

56



CCáálculo del Volumen de agua circundante a los sensores lculo del Volumen de agua circundante a los sensores de temperaturade temperatura

dxyrdA 22 −=

35

34

33

32

31

294505.854.344

478105.852.559

523205.859.611

478105.852.559

294505.854.344

cmV

cmV

cmV

cmV

cmV

=×=

=×=

=×=

=×=

=×=



CCáálculo de la capacidad de almacenamiento de energlculo de la capacidad de almacenamiento de energííaadel agua dentro del tanque del agua dentro del tanque

pVCmc ρ=

t (horaria) ρ mc1 mc2 mc3 mc4 mc5

9:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

10:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

11:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

12:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

13:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

14:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

15:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

16:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28

17:00 1000 123,28 200,13 219,01 200,13 123,28



CCáálculo del calor almacenado y rendimiento del colectorlculo del calor almacenado y rendimiento del colector

[ ]

21

mctUF

tTUIFqTLR

TLTRn

+

Δ−=

τα

t (horaria)FR factor de transferencia

de calor

τα Eficiencia óptica

UL coeficiente de pérdidas del colector

IT Energía de Radiación

kJ/m2

mccapacidad de almacenamiento del agua del colector

deltaT1qN calor

almacenado neto Rendi

miento

09:00 0.60 0.65 16.00 2801 123.28 10.97 625.64 22.33

10:00 0.60 0.65 16.00 2983 123.28 12.98 626.98 21.02

11:00 0.60 0.65 16.00 3036 123.28 15.63 564.98 18.61

12:00 0.60 0.65 16.00 2961 123.28 18.00 467.18 15.78

13:00 0.60 0.65 16.00 2757 123.28 19.55 350.70 12.72

14:00 0.60 0.65 16.00 2425 123.28 20.03 222.21 9.16

15:00 0.60 0.65 16.00 1964 123.28 19.59 77.94 3.97

16:00 0.60 0.65 16.00 1374 123.28 18.69 -96.30 -7.01




09:00 11:00 13:00 15:000

5

10

15

20

25

30

Ren

dim

ient

o

t tiempo




0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

10

20

30

40

REN

DIM

IEN

TO

Delta T

12

3

4

5

ECUACIONES CARACTERÍSTICAS DE CADA SENSOR



ANANÁÁLISIS CON SIMULADOR WINFACT LISIS CON SIMULADOR WINFACT

Función de Transferencia

IT(t)

Ta(t)

qn



ANANÁÁLISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)LISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)IITT entrada entrada qq55 salidasalida

Señal de salida

Señal de entrada

Respuesta



ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (IDA)TTaa entrada entrada qq55 salidasalida

Señal de salida

Señal de entrada

Respuesta



ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (LISA)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (LISA)ESTABILIDAD DEL SISTEMAESTABILIDAD DEL SISTEMA

ESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCIESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCIÓÓN DE LA RADIACION SOLAR N DE LA RADIACION SOLAR

ESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCION DE LA TEMPERATURA AMBIENTEESTABILIDAD DEL CALOR EN FUNCION DE LA TEMPERATURA AMBIENTE



ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (BORIS)ANALISIS CON SIMULADOR WINFACT (BORIS)

Ta

IT


““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACITERMICO DE LA RADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””

Fundamentos Teóricos

Aplicación experimental

Modelado del proceso térmico

Ecuación Característica


““MODELO DE SIMULACIMODELO DE SIMULACIÓÓN DE UN PROCESO TERMICO N DE UN PROCESO TERMICO DE LA RADIACIDE LA RADIACIÓÓN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUEN SOLAR EN COLECTORES DE ESTANQUE””

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

10

20

30

40

RE

ND

IMIE

NTO

Delta T

12

3

4

5

ECUACIONES CARACTERÍSTICAS DE CADA SENSOR

( )∑ Δ−=

d

nn

n IT

BAη


"pretendes observar las estrellas y ni siquiera ves lo que tienes a tus pies“(Thales de Mileto).

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