Teoría de un Colector de Canal Parabólico

5/20/2018 Teor a de un Colector de Canal Parab lico

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ENERGAS RENOVABLES

INTEGRACION DE UN SISTEMA DE COLECTOR SOLARCONCENTRADOR PARA CALENTAMIENTO DE UNA ALBERCA.

INFORME DE ESTADAS PARA OBTENER EL TTULO DE:

TCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGASRENOVABLES.

PRESENTA:

GILBERTO MRQUEZ SOSA.

Chihuahua, Chih., 30 de Agosto del 2013


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DEDICATORIA

Llegar hasta aqu no fue algo que yo pueda decir que fue fcil tuve que pasar varias noches

sin dormir, y otras acostndome temprano ya fuera para levantarme con nimos al siguiente

da o por cansancio, varias tardes sin salir con mis amigos, muchsimo tiempo de

dedicacin al estudio y a los proyectos, en realidad requiri de mucha constancia de mi

parte, ms sin embargo lo disfrute, pues no tuve que pasar por muchas dificultades como

muchos de mis compaeros que si no hubiera sido por mi familia y el apoyo que me dieron,

hubiera tenido que pasar por muchas cosas ms.

Por eso le dedico ste trabajo a mi familia que aunque en realidad nunca se los diga, los

quiero y precio mucho, en especial a mi ta Rosario Mrquez Sosa, mi madre Mnica Roco

Mrquez Sosa y Florencio Mrquez Sosa, quienes me ofrecieron su apoyo incondicional

para poder llegar hasta aqu con las facilidades que tuve, sinceramente sin ellos muy

probablemente mi rendimiento en la escuela hubiera sido considerablemente menor y

ahorita y me encontrara cansado en realidad.

Tambin quiero darle las gracias a mi novia Alejandra Castillo Moreno, por apoyarme todo

este tiempo en el que he estado cursando la universidad y tambin cuando no lo he estado,por mandarme a mi casa temprano cuando la visito para hacer mis tareas y dormirme

temprano aunque yo me quiera quedar con ella ms tiempo, por darme todo su amor y

darme la motivacin necesaria en todos los mbitos de mi vida para lograr llegar hasta aqu

y haber llegado de esta manera.

Quiero darle las gracias a todos y cada uno de mis maestros, que cada uno con su forma

particular de ser me dejaron muchas cosas, yo s que en este momento de cada uno me

lleve algo bueno. Quiero darle especiales gracias a los maestros que pudiendo estartrabajando en algn lugar donde son mucho mejor remunerados por menos trabajo, siendo

jefes, saliendo de viaje etc. Prefieren estar dndole clases y pasando sus valiosos

conocimientos y experiencias a unos muchachos a veces un poco vagos, recibiendo menos

remuneracin, solo por el placer de forjar nuevas generaciones bien preparadas, les doy

muchas gracias a todos ellos y ellas.


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ABSTRACT

Is presented the planning, sizing, pricing and financing of a thermal-photovoltaic solar

project. Is a system consisting of an array of parabolic trough collectors with a higher

efficiency for most of the solar collectors. The electrical-electronic system will be powered

by PV panels, this way the system only produces energy and its totally auto sustainable.

In this case we will use an array of three parabolic trough collectors (PTC), to have an

increase of 10 degrees Celsius in the pool, preparing it for recreational use. The system

features a parabola shaped polished blade, which once with its guideline perpendicular to

the sun, will concentrate solar radiation to a point called "focus of the parabola, where a

vacuum tube is placed along the canal with parabolic curvature. The system will be azimuth

solar tracking, which means that it will follow the sun from east to west, due to the type of

engine used, will track 100 along the day. The positioner circuit will track the position of

the sun with a pair of sensors that will compare the solar incidence among one another to

guide the system perpendicular to the solar inclination.

The tubes are placed in the focus of the parabola are vacuum tubes which are conformed by

two glass cylinders, having between them a high vacuum which allows solar radiation to

enter and reduce heat losses from radiation. Solar inner glass tube is composed of

aluminum nitride which gives a dark color, the inner tube has the property of low

emissivity and high absorptivity. The outer cylinder consists of borosilicate which has the

function to pass the more radiation, maintain vacuum and withstand the harsh elements that

could affect itself.

The system has a temperature controller that adapt to the requirements of the application, a

user interface will change the limits of minimum and maximum temperature consisting of a

screen and two potentiometers. If the system overheats the controller take control and movethe focus away from the perpendicular to the sun and also to the system and turn off the

water pump, if the system does not reach the right temperature the pump remains off until

the temperature is adequate.


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The engine is the solar tracker is a linear actuator motor with a reduction gear, which makes

a small engine with a high angular velocity and semi-strong torque into linear slow motion

with a high thrust force, which is perfect for a solar tracker for a small engine with moving

the heavy metal frame and continue the slow movement of the sun.


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NDICE GENERAL

PORTADAI

AUTORIZACIN DEL INFORME DE ESTADASI I

DEDICATORIA I I I

ABSTRACT... IV

INDICE GENERAL VI

INDICE DE TABLAS Y FIGURASIV

INTRODUCCIN ...1

CAPTULO 1. LA IDEA DEL PROYECTO...................3

1.1. Contexto del trabajo........3

1.1.1. Misin...3

1.1.2. Visin3

1.1.3. Valores..4

1.1.4. Polticas de calidad. .4

1.1.5. Organigrama....4

1.2. Antecedentes del problema.......5

1.3. Objetivos del proyecto....8

1.3.1. Objetivos generales..8

1.3.2. Objetivos particulares.9

1.4. Justificacin del proyecto10

CAPITULO 2. DISEO DEL PROYECTO........11

2.1. Recoleccin de datos.11

2.2. Anlisis de la situacin actual12


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vii

2.2.1. Anlisis FODA...12

2.2.1.1. Fortalezas ....12

2.2.1.2. Amenazas.....12

2.2.1.3. Debilidades..13

2.2.1.4. Oportunidades13

2.3 Diagnstico. ....15

2.4. Alternativa de Solucin16

2.4.1. Fundamentos del proyecto16

2.4.2. Anlisis costo beneficio..18

2.4.3. Planeacin, mtodo y recursos empleados..212.4.3.1. Diseo del prototipo y del proyecto...22

2.4.3.2. Seleccin y compra de los materiales y los motores23

2.4.3.3. Armado de la estructura y del mecanismo...23

2.4.3.4. Integracin del circuito de control23

2.4.3.5. Instalacin y puesta en marcha del sistema.23

2.4.3.6. Adquisicin de datos y terminacin del reporte de estadas.......24

2.4.3.7. Resultados....24

2.4.5. Autorizacin de la alternativa......26

2.5. Cronograma .....27

CAPITULO 3. EJECUCIN DEL TRABAJO....28

3.1. Antecedentes ....28

3.2. Teora del diseo del colector de canal parablico303.2.1. La parbola....30

3.2.2. El tubo al vaco...39

3.2.3. Estructura del CCP...44

3.2.4. Geometra solar..48


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viii

3.2.5. Control electrnico y sistema elctrico....49

3.3. Diseo del colector de canal parablico.....52

3.3.1. Diseo del prototipo y del proyecto..52

3.3.2. Seleccin y compra de los materiales y de los motores......61

3.3.3. Armado de la estructura y del mecanismo..65

3.3.4. Integracin del circuito de control...66

3.3.5. Instalacin y puesta en marcha del sistema....69

3.3.6. Adquisicin de datos..73

CAPITULO 4. EVALUACIN DEL PROYECTO....77

4.1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.78

REFERENCIAS .........79


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INDICE DE TABLAS Y FIGURAS

Figura1.1. organigrama de la empresa....4

Tabla 2.1. Anlisis FODA.14

Tabla 2.2. Costo beneficio valores..19

Tabla 2.3. Costo beneficio valores 2...20

Tabla 2.4. Costo beneficio resultados.20

Tabla 2.5. Costo beneficio resultados 2..20

Tabla 2.6. Flujo financiero21

Figura 3.1. Puente estructura parablica..30

Figura 3.2. Antena parablica de comunicacin..31

Figura 3.3. Partes de la parbola32

Figura 3.4. Efecto de la parbola33

Figura 3.5. Torre de concentracin solar..35

Figura 3.6. Colector de placa plana36

Figura 3.7. Curvas de temperatura concentracin..37

Figura 3.8. Curvas de temperatura eficiencia..38

Figura 3.9. Curvas de eficiencia mxima..39

Figura 3.10. Tubos de conveccin natural.41

Figura 3.11. Tubos de presin..42

Figura 3.12. Tubos de flujo directo.43

Figura 3.13. Estructura de esqueleto de pescado.44

Figura 3.14. Estructura basada en tringulos de fuerza45

Figura 3.15. Cigeal estructura en equilibrio47

Figura 3.16. Etapas de control50


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x

Figura 3.17. Resistencia dependiente de la luz50

Figura 3.18. Controlador de carga PS15M...51

Figura 3.19. Bateras de ciclo profundo.51

Figura 3.20. Colector Solar Inteligente 2..52

Figura 3.21. Perfil parablico del CSI2.53

Tabla 3.1. Valores para graficar la parbola del CSI2.53

Figura 3.22. Deformacin de una estructura cuadrada.54

Figura 3.23. Distribucin de fuerzas en un estructura triangular55

Figura 3.24. Refuerzo triangular en estructura cuadrada..55

Figura 3.25. Partes de la estructura del CSI2..56

Figura 3.26. Estructura de soporte de la lmina refractiva...57

Figura 3.27. Centro de gravedad de la estructura...57

Figura 3.28. Flujo interno.58

Figura 3.27. Ensamble de la tubera interior59

Figura 3.28. Terminales de la tunera interior.59

Figura 3.29. Movimiento del CSI2..60

Figura 3.30. Lmina de aluminio pulido....61

Figura 3.31. PTR de acero62

Figura 3.32. Actuador lineal con motoreduccin.63

Figura 3.33. Bomba en DC Grundfos para agua caliente.64

Figura 3.34. Partes de la estructura del CSI2..65

Figura 3.35. Diagrama electrnico del seguidor solar...66

Figura 3.36. Diagrama electrnico del control de temperatura68Figura 3.37. Diagrama elctrico del CSI2.68

Figura 3.38. Diagrama de flujo del sistema..70

Figura 3.39. Diagrama de instrumentacin del sistema.70

Figura 3.40. Sistema instalado.72


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xi

Figura 3.41. Sistema instalado con orientacin73

Figura 3.42. Grafica de calentamiento con manta trmica74

Figura 3.43. Grafica de calentamiento sin manta trmica.75

Figura 3.44. Comparativa del calentamiento de la alberca...76


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INTRODUCCIN

Se presenta la planeacin, dimensionamiento, cotizacin, financiamiento de un proyecto

solar trmico-fotovoltaico. Es un sistema que consta de un arreglo de colectores solares de

tipo concentrado de canal con una eficiencia mayor a la mayora de los colectores solares.La parte elctrica-electrnica del sistema estar alimentada por paneles solares, de sta

forma el sistema se encarga nicamente producir energa.

En este caso se utilizar un arreglo de 3 colectores de canal parablico (CCP), para

climatizar y tener un aumento de 10 grados centgrados en la alberca, acondicionndola

para su uso recreativo. El sistema cuenta con una lmina acabado espejo en forma de

parbola, la cual al estar con su directriz perpendicular al sol, concentra la radiacin solar

hacia un punto llamado foco de la parbola, en donde se colocar un tubo al vaci a lo

largo del canal con curvatura parablica. El sistema contar con seguimiento solar azimutal,

lo que quiere decir que va a seguir al sol de Este a Oeste (movimiento acimutal), debido al

tipo de motor utilizado, contar con un seguimiento de 100 a lo largo del da. El circuito

posicionador rastrear la posicin del sol con un par de sensores que compararn la

incidencia solar entre uno y otro para orientar el sistema perpendicular a la inclinacin

solar.

Los tubos que se colocarn en el foco de la parbola, son tubos al vaco los cuales cuentancon dos cilindros de vidrio, habiendo entre los dos un alto vaco el cual permite a la

radiacin del sol entrar y reducir las prdidas del calor producido por la radiacin solar, el

tubo de vidrio interior est constituido por nitrito de aluminio el cual le da un color

obscuro, ste tubo interior tiene la propiedad de baja emisividad y alta absortancia. El

cilindro exterior est constituido por borosilicato el cual tiene la funcin de dejar pasar la

mayor cantidad de radiacin y mantener el vaco as como de resistir las inclemencias que

pudieran afectarle.

El sistema cuenta con un control de temperatura para poder adecuar el sistema a los

requerimientos de la aplicacin, una interfaz de usuario permitir cambiar los lmites de

temperatura mnima y mxima que consiste en una pantalla y dos potencimetros. Si el

sistema se sobrecalienta el control saca de foco al sistema y apaga la bomba de agua, si el


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sistema no alcanza la temperatura adecuada la bomba permanece apagada hasta que la

temperatura sea adecuada.

El motor que constituye el seguidor solar es un motor actuador lineal con una transmisin

reductora, la cual hace de un motor pequeo con una velocidad angular alta y bajo torque

en un movimiento lineal lento con una fuerza de empuje alta, lo cual es perfecto para un

seguidor solar ya que con un motor pequeo movemos la estructura metlica pesada y

seguimos la lenta trayectoria solar.


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CAPTULO 1. LA IDEA DEL PROYECTO

1.1

. Contexto del trabajo

La empresa se llama Solaer, es una empresa espaola especializada en energa renovable se

dedica principalmente a disear, instalar, y producir sistemas de energas renovables tales

como sistemas de granjas solares fotovoltaicas, boiler solares, invernaderos, bioenerga,

calefaccin solar y otras cosas ,siendo su principal fuente de ingresos la rama de

fotovoltaica. La empresa en Mxico no tiene ms de un ao de existencia, y en la actualidad

solamente tres personas conformamos el personal de la empresa, teniendo subcontratadas a

otras empresas para atender los proyectos e instalar los sistemas. En la empresa mi asesor

es el Ing. Juan Andrs Rocha Jaime, quien es director comercial de la empresa.

1.1.1. Misin

Proveer soluciones Integrales, en generacin de Energa Elctrica a partir de Sistemas

Fotovoltaicos con Tecnologa de ltima generacin y con el esfuerzo y trabajo de un equipo

de profesionales altamente especializados mediante procesos probados que contempla el

diseo, arquitectura, implementacin, gestin de financiamiento, mantenimiento delsistema y monitoreo del ptimo funcionamiento de los mdulos solares, para el desarrollo

auto sustentable de nuestros clientes, haciendo un uso eficiente de la energa solar como

fuente limpia e inagotable de recursos.

1.1.2. Visin

Somos la Empresa Mexicana Lder en Latinoamrica en la Consultora y

Comercializacin de soluciones Integrales en energas renovables, especializada en

Sistemas Fotovoltaicos, y contribuimos al incremento de la productividad de nuestros

clientes generando ahorros energticos en sus propias instalaciones.


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1.1.3. Valores

Integridad, Honestidad, Profesionalismo, Responsabilidad, Consistencia, Puntualidad,

innovacin, excelencia en el servicio, creatividad, proactividad, lealtad, orden, trabajo en

equipo.

1.1.4. Polticas de calidad

Atender las necesidades de los clientes de manera atenta y rpida para dar soluciones

integrales a la medida de los requerimientos del problema. Instalar y poner en marcha

sistemas fotovoltaicos libres de mantenimiento exhaustivo con un tiempo de vida

garantizado de 25 aos mediante una buena instalacin con profesionalismo de alta calidad

e integrando nicamente productos de alta calidad garantizada, avalada por instituciones y

por nosotros basndonos en nuestra propia experiencia.

1.1.5. Organigrama

Figura1.1. Organigrama de la empresa.

Director general y socio

Director comercial

Ingeniero de proyectos Ingeniero de proyectos


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1.2. Antecedentes del problema

El modelo energtico actual se basa mayoritariamente en el consumo de combustibles

fsiles para el transporte y la generacin deenerga elctrica. Hoy en da, dos factores

ponen en entredicho la supervivencia de este modelo. Dichos factores son el agotamientode las reservas de combustible y elcalentamiento global, los cuales tienen sus respectivas

consecuencias, trastornos climticos y aumento del precio de los combustibles fsiles. La

energa qumica producida por el gas natural, es una energa obtenida mediante el proceso

de combustin del gas agregndole calor y oxgeno, liberando energa en forma de calor,

luz y movimiento a causa de la expansin del gas en la explosin, dejando como residuos

dixido de carbono. El gas natural es una de las varias e importantesfuentes de energa no

renovables formada por una mezcla degases ligeros que se encuentra en yacimientos

depetrleo,disuelto o asociado con elpetrleo o en depsitos decarbn. Aunque su

composicin vara en funcin del yacimiento del que se saca, est compuesto

principalmente pormetano en cantidades que comnmente pueden superar el 90 o 95%.

En el presente se utilizan los combustibles fsiles como el 97% de la energa primaria que

se consume en el mundo, 38% escarbn, 40% espetrleo y 19% esgas natural. Estas

generan contaminacin y no son renovables. Se estima que el petrleo durar 45 aos ms,

el gas natural 65 y el carbn 230.

El gas natural es uno de los dos gases comerciales de uso domstico ms usados en el

mundo, siendo el gas natural el ms barato, y fcil de distribuir, El gas natural produce

mucho menos CO2que otros combustibles como los derivados del petrleo, y sobre todo

elcarbn.Adems es un combustible que se quema ms limpia y eficazmente. La razn por

la cual produce poco CO2es que el principal componente, metano, contiene

cuatrotomos dehidrgeno y uno de carbono, produciendo 2molculas de agua por cada

una de CO2, mientras que los hidrocarburos de cadena larga (lquidos) producen slo unamolcula de agua por cada molcula de CO2. El CO2 expulsado a la atmsfera en la

combustin del gas contribuye decisivamente al denominado calentamiento global del

planeta, puesto que es un gas que produce el denominado efecto invernadero. El CO2es

transparente a los rayos visibles y ultravioletas que calientan la Tierra por el da, pero

absorbe los rayos infrarrojos que sta emite al espacio exterior, ralentizando el enfriamiento
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Calentamiento_globalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_no_renovablehttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_no_renovablehttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culahttp://es.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_no_renovablehttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_no_renovablehttp://es.wikipedia.org/wiki/Calentamiento_globalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica


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nocturno del planeta. No obstante, el impacto medioambiental del gas natural es menor que

el de otros combustibles fsiles como los carbones o los derivados del petrleo, puesto que

apenas emite otros gases contaminantes como los xidos de azufre (que son emitidos en

mayores cantidades en la combustin de los dems combustibles fsiles). Gases quecontribuyen, entre otros efectos, a la produccin de la denominada lluvia cida. Su

combustin tampoco produce partculas slidas (cenizas).

Este gas se ha hecho da con da ms caro debido a que cada vez hay ms demanda de

combustibles para generacin de energa y por qu los yacimientos petroleros de donde se

extrae el gas natural son cada vez ms escasos y los yacimiento restantes son de difcil

alcance y explotacin como los yacimientos de aguas profundas. En el caso particular de

Mxico el alza de los precios del gas natural se debe principalmente a que en muchos

lugares del pas no hay canalizaciones para conducir el gas natural desde los yacimiento

hasta el lugar de consumo, lo que hace ms caro su trasporte y por lo mismo aumenta su

precio final.

En el estado de Chihuahua predomina a los a los largo del ao un clima muy extremo,

habiendo en invierno fros muy duros que han alcanzado en algunos municipiostemperaturas de hasta -23 centgrados y veranos muy calurosos donde las temperaturas

llegan hasta los 40 grados centgrados en las partes ms calurosas del estado. Por lo cual el

gobierno de la federacin da diferentes subsidios para los diferentes energticos utilizados

para la climatizacin de los hogares Chihuahuenses a lo largo del ao. En verano hay una

fuerte dependencia de la energa elctrica y durante invierno una dependencia

principalmente del gas natural y del gas LP. Durante los meses invernales los energticos

que principalmente se consumen en el estado de Chihuahua son stos dos gases, el LP y elnatural.

La principal diferencia entre estos dos gases es la forma de transportarlos, el gas natural se

transporta a travs de canalizaciones subterrneas y el gas LP se transporta a travs de

tanques que a su vez se transportan en camiones. El gas natural tiene varias ventajas en

comparacin del gas LP, como la comodidad de evitarse el estar cambiando de tanque cada


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vez que se termine el gas LP, que nunca se queda el hogar sin el servicio ya que

constantemente se suministra a travs de las tuberas, el gas natural se mezcla con el aire al

escapar por lo cual se evitan las concentraciones de ste a diferencia del gas LP que es ms

pesado que el aire y tiende a concentrarse y provocar explosiones, y por ltimo el gas LP esms contaminante porque al quemarse libera ms CO2que el gas natural ya que tiene ms

tomos de carbn por molcula que el gas natural, siendo su nica ventaja que produce ms

energa por unidad de volumen, generando 2500 BTU por m3y el gas natural solamente

1000 BTU por m3. Los dos tienen un precio similar, pero aun con las posibles ventajas del

gas natural el gas LP es an el gas que ms se consume en Chihuahua.

El costo por el calentamiento de una alberca con caldera es elevado, ya que el consumo degas para calentarla es bastante grande y a causa del incremento de los precios cada vez es

ms alto el precio por climatizar una alberca, otro factor es que las calderas aparte de

consumir un combustible fsil, tambin consumen energa elctrica. Las emisiones de

dixido de carbono al medio ambiente a causa del calentamiento es tambin un factor que

contribuye al calentamiento de la Tierra debido al efecto invernadero, entonces eliminar

estas emisiones al calentar una alberca es una gran contribucin a la salud de nuestro

planeta. De sta, manera podremos abatir la raz del problema y anular los costos por

calentamiento de la alberca y crear un ahorro de capital, tener un retorno de inversin

debido al ahorro que estamos teniendo y dejar de producir emisiones de C02 al medio

ambiente.


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1.3. Objetivos del proyecto

1.3.1. Objetivos generales

Se pretende realizar de manera correcta y eficaz una instalacin de sistemas solares

trmicos y fotovoltaicos para el calentamiento de una alberca, evitar el uso de gas natural

para calentamiento y as se reducir los gastos por la climatizacin de sta. Omitir las

emisiones de contaminantes al medio ambiente por causa del calentamiento de la alberca

con caldera y por el carbono generado al producir la energa elctrica que utilizan las

calderas. Se instalarn 3 colectores solares el paralelo para calentar grandes cantidades de

agua a baja temperatura, si el arreglo se hiciera en serie tendramos menor masa de agua

calentada pero a mayor temperatura y eso definitivamente no es lo que buscamos, es por

eso que el arreglo ser en paralelo. Se contar con una bomba de agua elctrica que

funcione con corriente directa para poder ser alimentada directamente con energa

fotovoltaica, la bomba estar controlada electrnicamente mediante un circuito controlador

de flujo para regular la temperatura mediante un flujo pausado, adecuado para proveer agua

a la temperatura deseada a la alberca.

El sol sigue una trayectoria diaria azimutal de Este a Oeste proveyendo de una gran

cantidad de energa a la Tierra en forma de radiacin electromagntica la cual podemos

aprovechar con un sistema de colectores solares para capturar la radiacin infrarroja

teniendo un 80% de eficiencia al capturar la energa del sol. Dependiendo del da juliano en

el que estemos ser la duracin del da y tambin la incidencia solar, dando as para un CCP

paralelo a la horizontal mejores rendimientos en verano que en invierno. El calor

recolectado se trasmitir al agua de la alberca obteniendo un aumento de la temperatura,

constantemente el sistema estar censando la temperatura del agua dentro de los tubos al

vaco para controlar la temperatura final de la alberca. De sta manera obtenemos unaumento razonable de la temperatura de la alberca con el dimensionamiento planeado del

sistema


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1.3.2. Objetivos particulares

Crear un nuevo sistema de CCP con un sistema de control, diseo de la estructura, y

mecnica nicos.

Instalar un arreglo de sistemas CCP funcionales para el calentamiento de una

alberca.

Obtener una concentracin de radiacin solar de 7x.

Controlar eficazmente la temperatura de la alberca.

Obtener resultados favorables de costo-beneficio del sistema para su

comercializacin.


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1.4. Justificacin del proyecto

El CCP sirve para generar mayor temperatura en el agua que se pretende calentar, si

tuviramos dos colectores solares, uno de tipo CCP y otro convencional de tubos al vaco,

con la misma rea de recepcin, los dos captaran la misma cantidad de energa en forma de

calor, ya que la cantidad de energa que absorben es la misma, la diferencia es que el CCP

tiene una concentracin de 7x y eleva a mayor temperatura cierta cantidad de agua, y el

colector convencional de tubos al vaco calienta mayor cantidad de agua a menor

temperatura. Cabe mencionar que el colector convencional al tener un rea de perdida

mayor, o sea, ms tubos al vaco, tiene ms prdidas de calor que el CCP que tiene un rea

de prdidas menor. Todo esto quiere decir que el CCP tendr el mismo flujo de calor que

un boiler solar convencional con la misma rea de recepcin, solo que todo ese flujo de

calor pasar en el CCP por un rea de absorcin a un sptimo del tamao del rea de

absorcin del colector convencional, que es lo mismo a tener siete veces ms potencia por

metro cuadrado, a esto se le llama 7x.

Otra ventaja es que el CCP funciona a su mxima potencia durante 7 horas promedio

solares al da nicamente reducindose la potencia en las horas ms alejadas del medio da

solar por causa de la masa de aire que la radiacin debe de atravesar, ya que a medio da es

cuando la radiacin atraviesa menor cantidad de masa de aire.

En caso de almacenamiento del lquido trmico tambin se encuentran varias ventajas, la

primera es que entre ms caliente este el lquido trmico almacenado mayor es la cantidad

de energa que se almacena, conveniente para nuestro sistema ya que se caracteriza por

alcanzar altas temperaturas. De esta manera el sistema de CCP en aplicaciones de

almacenamiento de calor tiene ms das de autonoma proporcionando energa trmica con

ausencia de radiacin solar.

En caso de granizo, vandalismo, accidentes, etc., el sistema tiene menor posibilidad de

daos a los tubos de vaco ya que por tener menor rea con tubos al vaco las prdidas

materiales son mnimas, y en el peor de los casos nicamente se necesitaran cambiar 2

tubos al vaco por colector.


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CAPTULO 2. DISEO DEL PROYECTO

2.1. Recoleccin de datos

La alberca que se pretende calentar es una alberca al aire libre que est en el patio de unresidencia de un piso, la alberca se encuentra orientada hacia el sur de la casa, lo cual hace

que la mayor parte del da le est incidiendo la radiacin solar, excepto por las maanas

muy temprano y por las tarde casi apunto del anochecer, por el lado Este de la alberca,

aproximadamente a una distancia de 5m (metros) de la alberca se encuentra una barda la

cual limita la propiedad de la residencia en la cual est la alberca con la residencia vecina,

esta barda tiene una altura de 2m de alto. Por el lado Oeste se encuentra una barda el doble

de alto que la del lado Este pero a una distancia de 15m, en el lado sur se encuentra una

barda de 2m a 5m de la alberca. La alberca tiene las siguientes dimensiones, 10 metros de

largo, 5 metros de ancho y 1.5 metros de profundidad. La alberca cuenta con una manta

protectora la cual la ayuda a mantenerse limpia y cuando se caliente la alberca con la

caldera ayuda a mantener el calor. La casa tiene techado hecho de tejas, con una inclinacin

de 25, las inclinaciones del techo se encuentran hacia los 4 puntos cardinales principales,

Norte, Sur, Este y Oeste.

Chihuahua tiene una incidencia solar anual privilegiada, ya que al medio da solar alcanza

hasta 1200 watts por metro cuadrado y tiene muy pocos das nublados, tenemos un

promedio anual de incidencia solar diaria de 5.5 kilowatts por metro cuadrado.

La alberca generalmente se utiliza en los meses de Abril a Agosto, stos son los meses en

donde se da la mayor incidencia solar al ao ya que los das duran ms y la declinacin

solar est ms cerca de los 90 grados, lo que quiere decir que stos meses al medio da solar

el Sol est ms cerca del zenit.

La capacidad calorfica del agua es de 4184 KJ/KgC (kilo joules sobre kilogramo gradocentgrado) la cual es una capacidad calorfica muy alta lo que hace que necesite mucho

tiempo para poder absorber bastante calor y aumentar su temperatura, esto a pesar de que

sea un buen conductor de calor. Nuestro colector tiene una eficiencia del 48% ya que la

lmina refractiva del CCP tiene una reflectividad del 60% y de la radiacin concentrada que

nos refleje, los tubos al vaco solo aprovecharn el 80%. A partir de estos datos pudimos


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obtener que sern necesarios al menos 3 CCPs para calentar la alberca 10 centgrados ms

de la temperatura ambiente. Los colectores se posicionarn en la parte Este del techo de la

casa con inclinacin hacia el mismo punto cardinal, con inclinacin nula hacia el Sur. Se

eligi hacerse as ya que en la parte Sur de la casa se har una instalacin fotovoltaica lacual no dejar espacio para los CCP, la inclinacin de 25 al Este no le afectar al colector

ya que solo tiene un recorrido de 100, y la inclinacin nula hacia el Sur le dar buena

incidencia ya que el Sol estar casi en el Zenit.

2.2. Anlisis de la situacin actual

2.2.1. Anlisis FODA

La empresa est recin surgiendo en lo que es un mercado nuevo que futuramente va a ser

un mercado con mucha demanda, se est consiguiendo en recurso humano y capacitndolo

para hacer bien su trabajo, observando las oportunidades de desarrollo como empresa de las

tecnologas de conversin de energas de fuentes renovables en energa elctrica, con la

ayuda, asesora y experiencia de su empresa socia Solaer USA, se est abriendo camino a

su desarrollo y auto fortalecimiento en sta etapa crucial donde la empresa est creciendo al

igual que la cultura de la poblacin con respecto a las energas renovables.

2.2.1.1. Fortalezas

Para el desarrollo y ejecucin del proyecto se cuenta con el respaldo del equipo de trabajo

de Solaer y con todos los recursos que estn disponibles por parte de la empresa y de sta

manera contar con un equipo de trabajo constituido por expertos en las diferentes reas que

el proyecto involucra en las que se pudieran llegar a tener problemas a la hora de realizar el

proyecto.

2.2.1.2. Amenazas

El no abarcar algunas de las otras ramas de las energas renovables en una gran amenaza,

ya que una empresa con gran variedad aporta ms soluciones y ms integrales a la hora de


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ofrecer los servicios de la empresa. El ser especialista en un rea no es una amenaza sino el

desperdiciar otras reas de oportunidades resolviendo necesidades energticas de otros

tipos.

2.2.1.3. Debilidades

Solaer no tiene ningn antecedente de manejo de sistemas CCP, por lo cual es muy

probable que otras empresas puedan dar mejores soluciones de generacin de energa

trmica. Por el momento no se puede dar una solucin con sistemas CCP, ni prever errores

en el diseo y construccin de sistemas de ste tipo ya que el prototipo est apenas en

construccin.

2.2.1.4. Oportunidades

En materia de energa trmica, no hay ninguna empresa que tenga laboratorios de

investigacin, innovacin, desarrollo e ingeniera inversa de tecnologa termo solar. Se

puede lograr tener una gama de productos nicos en el mercado mexicano y aportar

soluciones que solo nosotros podramos ofrecer.


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OPORTUNIDADES AMENAZAS

FOR

TALEZAS

Con el poder adquisitivo y buen equipo de la

empresa se debe obtener fondos de

innovacin tecnolgica para el desarrollo deprototipos comenzando por el CCP y

lanzndolo al mercado con la ayuda de los

especialistas de la empresa y con la inversin

de fondos para la innovacin junto con

inversin privada desarrollar un sistema de

CCP con patente propia para su

comercializacin.

Con todo el apoyo de la empresa se irn

desarrollando los sistemas colectores

solares trmicos para ganar experienciay desarrollar otros prototipos ms

eficientes y eficaces.

DEBILIDADE

S

Ganar terreno en el mercado de la energa

solar trmica desarrollando productos

innovadores en el mercado, dando servicios

que ninguna otra empresa puede ofrecer.

Habr que desarrollar prototipos de

energa solar trmica e ir abriendo

espacio para el desarrollo de nuevas

tecnologas trmicas como laboratorios y

equipos de medicin. Introducir al

mercado nuevos productos como los

CCP para ganar terreno y experiencia.

Abrir otros departamentos de energasrenovables en la empresa como elica y

biomasa.

Tabla 2.1. Anlisis FODA.


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2.3. Diagnstico

Hay una gran oportunidad de ventas en el mercado solar trmico ya que aparte de haber

poca competencia, la poca que hay no son diseadores de sistemas trmicos, ni se ocupan

de la innovacin de los sistemas ni de la mejora continua de sus productos, solo se ocupan

de revender e instalar correctamente.

Actualmente no contamos con experiencia en el campo de la energa solar trmica, por lo

tanto se corre el riesgo de perder clientes a la hora de que ellos busquen una empresa que

les pueda resolver problemas energticos variados, ya que slo acudirn a la empresa si

buscan sistemas fotovoltaicos, en cambio, ellos pueden acudir a otras empresas donde les

pueden ofrecer otras alternativas para la reduccin de gastos en sus empresas y hogares.

Sin embargo, Solaer cuenta con un gran equipo que a pesar de no tener experiencia, son

muy buenos en sus especialidades y a la hora de hacer innovacin se cuenta con un gran

apoyo por parte de la empresa que siempre est buscando nuevas alternativas para proveer

soluciones a los clientes y dar un mejor servicio.

Se tiene la gran oportunidad de comenzar a explorar otras alternativas de las energas

renovables para dar soluciones contra los gastos de las empresas y hogares a causa del alza

de los precios de los energticos fsiles, comenzando as con el desarrollo de un prototipo

de CCP que supla parcial o totalmente la necesidad de gas natural o LP de los negocios y

hogares con posibilidad de futuramente crear un sistema de CCP que sea capaz de producir

energa elctrica a gran escala. Con la ayuda y respaldo de la empresa se desarrollar el

proyecto para calentar una alberca mediante un arreglo de colectores de canal parablico

CCP.


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2.4. Alternativa de solucin

Para resolver la problemtica del calentamiento de alberca, tenemos varias soluciones,

todas ellas son colectores solares, sin embargo de diferentes tipos, diferente

funcionamiento, principios, eficiencia y precio. Cualquiera de stos sistemas puede mitigar

los gastos producidos por calentar la alberca con energa proveniente de energticos no

renovables.

El proyecto de CCP es uno de ellos y tiene como meta abrir en la empresa un nuevo

departamento el cul se enfoque a resolver los problemas energticos como el alza de los

precios de los combustibles fsiles que cada da suben de precio con sistemas solares

trmicos, y para probar la cualidad superior de calentamiento de agua del colector se

realizara el proyecto de calentamiento a travs de un sistema de CCP.

2.4.1. Fundamentos del proyecto

El proyecto de CCP es un sistema de aprovechamiento de energa solar para transformarla

en calor y utilizarlo en calefaccin, calentamiento de agua para bao, calentamiento de

agua para alberca o generacin de vapor para producir energa elctrica. Aqu en Chihuahua

junto con algunos otros estados del Norte de Mxico y Sur de los Estados Unidos, tenemos

la mejor radiacin del Norte de Amrica, lo que quiere decir que nos llega por diversos

factores ms energa solar promedio al ao, siendo en la ciudad de Chihuahua 5.5

kWh/m2/da, lo que es una irradiancia promedio mayor que muchos otros lugares del

mundo, considerndose as Chihuahua como un lugar idneo para el aprovechamiento e

implementacin de sistemas de energa solar.

Actualmente debido a la terminacin de disponibilidad del petrleo en aguas no profundas

y a la creciente demanda mundial de energa, el precio de la energa no renovable en

general est aumentando arriba del 8% anual, incluyendo la energa elctrica, la gasolina, eldiesel y el gas natural. Lo que causa que todos los servicios y productos suban de precio, ya

que en todos los procesos para servicios y productos se ven involucrados los energticos y

las empresas para salir con ganancias de los negocios deben de deducir el costo de los

energticos y aumentando el precio de sus productos.


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Mientras el precio de los energticos fsiles sube el precio para la adquisicin de sistemas

de energa renovable baja, esto ha hecho que muchas personas vean ms viable el tener

sistemas de este tipo y dejar de consumir energa proveniente de fuentes no renovables.

Muchas personas tienen la idea de que estas tecnologas son muy caras como para podercostearse uno de estos sistemas, pero esa mentalidad est cambiando debido a que algunos

se han dado cuenta de la baja de los precios de los Sistemas de Generacin de Energa

Renovable (SIGER) y han empezado a investigar el tema y mercado para darse una

oportunidad de valorar la posibilidad de adquirir un SIGER. As una barrera entre el

consumidor y los SIGER est siendo derribada dando apertura a la posibilidad de que

algn da todos seamos consumidores de estos productos.

Todo esto hace ms fcil el llegar con un cliente y ofrecerle la valoracin y cotizacin parainstalarle un SIGER en su casa, comercio o industria. Esto da paso a su vez a que la

economa sea un poco ms independiente de los combustibles fsiles y a que los precios

vuelvan a ser estables.

La empresas de hoy en da buscan tener una buena reputacin, una reputacin de estar a la

vanguardia tecnolgica y de ser empresas verdes, cualidades que se le atribuyen a los

SIGER, lo que hace muy atractivo para las empresas instalar en sus oficinas y talleres

SIGERs, los cuales dan a las instalaciones de las empresas plusvala, buena reputacin ypor si fuera poco un aspecto moderno y vanguardista para aquellas empresas que se fijan

tambin en la esttica de las instalaciones.

Todos los SIGER tienen un retorno de inversin, ya que la inversin que se hace al adquirir

estos sistemas se recupera cuando los ahorros superan a esta inversin, que es lo mismo que

decir que, cuando el precio de la energa producida es mayor a la inversin inicial ya se dio

lo que se llama retorno de inversin, y de ese punto en delante toda la energa producida

es ganancia para la empresa o persona que cuenta con estos sistemas.


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2.4.2. Anlisis costo beneficio

El punto principal a atacar con el boiler solar es el gasto de gas natural en el caso de las

empresas, negocios y residencias a las que se les pretende dar una solucin. En Chihuahua

solamente hay una empresa que se dedica a vender y distribuir gas natural, la cual maneja

diferentes tarifas segn sea el cliente, comenzando por las personas morales que utilizan el

gas natural para procesos de produccin, ellos son los que ms barata consiguen la energa,

y en el caso del gas natural no es la excepcin, la industria tiene la tarifa ms baja en cuanto

a gas natural se refiere, despus le siguen los negocios y al final los que menos subsidios

del gobierno reciben son los usuarios de la tarifa residencial.

Las tarifas que manejan las empresas de venta y distribucin de gas natural son reguladas

por la Comisin Reguladora de Energa (CRE), que tiene sus oficinas centrales en la cuidad

de Mxico, ellos dan las tarifas mximas que pueden cobrar las empresas de venta y

distribucin de gas natural. Las tarifas ya sean residenciales, comerciales o industriales se

dividen en tres conceptos: venta, distribucin y renta. Venta del gas natural por metro

cubico es el primer concepto de las tarifas de gas natural, los medidores que las empresas

de gas natural instalan tienen un medidor de flujo en cual mide cuantos metros cbicos

consume el cliente. El segundo concepto en distribucin, las empresas cobran por

transportar el gas natural desde los pozos petroleros de PEMEX hasta el lugar en donde seva a consumir. El ltimo de los conceptos en una cuota fija de renta del servicio y difiere

segn la tarifa.

Ahora el boiler solar tiene un precio calculado de $15, 000.00 instalado y funcionando, el

beneficio que nos da con respecto a su costo es un ahorro de gas natural o del combustible

que usemos para calentar agua, al querer utilizar una caldera para calentar el agua de una

alberca no solo es el gasto que se hace al comprar la caldera, sino tambin la instalacin de

la caldera, la instalacin del medidor de gas natural y las tuberas y el gas que se use cadavez que se requiera agua caliente, ya sea para una alberca o para usarse en la casa. Cuando

se usa un CCP para calentar agua, el nico gasto que se va a hacer es el inicial y de ah en

adelante uno obtiene agua caliente gratis durante el tiempo que dure el sistema que es

alrededor de 15 aos.


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El CCP como todos los sistemas de energa solar tienen un retorno de inversin, ya que nos

genera ahorros durante el tiempo que estemos utilizando estos sistemas. Cuando la suma de

los ahorros que se generaron es mayor que la inversin inicial, decimos que se dio el

retorno de inversin, porque ya recuperamos, en ahorros lo que gastamos al adquirir elCCP.

El retorno de inversin se calculan restando a la inversin inicial en esta caso, el ahorro que

se genera por dejar de consumir gas natural, calculando el equivalente de la energa que

produce el CCP, en los metros cbicos que daran esa misma energa y multiplicando esos

metros cbicos de gas natural por el precio que cuesta un metro cubico de gas natural, su

distribucin, y la renta del servicio de gas natural. Una vez se tenga el consumo anual y el

precio por este consumo podemos determinar en cuantos aos se da el retorno de inversin,en este caso sera un supuesto retorno de inversin de 4 aos.

Esta primera tabla da el promedio mensual de produccin de energa del CCP expresado en

Joules, este resultado se obtuvo de la radiacin promedio mensual que hay en Chihuahua

con relacin a la eficiencia y rea del colector solar, as como de su inclinacin posicin y

seguimiento solar, los datos se obtuvieron de la base de datos de la NASA. Tambin nos da

el ahorro de metros cbicos de gas natural en un ao.

Radiacin directa promedio anual(kWh/m2/da)

6,72

Eficiencia del CCP 48%

rea del CCP (m2) 4

Energa producida en un ao (kWh) 4709,376

Energa producida en un ao (J) 16953753600

Ahorro de gas natural en un ao (m3) 478,6447376

Tabla 2.2. Costo beneficio valores.

La siguiente tabla nos muestra los precios que la CRE da para el consumo, distribucin y

renta del servicio de gas natural y los metros cbicos de gas natural ahorrados en un mes.


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Energa del gas natural (m3/GJ) 0,035420328

Energa del gas natural (m3/J) 35420328

Precio del gas natural por (GJ) 46,247

Precio del gas natural por (m3) 1,638083909

Precio de distribucin por (m3) 3,27638034m3 de gas natural consumidos en unmes

39,88706146

Tabla 2.3. Costo beneficio valores 2.

Ahora, en la siguiente tabla se muestra el ahorro de dinero en un mes si el consumo total de

gas de la casa o la alberca fuera la misma cantidad de gas que se ahorra al calentar agua con

el CCP, en ese caso se ahorrara el 100% del gas que se consuma y as se puede rescindir

de la renta por servicio de gas natural. Por lo que el ahorro de gas quedara de la siguientemanera.

Cargo por servicio mensual 62,93

Cargo por uso (m3 consumidos) 65,33835356

Cargo por distribucin 130,685184

Costo total 258,9535376

I.V.A. 41,43256601

Precio final 300,3861036

Tabla 2.4. Costo beneficio resultados.

Para determinar el retorno de inversin la siguiente tabla nos muestra el ahorro de dinero

anual y el incremento de los precios que se pronostican de acuerdo al historial de

incremento de los precios de los ltimos 5 aos.

Ahorro total del primerao con CCP

3604,633243

Aumento porcentualanual

1%

Tabla 2.5. Costo beneficio resultados 2.


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La corrida financiera de retorno de inversin queda de la siguiente manera.

Aos Ganancia anual Ganancia acumulada Retorno de inversin

0 $ 0 $ 0 -$ 15.000,00

1 $ 3.604,00 $ 3.604,00 -$ 11.395,00

2 $ 3.625,00 $ 7.229,00 -$ 7.770,00

3 $ 3.545,00 $ 10.875,00 -$ 4.124,00

4 $ 3.666,00 $ 14.542,00 -$ 457,00

5 $ 3.687,00 $ 18.229,00 $ 3.229,00

6 $ 3.708,00 $ 21.938,00 $ 6.938,00

7 $ 3.729,00 $ 25.668,00 $ 10.668,00

8 $ 3.750,00 $ 29.418,00 $ 14.418,00

Tabla 2.6. Flujo financiero.

Los resultados de la tabla arrojan que el retorno de inversin se da despus de los cuatro

aos de la instalacin del CCP. Este es solo uno de los beneficios del boiler solar otro es

que cualquiera puede tener su CCP lejos de las zonas urbanas en donde comnmente no

llegan las tuberas de gas natural ni los distribuidores de gas LP. Algunas otras aplicaciones

son la generacin de energa elctrica por vapor y calefaccin por radiador, que pueden serperfectamente utilizados en lugares en donde no se distribuye ni la energa elctrica ni el

gas natural, entre otros.

2.4.3. Planeacin, mtodo y recursos empleados

En la planeacin del prototipo de CCP se delimitaron 6 pasos en los cuales estn

diferenciados por etapas del proyecto, solamente se puede hacer el segundo habiendo hecho

el primero y de forma consecutiva los dems pasos y tambin estn delimitados por reas

que necesitan tener cierto grado de experiencia y que requieren atencin de tiempo

completo por lo que la mayora de estos pasos no pueden ser ejecutado al mismo tiempo.

Para cada paso en la elaboracin de un prototipo de CCP se utilizan diferentes mtodos y

recursos, pues cada uno de los pasos requiere el conocimiento de diferentes especialidades

para poder cumplir con el trabajo.


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2.4.3.1. Diseo del prototipo y del proyecto

Este es el primer paso en donde se plantea una solucin a un problema, se buscan varias

soluciones hasta encontrar la ms adecuada e innovadora y factible, en este paso se acude a

los artculos de divulgacin relacionados, tesis y se utiliza la imaginacin e ingenio. Aqu

es donde se determina que para dejar de pagar por el gas natural para calentar la alberca se

utilizara un CCP con nuevo diseo, se revisan varias tesis en donde se encuentra toda la

informacin necesaria para tomar en cuenta todos los aspectos tcnicos que se deben de

tomar en cuenta y se acude a la imaginacin e ingenio para lograr una innovacin en el

diseo.

Una vez teniendo la idea se comienza con el diseo grfico del proyecto que cumpla con

los requerimientos fsicos para la funcin que va a desempear. Se muestra grficamente en

un programa especializado en diseo de maquinaria el movimiento mecnico que

desempea el CCP para seguir al Sol. Se calculan los esfuerzos de la estructura con los

datos de la carga que ejercer el viento en el sistema y se cubren las debilidades de la

estructura previendo las posibles deformaciones que puede causar las cargas en la lmina y

estructura. Se determinan los materiales de los que se va a conformar la estructura as como

los calibres de los mismos, se hacen diagramas del sistema y se calculan los calibres de la

tubera con relacin a la presin que generara la bomba de agua y al flujo que se necesitapara lograr cierta temperatura.

Una vez que se tienen previstos todos los aspectos fsicos y mecnicos del sistema se

comienza con el diseo del circuito de control tomando en cuenta la demanda energtica

que necesitan los motores (bomba y actuador) y la funcin que van a desempear, as como

el monitoreo de las variables que determinaran la accin de los motores. De igual manera se

acude a libros educativos y apuntes en donde que puedan servir de apoyo para el diseo del

circuito.

Por ltimo se traza un layout del sistema ya instalado con todos sus componentes

integrados, CCP, filtro de agua, bomba de agua, tuberas, as como indicar los puntos

cardinales y ubicacin de la alberca.


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2.4.3.2. Seleccin y compra de los materiales y los motores

De acuerdo con los clculos realizados se comienza con la bsqueda de los materiales que

se necesitan para la elaboracin e integracin del sistema, para tomar la decisin de cuales

materiales y motores son los que se utilizaran, primero se leen las fichas tcnicas de varios

motores y materiales que parezcan los indicados. Una vez que se encuentren los motores y

materiales que cumplan con los requisitos de funcionalidad que indican sus respectivas

fichas tcnicas se buscan varios proveedores, como mnimo tres diferentes proveedores.

Para seleccionar el mejor proveedor se toma en cuenta, precio, marca y garanta. Despus

se procede a hacer la compra de los materiales que integraran al sistema.

2.4.3.3. Armado de la estructura y del mecanismo

En este paso se procede con el trabajo de campo. Ya teniendo el actuador se construye la

estructura con una preparacin en donde se colocara el actuador. El CCP lleva una

compleja estructura en donde se debe de construir un canal con perfil parablico perfecto,

esto es para que la radiacin solar reflejada incida a lo largo tubo al vaco, de lo contrario,

si no incide o incide parcialmente en el tubo al vaco, la eficiencia se reducir

dramticamente. En este paso se recurre a un taller de herrera especializado y capacitado

para hacer estructuras complejas.

2.4.3.4. Integracin del circuito de control

Se adquieren todos los componentes e integrados electrnicos para comenzar con la

construccin de la tablilla del circuito de control. Se arma el circuito primeramente en una

tablilla de prototipos, se hacen las pruebas correspondientes hasta asegurarse de que el

circuito est funcionando perfectamente, incluyendo pruebas con el circuito conectado al

CCP. Se prosigue a soldar en tablilla y a colocar el circuito en su lugar para terminar de

integrarlo al CCP, y as con cada uno de los CCPs.

2.4.3.5. Instalacin y puesta en marcha del sistema

Se fija el conjunto de CCP en su lugar definitivo que ser el techo de la casa en donde se

encuentra la alberca, se conecta la tubera y se instala el panel, batera y controlador de

carga que alimentaran al sistema. Se instala la bomba sumergible dentro de la alberca y se


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asla para evitar que succione a las personas que usen la alberca. Se pone en marcha el

sistema.

2.4.3.6. Adquisicin de datos y terminacin del reporte de estadas

Para cuantificar la energa y medir la eficiencia del sistema, se toma diariamente la

temperatura de la alberca para registrar el aumento de la temperatura, se toman mediciones

de la radiacin solar a lo largo de los das que el sistema est en prueba. Se genera una base

de datos en una computadora para registrar el comportamiento del sistema y calcular la

eficiencia del mismo. Se hacen inspecciones en todo el sistema para ver si todas y cada una

de las partes estn actuando como deberan y se propones modificaciones futuras y poder

disear futuramente un sistema de CCP ms innovador y eficiente. Se hacen anotaciones y

apuntes que despus se utilizaran para terminar el reporte de estadas.

2.4.3.7. Resultados

Se espera tener instalado un sistema de CCP con regulador de temperatura digital

funcionando con un flujo constante de 5 litros por minuto, flujo que puede ser interrumpido

por medio de un apagando la bomba cuando la temperatura se pase de los lmites marcados

por el usuario del sistema, tanto limite alto como lmite como lmite bajo.

El sistema ser capaz de mantener un ngulo de 90 entre la directriz de la parbola delsistema y la incidencia de los rayos del sol, durante 7 horas diarias, es sistema ser capaz de

regresar a su punto de partida cada vez que se meta el sol para comenzar a seguirlo una vez

que amanezca de nuevo. Cada vez que el sistema pase el lmite alto de la temperatura del

agua el sistema ser capaz de sacar del foco al CCP para mantener la temperatura del agua

a la temperatura adecuada.

Se espera tener un aumento de la temperatura de 10 grados centgrados, este aumento debe

de darse en un tiempo aproximado de una semana y aumentar desde la temperaturaambiente promedio en Agosto que es de 21.2 centgrados hasta los 32 centgrados. El

sistema despus de haber pasado una semana debe de poder mantener la temperatura de la

alberca a 32 centgrados funcionando nicamente 3 horas diarias. Se espera que el sistema

tenga una eficiencia del 48% lo que es equivalente a producir 4709.3 kWh al ao de los

9811 kWh que caen en promedio anual en Chihuahua sobre 4 m 2 en una superficie


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perpendicular al sol (radiacin anual para seguidores solares de movimiento azimutal en

Chihuahua).


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2.4.5. Autorizacin de alternativa

2.5. Cronograma

Tabla 2.7. Cronograma.


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2.5. Cronograma


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CAPTULO 3. EJECUCIN DEL TRABAJO

3.1. Antecedentes

La tecnologa de los CCP no es ni relativamente nueva, ya tienen bastante tiempo

implementndose estos sistemas, uno de los primeros sistemas era un CCP de altas

temperaturas que constaba de tres elementos, un espejo concentrador, una caldera y una

mquina de vapor, este sistema fue desarrollado por John Ericsson en la dcada de 1870,

hace ya ms de 140 aos.

En 1885 el ingeniero francs Carles Tellier desarrollo un CCP de bajas temperaturas, este

sistema por igual era para alimentar mquinas de vapor, la nica diferencia era queutilizaba fluidos que tenan su punto de ebullicin ms bajo que el del agua, de esta manera

poda generar vapor con menos energa y as, generar ms cantidades de vapor.

En 1912 el ingeniero norte americano Frank Shumann, director general de Sun Power,

empresa fundada a inicios del siglo XX, y su grupo de trabajo construyeron cinco

colectores solares de canal parablico en el desierto de Madi frica cerca de una

comunidad agrcola junto al rio Nilo. Cada colector meda sesenta metros de largo por

cuatro metros de ancho y separados ocho metros entre s, la planta logr generar 55

caballos de potencia con un 40% de eficiencia. A pesar de haber tenido muy buenos

resultados la planta tuvo que ser cerrada en 1915 debido a la primera guerra mundial.

En el 2002 se comienza con el proyecto Euro Trough, que es un CCP con una estructura de

soporte pre galvanizada, con bajo peso y baja torsin. Cada uno de los espejos est apoyado

sobre cuatro puntos de la estructura, lo que le permite tener un margen de torsin sin que

afecte a la concentracin de la radiacin sobre el foco.

Para reducir los costos y aumentar la eficiencia se aprovecharon los siguientes potenciales:

Se simplifico el diseo para reducir el costo de produccin por peso de la estructura,

perfiles menos diferentes y cerrados.


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Mejora del funcionamiento ptico del colector, se construy una estructura ms rgida para

evitar concentracin fuera de foco.

Tubos al vaco de alta eficiencia para reducir las prdidas de calor.

Se mont la primer planta generadora de electricidad Euro Trough en el ao del 2002 al Sur

de Espaa, la planta cuenta son un sistema de almacenamiento de energa que le permite

tener 9 horas de autonoma despus de haber tenido un da soleado en funcionamiento, la

eficiencia del colector para transformar energa en forma de radiacin electromagntica en

energa elctrica es del 38%, esto con un precio de 206 Euros el metro cuadrado de

instalacin, la planta mide 500, 000 metros cuadrados y tiene una potencia de 50 mega

watts.


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3.2. Teora del diseo del colector de canal parablico

3.2.1. La parbola

La parbola es el perfil resultante de un corte plano y recto a un cono con un ngulo de

corte igual a la hipotenusa del tringulo que dara la forma al cono si este se revolucionara.

Esta misma forma se da en la naturaleza debido a la fuerza que ejerce la gravedad sobre la

materia. Parablica es la forma que toma una cuerda holgada que est sujeta de las puntas,

tambin es la forma de la trayectoria de los objetos que son lanzados hacia arriba cuando no

son influenciados por la resistencia del aire.

La parbola tiene muchas aplicaciones en las diferentes ramas de la ciencia aplicada ya que

su forma corresponde a las grficas de las ecuaciones cuadrticas. En ingeniera civil laparbola es la forma ideal en los puentes para distribuir los pesos hacia los descansos de los

mismos (figura 3.1). En ptica la parbola tiene la cualidad de concentrar la luz que viene

hacia la parbola con un ngulo perpendicular a su directriz, y en caso de poner una fuente

luminosa en el foco de un reflector parablico, que emite su luz hacia todas las direcciones,

toda la luz ser reflejada perpendicularmente desde la directriz de la parbola. El mismo

efecto ocurre con las dems clases ondas electromagnticas, por lo que la parbola es ideal

en las telecomunicaciones para mandar y recibir informacin (figura 3.2).

Figura 3.1. Puente estructura parablica.


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31

Figura 3.2. Antena parablica de comunicacin.

En la parbola como perfil bidimensional consta de un eje, que es la lnea de simetra de la

parbola, el vrtice, que es el punto de interseccin entre la trayectoria de la parbola y el

eje, es el punto ms alto o bajo de la parbola segn sea su abertura, aplicacin o punto de

vista, la directriz, que es una recta perpendicular al eje de la parbola equidistante al vrtice

de la parbola que su foco, solamente que en direccin opuesta, y el foco que es un el puntoen la parbola ubicado sobre el eje y ubicado al lado contrario de la directriz cuya distancia

con esta es el doble que su distancia con el vrtice.

SubreflectorSuperficie

parablica

Guade ondas


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Figura 3.3. Partes de la parbola.

La frmula cuadrtica de la parbola es:

y2=4px

Dondep es la distancia focal, o sea la distancia entre el vrtice y el foco o lo mismo que es

la distancia entre la interseccin de la directriz con el eje y el vrtice.

Al revolucionar una parbola obtenemos lo que se conoce como un plato parablico, que es

utilizado como antena receptora en las telecomunicaciones y como concentrador trmico de

radiacin solar, o podemos extruir el perfil parablico y obtener un canal parablico que es

la forma a la cual se moldeara una lmina refractiva que utilizaremos para construir el CCP.

La razn por la cual la parbola tiene la cualidad de rebotar, reflejar o redirigir seales de

radiofrecuencia, luz, entre otras cosas es que las ondas o partculas con trayectoria

perpendicular a la directriz que choquen en cualquier punto de la parbola, chocaran con un

ngulo con respecto a la superficie de la parbola igual al ngulo que tiene el foco con

respecto ese punto de la superficie de la parbola (Figura 3.4).

Eje

Foco

VrticeDirectriz


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Figura 3.4. Efecto de la parbola.

Lo mismo suceder con la partcula u onda que tenga trayectoria perpendicular a la directriz

aunque choque en otro punto de la parbola pues el ngulo entre la perpendicular de la

directriz y la parbola siempre es igual que el ngulo que tiene ese mismo punto de lasuperficie de la parbola y el foco en cualquier punto de la parbola

Esta caracterstica hace que las ondas o partculas que caen sobre un disco parablico

reboten y coincidan todas en un mismo punto, que es el foco del disco parablico, que en el

caso de un disco parablico que est bajo los rayos con una superficie refractiva, toda la

radiacin solar que incida sobre esta superficie ser concentrada en un solo punto lo que

provocara que tengamos ms energa sobre unidad de rea. A esta concentracin se le

puede cuantificar, si logramos tener el doble de radiacin por unidad de rea debido a laconcentracin se dice que tenemos una concentracin de 2x, esta concentracin depender

de la precisin que tenga nuestro concentrador, de la eficiencia de refraccin de la

superficie reflejante del tipo del concentrador y del rea de recepcin de nuestro

concentrador.

Angulo entre el

foco y la superficiede la parbola

Angulo entrela trayectoria yla superficie de

la parbola


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Para los colectores solares de canal parablico la concentracin de la radiacin solar incide

en el foco que est a lo largo del canal, por lo que se puede decir que el ndice de

concentracin para un canal parablico es menor que el de un plato parablico, ambos con

la misma rea de coleccin, ya que el foco del plato parablico se encuentra en un punto alcentro del plato y el foco del canal parablico se encuentra extendido sobre una lnea focal

que se encuentra a lo largo del canal parablico.

La cualidad de los CCP de tener un foco alargado nos permite tener una tubera con un

fluido trmico fluyendo dentro de ella como receptor trmico y de esta manera llevar el

calor producido por la radiacin hasta donde lo podamos utilizar. Esta tubera segn el

diseo propuesto puede ser metlica, o de tubera al vaco, la tubera al vaco nos da la

capacidad de disminuir las perdidas trmicas. Los platos parablicos no son muy utilizadoscomo colectores solares, ya que el flujo del fluido trmico es ms complicado, debido a que

no sera un flujo en lnea recta como en el caso de los CCP y hacer pasar un fluido trmico

a travs de varios platos parablicos producira muchas prdidas de presin por hacer pasar

el fluido trmico a travs de los codos que habra en un sistema de colectores de plato

parablico.

La concentracin de radiacin solar se utiliza en aplicaciones en donde se necesita generar

altas temperaturas, como calentamiento o precalentamiento en procesos industriales ygeneracin de vapor para plantas termoelctricas, que son las ms comunes, entre otras. El

factor que nos marca la temperatura mxima que podemos alcanzar en un colector son las

prdidas de calor. En un colector solar tenemos un flujo de calor que se produce con la

radiacin solar incidente en el receptor trmico, o sea, el tubo al vaco preferentemente, y

sabemos que cuanto ms alta sea la temperatura de un cuerpo con respecto a su entorno

mayores sern las perdidas, entonces ese flujo trmico o esa potencia de entrada que

tenemos va a calentar a nuestro fluido trmico, conforme va pasando el tiempo, la

temperatura del fluido aumenta y por lo tanto las prdidas se incrementan, y en el punto en

donde la potencia de las prdidas de calor es igual a la potencia del flujo de calor que entra,

en ese punto de dice que se ha alcanzado la temperatura mxima.


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El CCP logra alcanzar mayores temperaturas debido a que la potencia del flujo de calor de

entrada es mayor, entonces para que la potencia de las prdidas sea iguales a la potencia de

entrada la temperatura tendr que ser mayor.

Figura 3.5. Torre de concentracin solar.

La figura 3.5 muestra un sistema de coleccin de energa solar de alta concentracin, esta

central solar termoelctrica est compuesta por cientos de heliostatos que hacen la funcin

de superficie de concentracin y una torre solar que hace la funcin de superficie

absorbedora, este sistema debido a la alta concentracin de 2000x que tiene puede alcanzar

temperaturas mayores a los 2000 grados centgrados, sin embargo opera a temperaturas

alrededor de los 600 grados centgrados.


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Figura 3.6. Colector de placa plana.

En la figura 3.6 se muestra un arreglo de colectores de tipo placa plana que tienen una

concentracin de 1 sol, este tipo de colectores alcanzan una temperatura aproximada de 70

grados centgrados y funcionan a su mxima eficiencia alrededor de los 30 grados

centgrados.

Otra de las ventajas de la concentracin solar es que en los sistemas que la implementan el

rea de recepcin trmica es ms grande que el rea de prdidas trmicas, siendo el rea de

recepcin la lmina refractiva y el rea de prdidas en tubo al vaco. En los colectores

solares de placa plana, el rea de recepcin es la misma que el rea de prdidas.

La cantidad de perdidas trmicas que tendr un sistema depender de la temperatura que

tenga as como del rea de superficie que tenga expuesta al entorno, entonces, si tenemosun cubo y una esfera, ambos de volumen y temperatura iguales, en el mismo entorno, el

cubo tendr ms perdidas de calor ya que su superficie es ms grande que la de la esfera.

Esa es una de las ventajas que tiene el utilizar CCP que gracias al perfil parablico que

tiene podemos concentrar la energa en un receptor pequeo y as reducir el rea de

prdidas.


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En la siguiente grafica podemos apreciar como conforme se aumenta la concentracin se

aumenta la temperatura mxima que se puede obtener en un colector solar. Estas son curvas

de temperatura-concentracin y cada curva muestra como aumenta la temperatura conforme

aumenta la concentracin para materiales con diferente emisividad. Podemos apreciar quecuando usamos materiales receptores que tienen menos emisividad logramos alcanzar

temperaturas mayores tericas.

Figura 3.7. Curvas de temperatura concentracin.

La siguiente grafica nos muestra que entre ms alta es la concentracin la eficiencia con la

que se absorbe el calor a cierta temperatura es mayor. Con esto podemos decir que siqueremos calentar un fluido a cierta temperatura vamos a lograr mayores eficiencias

calentando en fluido conforme aumentemos la concentracin de un CCP.


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Figura 3.8. Curvas de temperatura eficiencia.

Sabemos que entre mayor sea la temperatura que alcance el receptor mayor va a ser el calor

que se est transmitiendo al fluido, pero tambin aumentan las prdidas de calor. Existe una

temperatura para cada grado de concentracin en el que el calor que es aprovechado esmximo, donde las perdidas por calor no son demasiadas y el calor que se trasmite al fluido

es abundante, ese es el punto de temperatura optima de trabajo de un colector solar. Estos

puntos se muestran en la siguiente grafica para cada grado de concentracin a una misma

emisividad.


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Figura 3.9. Curvas de eficiencia mxima.

La concentracin trmica que puede alcanzar un colector solar tiene que ver con la

irradiacin que llega a la superficie reflejante y la irradiacin que llega al tubo absorbedor.

La frmula queda de la siguiente manera:

Concentracin energtica = Irr Sref / Irr Sabs

= irradiancia en la superficie reflejante / irradiancia en el tubo absorbedor

3.2.2. El tubo al vaco

Los tubos al vaco son el elemento de un colector solar que se encarga de recibir la

radiacin solar y convertirla en calor, se le denomina como el receptor trmico del colector.

Los tubos al vaco no son utilizados en todos los colectores solares, existen colectores


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solares de placa plana, de serpentn, de manta, de plato parablico, de conveccin, de canal

parablico, entre otros, y solo algunos de ellos utilizan tubos al vaco. Dentro de los tubos

al vaco se encuentran los tubos al vaco de flujo directo (Figura 3.12), los de conveccin

natural (Figura 3.10) y los de alta presin (Figura 3.11).

Todos los tubos al vaco estn diseados bajo el mismo principio, el de generar un alto

vaco entre dos capas de vidrio que impida las prdidas de calor, la primera capa o la capa

de vidrio es transparente y la segunda la interior tiene un recubrimiento de nitrito de

aluminio de baja emisividad, todo esto es para disminuir las prdidas de calor.

Existen 3 formas de transferencia de calor entre dos cuerpos o entre dos sistemas, la

conduccin, la conveccin y la radiacin. Todos los sistemas trmicos tratan de estar

constantemente en equilibrio, sea que intentan estar a la misma temperatura. Los cuerpos

o sistemas ms calientes siempre estn cediendo calor a los cuerpos ms fros, y entre ms

alta sea la diferencia de calor mayor ser el flujo de calor entre estos dos cuerpos.

La conduccin trmica se da cuando dos cuerpos estn en contacto y se transfieren calor

directamente, la conveccin trmica se da entre dos cuerpos separados, donde el cuerpo

ms caliente le cede calor al ms frio a travs de un fluido intermedio que transporta el

calor de uno a otro, y la radiacin trmica se da constantemente en todos los cuerpos, sea

cual sea su temperatura, solo que entre ms alta sea su temperatura ms alta ser la

radiacin emitida, la radiacin trmica por lo general es la forma de trasferencia de calor

que menos calor transfiere entre los cuerpos, excepto en cuerpos como el sol que se

encuentran en el espacio exterior, donde hay vaco y no se puede transferir calor ni por

conduccin ni por conveccin, nicamente por radiacin, esto se debe a que la radiacin

que emiten los cuerpos puede viajar a travs del vaco hasta llegar a un sistema trmico al

cual puedan aportar su energa, cosa que no sucede con la conveccin y la radiacin.

Es por eso que los tubos al vaco estn diseados con dos capas de vidrio de borosilicato

con una alto vaco entre ellas, para evitar las prdidas por conduccin y conveccin, en

cuanto a las prdidas de radiacin, el tubo interior tiene una capa exterior de Nitrito de

Aluminio que es un compuesto que tiene la caracterstica de tener baja emisividad, la

emisividad es la capacidad de un cuerpo de emitir radiacin. Estas cualidades del tubo al


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vaco hacen que las prdidas en general del sistema se reduzcan, haciendo al sistema ms

eficiente que si se usara un simple tubo de cobre en vez del tubo al vaco.

Figura 3.10. Tubos de conveccin natural.

Uno de los tipos de tubo al vaco que hay en el mercado es el tubo de efecto de conveccin

(Figura 3.11), este tubo tiene solamente un orificio por el cual debe entrar el agua fra y el

agua caliente, funciona por el efecto de conveccin. Estos tubos se ensamblan en la parteinferior de un termo tanque, el agua fluye a travs del termo tanque y de los tubos al vaci,

los tubos al vaco estn en la parte ms baja del sistema y ah es donde se calienta el agua.

El agua fra se inserta en el colector solar cada vez que se saca agua caliente de l, el agua

fra por tener mayor densidad se va hasta la parte ms baja del sistema dentro de los tubos

al vaco y se calienta, una vez caliente su densidad baja y esta se eleva, dando paso al agua

ms fra de ser calentada, y este ciclo se repite.


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Figura 3.11. Tubos de presin.

Otro tipo de tubos al vaco son los de presin (Figura 3.11), estos tubos al vaco no se

llenan con aire sino que se les inserta un tubo de cobre lleno de un fluido trmico, a este

tubo se le llama tubo de calor, y tiene en su parte superior una cabeza en forma de huevo

hueca. Dentro del tubo al vaco tenemos aire y un tubo de calor, que en la parte superior del

tubo se sella y solo sobresale la cabeza del tubo de calor en donde llega el vapor del fluido

trmico una vez que se calienta, este tubo se inserta en un termo tanque al igual que el de

los tubo de conveccin solo que el agua de este tanque est expuesta a alta presin. Estopermite liberar al tubo al vaco a la presin que hay dentro del termo tanque. Dentro del

tubo de calor hay un efecto de conveccin, en donde se calienta en la parte baja el fluido

trmico y se evapora, este vapor llega a la cabeza del tubo de calor y transmite su calor al

agua dentro del tanque. Los colectores que funcionan por el efecto de conveccin tienen el

nombre de colectores de tipo pasivo, ya que no utilizan ningn tipo de bomba de agua para

generar un flujo de agua dentro de ellos, completan el ciclo del agua por conveccin

natural.


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Figura 3.12. Tubos de flujo directo.

El ltimo de los tipos de tubos al vaco es el tubo de flujo directo (Figura 3.12), el cual

tiene dos orificios a las extremidades del tubo que permite un flujo directo del agua que

pasa dentro de l. Este tipo de tubos se usa en la mayora de los CCP y permite un fcil

acoplamiento entre unidades de CCP para armar sistemas de estos. Los tubos de flujo

directo ayudan tambin a tener la menor cantidad de prdidas de presin posible dentro de

los tubos, ya que mantener la presin es fundamental para poder utilizar una bomba

pequea, que sea barata y que consuma poca energa. Los sistemas de CCP son sistemas

activos, esto quiere decir que se apoyan de una bomba de agua para hacer circular el agua,

es por eso que en estos sistemas se utilizan los tubos al vaco de flujo directo.


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3.2.3. Estructura del CCP

Existen dos tipos fundamentales de estructuras de CCP, la estructura de tipo esqueleto de

pescado y la estructura basada en tringulos de fuerza.

Figura 3.13. Estructura de esqueleto de pescado.

Las estructuras de tipo de esqueleto de pescado son utilizadas nicamente en proyectos de

pequea escala, esto se debe a su fcil fabricacin y a que oponen mucha resistencia al

viento y la carga que soportan es muy baja con relacin a su peso.

Las estructuras de los colectores de canal parablico deben de cumplir ciertas

caractersticas que permitan que el CCP realice todas sus funciones, las cuales permitan que

el sistema haga su trabajo de manera eficiente, que logre cumplir su objetivo y que se

mantenga funcional por un largo tiempo.

La estructura debe de aportar estabilidad estructural que mantenga la forma parablica de la

lmina refractiva que se le colocara. De igual manera la estructura debe de tener un perfil

parablico bien hecho para que la lmina se amolde a ese perfil y pueda concentrar la

radiacin solar en el tubo de vaco.


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Figura 3.14. Estructura basada en tringulos de fuerza.

Las estructuras basadas en los tringulos de fuerza cumplen con las caractersticas que se

necesitan en una planta solar termoelctrica donde se construyen sistemas grandes de CCP

como se pude apreciar en la figura 3.14.

Entre las caractersticas que debe de cumplir el CCP se encuentra una alta resistencia a lasdeformaciones. El CCP debe de mantener su forma con un pequeo margen de error, ya

que si el CCP sufre alguna deformacin la concentracin de la radiacin solar se puede salir

fuera de foco dejando de calentar el tubo al vaco total o parcialmente.

Entre las deformaciones que puede sufrir un colector est la rotacin del cuerpo del

colector, esta rotacin se puede dar por la fuerza ejercida del motor actuador contra la

fuerza de inercia del cuerpo del colector, la estructura del colector debe de ser capaz de

soportar estas dos fuerzas que actan sobre ella. El actuador lineal empuja al cuerpo del

colector por la parte del centro, pero el cuerpo del colector ejerce resistencia al movimiento

por su inercia, si el colector no tiene la resistencia estructural suficiente las partes extremas

del cuerpo se quedaran atrs cada vez que el motor lineal actu sobre el colector para seguir


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al sol en su trayectoria diaria, los extremos se saldrn del eje de simetra del colector con el

paso del tiempo y esto har que el sistema no caliente como debe.

Todas las estructuras colgantes como los puentes que estn cimentadas y descansadas por

las extremidades deben de transmitir la fuerza ejercida en el centro hacia los descansos

como lo hacen la mayora de los puentes con sus arcos en forma parablica que distribuyen

su peso, esto para evitar que tengan una deformacin por la parte del centro que haga que la

que la estructura se hunda de la parte del medio. En el CCP la estructura debe de cumplir

con una funcin similar y debe de evitan el hundimiento de la parte central de la estructura

por accin de la fuerza de gravedad sobre ella, pero como est constantemente en rotacin

no podemos utilizar una estructura parecida a la de los puentes de arco parablico, en este

caso se debe contemplar una estructura que tenga resistencia a esta deformacin.

Otras deformaciones que se pueden dar en la estructura del CCP son el aplastamiento o

estiramiento de la estructura, o sea que la estructura sufra una disminucin del largo de su

altura o anchura, esto se puede dar si dos fuerzas externas y contrarias oprimen o tensan al

CCP, aunque este suceso es poco posible debe de contemplarse dentro del diseo del CCP

y agregar refuerzos en la estructura para evitar todo tipo de deformaciones dando prioridad

a las cargas ms grandes.

Otro factor que debe de contemplarse en el diseo del CCP es la carga que aporta el viento.

La carga de viento para cada regin es diferente, por lo que se deben de consultar los

parmetros de la carga de viento para cada sitio, esto se puede obtener de las bases de datos

de las estaciones meteorolgicas. Existen dos parmetros con lo que se puede calcular la

carga que crea el viento, uno es la densidad del aire, esta cambia con la altitud ya que entre

ms alto este el sitio sobre el nivel del mar la densidad del aire ser menor, el otro factor es

la velocidad mxima que alcanza el aire. El viento puede crear deformaciones sobre la

estructura del CCP as que se debe de tener contemplada esta carga, pero lo peor que puedehacer el viento con el CCP es arrancarlo de su lugar y lanzarlo lejos. Si el CCP es lanzado

por el viento no solo sufrir daos el colector, sino que puede incluso daar lo que este

alrededor, incluyendo otros colectores, infraestructura y en el peor de los casos a una

persona, es por eso que al CCP aparte de tener una muy buena cimentacin debe de tener el


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peso suficiente para que el viento no logre arrancarlo, y en caso de hacerlo que el viento no

logre arrastrarlo nada lejos. El diseo debe de ser lo ms aerodinmico posible, al menos en

uno de sus lados, de esta manera se le puede adaptar un control de seguridad que cuente con

un anemmetro, de esta manera el CCP se ajusta automticamente a una posicin deseguridad que tenga baja resistencia al viento cuando este sobrepase los limites seguros de

velocidad. Por la carga de viento se determinara tambin el calibre de la lmina refractiva,

la lmina debe de ser lo suficientemente fuerte como para resistir la fuerza del viento que

actuara sobre ella y mantener su forma.

El equilibrio, simetra o la distribucin equitativa de los pesos en los sistemas mecnicos

giratorios es muy importante, ya que esto evita producir vibraciones que con el paso del

tiempo pueden fatigar al mecanismo y provocar su descompostura, este ejemplo aplicaperfectamente en la construccin de los motores de combustin interna y en especial en sus

cigeales, los cuales llevan contrapesos para reducir las vibraciones y que no se afecte el

motor (Figura 3.15).

Figura 3.15. Cigeal estructura en equilibrio.

En el caso del CCP la estructura debe de estar lo ms equilibrada posible, aunque el CCP

no complete nunca una revolucin el equilibrio del CCP ayuda principalmente a reducir el


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esfuerzo del motor actuador. El motor actuador aplica una fuerza sobre el cuerpo del CCP

para hacerlo girar y otra para detenerlo cada vez que se necesite ajustar su posicin, la

fuerza de ejercer el motor sobre la estructura ser menor con la estructura est en

equilibrio, de igual forma el esfuerzo del motor por mantener al CCP en una posicin sermenor. Esto a fin de cuentas reduce en general la fatiga de la estructura, del motor y a que

este ltimo consuma menos energa, todo esto tambin propicia a que el tiempo de vida del

CCP se alargue.

Por ultimo debe calcular el peso final de la estructura para el diseo de las bases y para

determinar qu tipo

Teoría de un Colector de Canal Parabólico

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